สภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเข้มข้น
โซเดียมไฮดรอกไซด์ที่มีความเข้มข้นสูงกว่า 50% ที่อุณหภูมิสูงถือเป็นสารเคมีทางอุตสาหกรรมที่มีฤทธิ์รุนแรงที่สุดชนิดหนึ่ง มันละลายแก้ว โจมตีโลหะส่วนใหญ่ผ่านการแตกร้าวจากการกัดกร่อนที่เกิดจากความเครียดจากการกัดกร่อน หรือการละลายที่สม่ำเสมอ และสลายโพลีเมอร์จำนวนมากผ่านการไฮโดรไลซิสแบบอัลคาไลน์ การรวมกันของ pH สูง (14+) อุณหภูมิที่สูงขึ้น และไอออนนิวคลีโอฟิลิกไฮดรอกไซด์อันทรงพลัง ทำให้การเลือกวัสดุมีข้อจำกัดอย่างมาก
อลูมินาเซรามิก (อะลูมิเนียมออกไซด์, Al₂O₃) เป็นหนึ่งในวัสดุไม่กี่ชนิดที่มีประโยชน์ในการต้านทานการกัดกร่อนที่มีความเข้มข้นสูง พันธะไอออนิก-โควาเลนต์และโครงสร้างจุลภาคหนาแน่นทำให้มีความเสถียรทางเคมีในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่างซึ่งโลหะและแก้วเสียหาย เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอลูมินาทำหน้าที่ในกระบวนการแปรรูปสารกัดกร่อนเฉพาะทาง
PTFE สามารถทนต่อโซเดียมไฮดรอกไซด์ในระดับสากลที่ทุกความเข้มข้นและอุณหภูมิสูงถึง 260 องศา การเปรียบเทียบกับอลูมินาคือระหว่างเซรามิกที่ต้านทานการกัดกร่อนผ่านความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของออกไซด์ กับโพลีเมอร์ซึ่งมีภูมิต้านทานต่อการโจมตีของอัลคาไลน์โดยเนื้อแท้
กลไกการละลายอลูมินา
อลูมินาไม่ได้เฉื่อยกับโซเดียมไฮดรอกไซด์อย่างสมบูรณ์ ที่ความเข้มข้นสูงและอุณหภูมิสูง ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นช้า:
อัล₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2NaAl(OH)₄
ผลิตภัณฑ์โซเดียมอะลูมิเนตสามารถละลายได้และละลายลงในสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน พื้นผิวอลูมินาจะถูกกัดเซาะออกไปเรื่อยๆ อัตราการละลายขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้นของสารกัดกร่อนเป็นอย่างมาก
ที่ NaOH 50% และ 100 องศา อัตราการละลายของอลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง- (99.7%) จะอยู่ที่ประมาณ 0.02-0.05 มม./ปี อัตรานี้ต่ำเพียงพอสำหรับการบริการทางอุตสาหกรรม แต่ก็ไม่เป็นศูนย์ อายุการใช้งาน 10 ปี พื้นผิวสูญเสีย 0.2-0.5 มม. ท่อแลกเปลี่ยนความร้อนอลูมินาต้องมีค่าเผื่อการกัดกร่อนในความหนาของผนัง
การละลายไม่ค่อยสม่ำเสมอกันนัก เซรามิกอลูมินาเป็นแบบโพลีคริสตัลไลน์ และขอบเขตของเกรนกัดกร่อนได้เร็วกว่าด้านในของเกรนเล็กน้อย เมื่อเวลาผ่านไป ความหยาบของพื้นผิวจะเพิ่มขึ้น พื้นผิวที่ขรุขระเป็นบริเวณที่เกิดนิวเคลียสสำหรับการสะสมของเกลือกัดกร่อน ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดปฏิกิริยาตกตะกอนเฉพาะที่-
ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบความต้านทานการกัดกร่อนแบบเข้มข้น (50% NaOH)
| พารามิเตอร์ความต้านทาน | อลูมินา เซรามิก (99.7% Al₂O₃) | ไฟเบอร์ |
|---|---|---|
| กลไกการกัดกร่อน | การละลายทางเคมี (Al₂O₃ → NaAl(OH)₄) | ไม่มี |
| อัตราการละลายที่ 100 องศา (มม./ปี) | 0.02-0.05 | 0 |
| อัตราการละลายที่ 150 องศา (มม./ปี) | 0.10-0.30 | 0 |
| ขีดจำกัดอุณหภูมิ 50% NaOH ( องศา ) | ~150 (การละลายแบบเร่งด้านบน) | 260 |
| พื้นผิวขรุขระตามเวลา | ใช่ (การกัดขอบเกรน) | เลขที่ |
| ความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน | ปานกลาง (ความเปราะบางของเซรามิก) | ไม่มี |
| การนำความร้อน (W/m·K) | 25-35 | 0.25 |
| โหมดความล้มเหลวทางกล | แตกหักง่าย | คืบคลานเหนียว |
| ความซับซ้อนของการประดิษฐ์ | สูง (การประมวลผลเซรามิกเฉพาะ) | ปานกลาง |
ช่องโหว่จากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน
อลูมินาเซรามิกก็เหมือนกับเซรามิกทั่วไปที่เปราะ ความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยฉับพลันถูกจำกัดโดยการรวมกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนปานกลาง (8 × 10⁻⁶/ องศา ) และโมดูลัสยืดหยุ่นสูง (350 GPa) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนที่อาจทำให้เซรามิกแตกหักได้
ในการประมวลผลแบบกัดกร่อน อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้น การปิดระบบ และการพลิกผันของกระบวนการ โซดาไฟเย็นที่ใส่เข้าไปในเครื่องแลกเปลี่ยนอลูมินาร้อน หรือโซดาไฟร้อนเข้าไปในเครื่องแลกเปลี่ยนความเย็น ทำให้เกิดการไล่ระดับความร้อนที่สามารถแตกหักของท่อได้ ความน่าจะเป็นของการแตกหักขึ้นอยู่กับขนาดและอัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และการมีอยู่ของข้อบกพร่องที่พื้นผิวจากการผลิตหรือการบริการ
PTFE มีภูมิคุ้มกันต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำช่วยให้สามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วผ่านการเสียรูปแบบยืดหยุ่น ไม่มีกลไกการแตกหักที่อัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกระบวนการปกติ
ลดการแลกเปลี่ยนความร้อนและรอยเท้า-
ค่าการนำความร้อนของอลูมินาที่ 25-35 W/m·K สูงกว่าของ PTFE 0.25 W/m·K ประมาณ 100-140 เท่า เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอลูมินามีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นอย่างมากสำหรับงานความร้อนเท่าเดิม ในการติดตั้งที่มีพื้นที่จำกัด นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญ
PTFE ต้องการพื้นที่ผิว 3-4 เท่า ส่งผลให้มีรอยเท้าทางกายภาพที่ใหญ่ขึ้น ตัวเลือกระหว่างอลูมินาและ PTFE มักขึ้นอยู่กับว่าพื้นที่การติดตั้งสามารถรองรับตัวแลกเปลี่ยน PTFE ที่มีขนาดใหญ่กว่าได้หรือไม่ ในกรณีที่มีพื้นที่ว่าง ภูมิคุ้มกันที่สมบูรณ์ของ PTFE ต่อการละลายของสารกัดกร่อนและการแตกหักจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันทำให้เกิดวิธีแก้ปัญหาที่มีความเสี่ยงต่ำกว่า
สรุป
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE มีภูมิคุ้มกันต่อโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่ทุกความเข้มข้นและอุณหภูมิสูงถึง 260 องศา อลูมินาเซรามิกต้านทานการกัดกร่อนได้ดี แต่ผ่านการละลายช้า ซึ่งใช้ความหนาของผนังและทำให้พื้นผิวขรุขระเมื่อเวลาผ่านไป อลูมินายังเสี่ยงต่อการแตกหักเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งเป็นความเสี่ยงที่ PTFE จะกำจัดออกไปโดยสิ้นเชิง
ข้อได้เปรียบด้านการนำความร้อนของอลูมินาทำให้มีตัวแลกเปลี่ยนที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ซึ่งอาจตัดสินใจได้ชัดเจนในพื้นที่-การติดตั้งที่มีข้อจำกัด ในกรณีที่มีพื้นที่ว่าง การต้านทานสารเคมีโดยสมบูรณ์ของ PTFE และการปราศจากความเสี่ยงต่อการแตกหักแบบเปราะ ทำให้ PTFE เป็นตัวเลือกที่มีความเสี่ยงต่ำกว่า-สำหรับบริการที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเข้มข้น
การวิเคราะห์ทางวิศวกรรมสำหรับการเลือกใช้วัสดุกัดกร่อนสามารถทำได้โดยส่งความเข้มข้นของ NaOH ช่วงอุณหภูมิการทำงาน ลักษณะการหมุนเวียนของอุณหภูมิ หน้าที่ความร้อน และพื้นที่การติดตั้งที่มีอยู่
