Söötmisliini insener seisis silmitsi sirgjoonelise küsimusega: olemasolev titaanist sukelsoojendi oli pärast 14 kuud 60-kraadises 10% vesinikkloriidhappevannis rikkis ja asendamise otsus taandus titaanile või PTFE-le. Titaanküttekeha oli pakkunud suurepärast soojusülekannet ja madalamat ostuhinda, kuid selle kasutusiga kloriidteenistuses oli piiratud. PTFE variant maksis alguses rohkem ja nõudis rohkem pinda, kuid lubas pikemat vahetusintervalli. Valik sõltus teguritest, mida lihtne materjalide võrdlus ei tabanud.
Vesinikkloriidhape on üks väheseid levinud tööstuslikke keemiaid, kus titaan ei ole automaatne valik. Titaan peab hästi vastu oksüdeerivatele hapetele, kuid on tundlik redutseerivate hapete suhtes, eriti kloriidide juuresolekul. PTFE sukelsoojendid taluvad vesinikkloriidhapet kõikidel kontsentratsioonidel ja temperatuuridel, kuid nende madal soojusjuhtivus seab konstruktsioonipiirangud, mida titaanil ei ole.
Korrosioonimehhanism, mis piirab titaani sisaldust HCl-s
Titaan tugineb korrosioonikindluse tagamiseks passiivsele oksiidkilele. Oksüdeerivas keskkonnas on kile stabiilne ja kaitsev. Redutseerivates hapetes, nagu vesinikkloriidhape, kile laguneb ja selle all olev metall korrodeerub. Korrosioonikiirus sõltub happe kontsentratsioonist, temperatuurist ja oksüdeerivate ainete olemasolust.
Toatemperatuuril ja madalatel kontsentratsioonidel toimib titaan HCl-s vastuvõetavalt. 60 kraadi ja 10% kontsentratsiooni korral korrosioonikiirus kiireneb. 80 kraadi ja 15% juures võib titaan mõne kuu jooksul ebaõnnestuda. Raua ioonide või muude oksüdeerijate olemasolu võib pärssida korrosiooni, mistõttu titaan toimib mõnikord tõelistes marineerimisvannides paremini kui puhtas HCl-s.
| HCl kontsentratsioon | Temperatuur | Titaani korrosioonimäär | Eeldatav kasutusiga | PTFE sobivus |
|---|---|---|---|---|
| 5% | 25 kraadi | <0.1 mm/year | >10 aastat | Suurepärane |
| 5% | 60 kraadi | 0,3–0,8 mm/aastas | 3-6 aastat | Suurepärane |
| 10% | 60 kraadi | 1,0–3,0 mm/aastas | 8-18 kuud | Suurepärane |
| 10% | 80 kraadi | 3,0–8,0 mm/aastas | 3-8 kuud | Suurepärane |
| 15% | 60 kraadi | 2,0–5,0 mm/aastas | 5-12 kuud | Suurepärane |
| 20% | 80 kraadi | >10 mm/aastas | <3 months | Suurepärane |
Titaani korrosioonimäärad vesinikkloriidhappe kasutamisel võrreldes PTFE sobivusega
Soojusülekanne: kus titaanil on eelised
Titaani soojusjuhtivus on ligikaudu 22 W/m·K-umbes 90 korda kõrgem kui PTFE-l. See tähendab, et titaanküttekeha võib töötada palju suurema vattihedusega, ületamata ümbrise ohutut temperatuuri. Titaanist kütteseade võimsusega 5 W/cm² võib töötada jahedamalt kui PTFE küttekeha 1,0 W/cm² juures.
Praktiline tagajärg on suurus. 6 kW titaanküttekeha võib olla kompaktne, sobides väikesesse mahutisse minimaalse pindalaga. 6 kW PTFE-soojendi võimsusega 1,0 W/cm² vajab 6000 cm² kesta pinda -ligikaudu kuus korda suurem kui titaani ekvivalendi pindala. Piiratud ruumiga paakides võib titaankütteseade olla ainus sobiv valik.
| Küttekeha materjal | Soojusjuhtivus | Ohutu vattide tihedus HCl-s | Pindala 6 kW jaoks | Suhteline jalajälg |
|---|---|---|---|---|
| Titaan | 22 W/m·K | 3–5 W/cm² | 1200–2000 cm² | Kompaktne |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,0–1,2 W/cm² | 5000–6000 cm² | 3–5× suurem |
| Roostevaba teras 316 | 16 W/m·K | Ei sobi | - | Korrodeerub kiiresti |
| Kvarts | 1.4 W/m·K | 1,5–2,0 W/cm² | 3000–4000 cm² | Mõõdukas |
Soojusülekanne ja suuruse võrdlus soolhappeteenuses kasutatavate sukelsoojendite jaoks
Kasutusiga ja kogu omamiskulu
Titaani madalama ostuhinna kompenseerib selle lühem kasutusiga HCl-teenuses. Titaanküttekeha, mis maksab 40% vähem kui PTFE-seade, kuid kestab kolmandiku nii kaua, on aastane kulu suurem.
6 kW töötamise korral 10% HCl-s 60 kraadi juures võib titaanisoojendi vastu pidada 12–18 kuud, PTFE-soojendi aga 4–6 aastat. Kümne-aastase perioodi jooksul vajab titaanist 6–8 asendust, PTFE puhul aga 2. Iga asendustöö töö ja seisakud suurendavad kulude erinevust.
Arvutus muutub, kui HCl kontsentratsioon on madal või temperatuur mõõdukas. 5% ja 40 kraadi juures võib titaan vastu pidada viis aastat või kauem, muutes selle PTFE-ga konkurentsivõimeliseks. 15% ja 70 kraadi juures võib titaan kuude jooksul ebaõnnestuda, mistõttu on PTFE selge valik.
| Teeninduse seisukord | Titaani eluiga | PTFE eluiga | 10-aastased asendused (Ti) | 10-aastased asendused (PTFE) |
|---|---|---|---|---|
| 5% HCl, 40 kraadi | 6-10 aastat | 5-8 aastat | 1–2 | 1–2 |
| 10% HCl, 60 kraadi | 12-18 kuud | 4-6 aastat | 6–8 | 2 |
| 15% HCl, 60 kraadi | 8-14 kuud | 3-5 aastat | 7–12 | 2–3 |
| 20% HCl, 70 kraadi | 3-6 kuud | 2-4 aastat | 20–40 | 3–5 |
Titaani ja PTFE kasutusea võrdlus ja asendamise sagedus HCl peitsimisel
Disainipiirangud, mis eelistavad üht materjali teisele
Paagi geomeetria võib enne jõudluse kaalumist ühe võimaluse välistada. Piiratud kütteruumiga kompaktne paak ei pruugi mahutada pindala, mida PTFE vajab madala vattiheduse jaoks. Suur paak, kus on palju ruumi, mahutab mõlemat materjali.
Samuti loeb keelekümblussügavus. Titaanist küttekehad on tavaliselt väiksemad ja mahuvad madalamatesse paakidesse. PTFE-küttekehad vajavad suurema pinna mahutamiseks rohkem sügavust ja on tundlikumad osalise sukeldumise suhtes.
Samuti on oluline keemia väljaspool HCl-i. Kui vann sisaldab oksüdeerivaid liike-raudioone, lämmastikhapet või peroksiide-, võib titaan toimida paremini, kuna selle passiivne kile on stabiliseerunud. Kui vann on puhtalt redutseeriv, on PTFE turvalisem valik.
Kui mõlemal materjalil on piirangud
Mõned soolhappega marineerimisvannid kuuluvad vahemikku, kus ei titaan ega PTFE pole ideaalsed. Titaan korrodeerub liiga kiiresti kõrgel kontsentratsioonil ja temperatuuril. PTFE vajab rohkem pinda, kui paak vajaliku vattiheduse juures mahutab.
Sellistel juhtudel võib sobida hübriidne lähenemine. Titaanist siseelemendiga PTFE sukelsoojendi ühendab välispolümeeri keemilise vastupidavuse metallsüdamiku soojusülekande efektiivsusega. PTFE ümbris kaitseb titaani otsese kokkupuute eest HCl-ga, samas kui titaanelement tagab parema soojusülekande kui tavaline metallelement.
Kui standardsed kütteseadmed ei vasta teenindustingimustele
Kõrge HCl kontsentratsiooni, kõrgendatud temperatuuri ja piiratud perifeerse ruumiga marineerimispaagid nõuavad sageli kohandatud PTFE sukelsoojendi konfiguratsioone, mida standardtooted ei suuda pakkuda. 6 kW töövõimsus 1,0 W/cm² nõuab 6000 cm² ümbrise pinda-rohkem kui üks sirge või L-kujuline seade annab tüüpiliste paagi mõõtmete piires. Järgmised kohandatud mitme-käigu ja perimeetri-konfiguratsioonid jaotavad küttepinna, säilitades samal ajal madala vattiheduse. Spetsifikatsiooniprotsess nõuab HCl kontsentratsiooni, töötemperatuuri, paagi mõõtmeid ja nõutavat võimsust.
