Kloor-leeliseprotsess, mis toodab kloori ja seebikivi, hõlmab tööstuskeemias kõige söövitavamaid vedelikke-kuum kontsentreeritud soolvesi, märg kloorigaas ja tugev leelis. Nende taimede soojusvahetid peavad vastu pidama agressiivsetele tingimustele.PTFE soojusvaheti kloorleelisetööstusrakendused on muutunud nende voogude usaldusväärseks käitlemiseks hädavajalikuks, kuna fluoropolümeeri erakordne keemiline vastupidavus ületab nendes teenustes enamiku metalle.
Kloor{0}}leelisetaimede söövitav keskkond
Kloor{0}}leeliste tootmises domineerivad kolm peamist protsessivoogu (diafragma, elavhõbeda või membraanirakkude tehnoloogiate kaudu):
Soolvesi (naatriumkloriidi lahus): küllastunud või peaaegu küllastunud, tavaliselt 60–90 kraadi juures, sisaldab sageli kaltsiumi, magneesiumi ja sulfaadi lisandeid. Kuum soolvesi söövitab väga süsinikterast ja paljusid roostevaba terasid kloriidi-indutseeritud punkt- ja pragukorrosiooni tõttu.
Seebikivi (naatriumhüdroksiid): kontsentreeritud (32–50% NaOH) temperatuurivahemikus 80 kraadist raku väljavoolus kuni 150 kraadini aurustamise ajal. Kuum söövitav aine põhjustab austeniitsetes roostevabas terases pingekorrosioonipragusid ning ründab kiiresti alumiiniumi ja tsinki.
Märg kloorgaas: Veeauruga küllastunud kloor on äärmiselt oksüdeeriv. See moodustab vesinikkloriid- ja hüpokloorhappeid, mis hävitavad lühikese aja jooksul enamiku metalle, sealhulgas roostevaba terase ja titaani.
Soojusvahetid peavad käsitlema ka anoodset vedelikku (vaesestatud soolvesi), kloori kondensaati ja erinevaid taaskasutusvooge. Tavalised metallsoojusvahetid ebaõnnestuvad kiiresti ühes või mitmes sellises keskkonnas, muutes fluoropolümeerid atraktiivseks alternatiiviks.
PTFE-soojusvahetite peamised rakendused kloori{0}}leelistetehastes
PTFE (polütetrafluoroetüleen) soojusvahetiid kasutatakse mitmetes kriitilistes teenustes, kus korrosioonikindlus on termilise efektiivsuse ees prioriteet. PTFE madalat soojusjuhtivust (≈0,25 W/m·K) kompenseerivad suured pinnad (nt mitme -toru kimbud või mähised) ja metallivaheti riketest põhjustatud seisakute kõrvaldamine.
Soolvee eelsoojendid
Toores soolvesi tuleb enne elektrolüüsi kuumutada elemendi töötemperatuurini (membraanielementide puhul tavaliselt 70–85 kraadi). PTFE-kümblusspiraalid või kest{3}}ja-toruvahetid asetatakse otse soolveepaakidesse või retsirkulatsioonisilmustesse. Soolvesi on sageli klooriga küllastunud ja võib sisaldada hüpokloriti rakkude tagasivoolu voogudest. PTFE talub kõiki neid liike ilma täppide või pragude korrosioonita.
Membraanrakutaimedes on soolvee puhtus ülioluline, et vältida ioonivahetusmembraanide -mürgitamist. PTFE-vahetid ei vii soolveesse metalliioone, säilitades membraani eluea. Metallivahetid (nt titaan) võivad siiski korrodeeruda vaba kloori juuresolekul või setete all, samas kui PTFE jääb inertseks.
Söövitavad jahutid
Kloor-leelisrakkudest väljuv katolüüd sisaldab ligikaudu 80–90 kraadi juures 32–35% NaOH-d. Enne ladustamist või edasist kontsentreerimist tuleb see jahutada. PTFE kesta{7}}ja-torusoojusvahetiid kasutatakse nii, et jahutusvesi on korpuse küljel ja söövitav aine voolab läbi PTFE torude. Fluoropolümeer talub nendel temperatuuridel söövitust, ilma et tekiks söövitava rabestumise või pingekorrosioonipragude oht.
Kõrgema temperatuuriga söövitava (üle 110 kraadi, nt aurusti ahelates) puhul on eelistatud PFA (perfluoroalkoksü) soojusvahetid või eksootilised metallid nagu nikkel 200, kuna PTFE hakkab veidi üle 120 kraadi pehmenema, kuigi selle keemiline vastupidavus jääb puutumatuks. Kuid tüüpilise 80–90 kraadise vahemiku jaoks sobib PTFE täielikult.
Märg kloorigaasijahutid
Rakust väljuv kloor on kuum (80–95 kraadi) ja veeauruga küllastunud. Selle jahutamine kondenseerib suure osa veest ja vähendab allavoolu korrosiooni. Kasutatakse PTFE toru-ja-kestavahetit, kus märg kloorgaas läbib PTFE torusid ja jahutusvesi nende ümber. PTFE pind ei reageeri märja klooriga ega kondenseerumisel tekkivate vesinikkloriid- ja hüpokloorhapetega.
Märja klooriga töötamiseks mõeldud metalljahutid nõuavad kalleid sulameid (nt tantaal, Hastelloy C-22) ja nende kasutusiga on siiski piiratud. Kuigi PTFE soojusvahetid on sama töö jaoks suuremad, töötavad need aastaid ilma korrosioonita. Neid kasutatakse ka kloori kondensaatoritena pärast kuivatustorni, kus gaas on palju kuivem, kuid siiski agressiivne.
Soolvee dekloorimise kütteseade/jahuti
Rakust väljuv tühjendatud soolvesi (anolüüt) sisaldab lahustunud kloori. Enne soolvee ringlussevõttu ja taasküllastamist tuleb kloor eemaldada (dekloorimine) vaakumi või õhuga eemaldamise teel. Dekloorimise hõlbustamiseks kuumutatakse soolvett sageli temperatuurini 85–95 C. PTFE-vaheteid kasutatakse soojuse taastamiseks väljuvast deklooritud soolveest, sissetuleva värske soolvee eelkuumutamiseks. See soojusvahetussilmus käsitleb vedelikke, mis on söövitavad ja võivad sisaldada kloorijääki, mistõttu on PTFE praktiline valik.
Jäätmevoo neutraliseerimine
Kloor-leelisetehase happelised või leeliselised jäätmed neutraliseeritakse enne väljastamist. PTFE-soojusvahetiid kasutatakse mõnikord nendest neutraliseerimisreaktsioonidest soojuse taastamiseks või neutraliseeritud heitvee jahutamiseks. Lai pH vahemik (väga happelisest kuni väga aluseliseni) ei mõjuta PTFE-d.
Miks eelistatakse nende teenuste puhul PTFE-d metallidele?
| Protsessi vedelik | Metallivaheti probleemid | PTFE eelis |
|---|---|---|
| Kuum küllastunud soolvesi (Cl2, OCl⁻) | Titaan võib vaba kloori juuresolekul korrodeeruda; roostevabast terasest augud; niklisulamid kulukad | PTFE kõigi soolvee komponentide suhtes inertne; metalliioonide leostumist ei toimu |
| Kuum seebikivi (32–50%, 80–90 kraadi) | Roostevabast terasest pingekorrosioonipragunemine; niklisulamid kallid | PTFE talub söövitust; pragunemismehhanism puudub |
| Märg kloorgaas | Säilivad ainult tantaal või spetsiaalsed sulamid; kõrge hind ja tarneaeg | PTFE täiesti vastupidav; madalamad kapitalikulud (kuigi suuremad) |
| Segatud happed/leelised jäätmevoogudes | Kiire korrosioon pH kõikumiste tõttu | PTFE-d ei mõjuta ükski pH |
Paljude kloor-leelistehaste teenuste jaoks on eelistatud materjal PTFE, kui töötemperatuur ei ületa umbes 110 kraadi. Lisaks kaalutakse PFA või metalli alternatiive, kuid suurem osa soojusvahetuse kohustustest soolvee töötlemisel, rakuhoones ja kloori käitlemisel jääb PTFE temperatuurivahemikku.
Kloor{0}}Alkali Service'i PTFE-vahetite kavandamise kaalutlused
Temperatuuri piirangud
PTFE-l on mitte-koormus-kandvates rakendustes pidev kasutuspiirang ligikaudu 260 kraadi, kuid soojusvahetite puhul, kus polümeer on kütte-/jahutuskeskkonna siserõhu all, on praktilised piirid madalamad. Kloor-leeliste rakenduste jaoks on PTFE-vahetid tavaliselt ette nähtud vedelike jaoks, mille temperatuur on alla 110 kraadi. Üle 120 kraadi töötavate söövitavate aurustite puhul kasutatakse PFA-d (sulamistemperatuur 305 kraadi) või perfluoritud elastomeer{9}}vooderdatud soojusvaheti.
Survehinnangud
PTFE torud ei ole struktuursed. Neid toetavad torulehed või mähitakse ümber raami. Shell-külgrõhk on olenevalt konstruktsioonist piiratud 3–5 baariga (manomeetriline). Toru -külgmised rõhud sisekeskkonnale (aur, vesi, glükool) on samuti mõõdukad. Kõrgsurverakendustes kasutatakse tahkete PTFE-seadmete asemel PTFE-voodriga metallvahetiid.
Auruküte
Kui auru kasutatakse soolvee või söövitava kuumutusvahendina, on soovitatav kasutada madala rõhuga auru (tavaliselt 1–2 baari, mis vastab 120–130 kraadile), et vältida PTFE pinna ülekuumenemist aurutoru liideses. Kui on vaja kõrgemat aururõhku, kasutatakse PFA-vahetit või PTFE-sekundaarse soojusvahetiga aur-{7}}vesisoojusvahetit.
Saastumine ja puhastamine
PTFE mittenakkuv pind{0}}minimeerib katlakivi adhesiooni soolveesooladest või söövitavatest ainetest. Katlakivi tekkimisel võib soojusvaheti puhastada lahjendatud vesinikkloriidhappega (karbonaatkatlade puhul) või mehaanilise loksumisega ilma torusid kahjustamata. Tõhus on ka auru või kuuma veega loputamine. Erinevalt metallivahetitest ei korrodeeri keemiline puhastus PTFE pinda.
Tüüpilised PTFE-vaheti rakendused kloori{0}}leelisetehases – kokkuvõtlik tabel
| Rakendus | Protsessi vedelik | Temperatuurivahemik | Kütte-/jahutuskeskkond | PTFE soojusvaheti tüüp |
|---|---|---|---|---|
| Soolvee eelsoojendi | Küllastunud NaCl soolvesi, võib sisaldada Cl2 | 25 kraadi → 75–85 kraadi | Madala rõhuga-aur või kuum vesi | Sukeldumispool või kest{0}}ja-toru |
| Söövitav jahuti | 32-50% NaOH | 85 kraadi → 40 kraadi | Jahutusvesi | Kest-ja-toru (torudes söövitav) |
| Märg kloori jahuti | H2O-ga küllastunud gaas Cl2 | 80 kraadi → 25–30 kraadi | Jahutusvesi | Kest{0}}ja-toru (gaas torudes) |
| Soolvee dekloorimise kütteseade | Tühjendatud soolvesi jääkCl2-ga | 65 kraadi → 85 kraadi | Kuum vesi või aur | Sukeldusspiraal |
| Anolüütide jahuti | Anolüüt (vaesestatud soolvesi + Cl₂) | 85 kraadi → 50 kraadi | Jahutusvesi | Shell-ja-toru |
| Jäätmete neutraliseerimise jahuti | Happeline või aluseline heitvesi | Muutuv → 30 kraadi | Jahutusvesi | Sukeldumispool või kest{0}}ja-toru |
Piirangud ja alternatiivid
Kuigi PTFE on väga vastupidav, ei ole see universaalne lahendus. Järgmiste tingimuste korral on soovitatav kasutada alternatiivseid materjale:
Söövitav üle 110 kraadi: PFA või Nickel 200 (50% NaOH jaoks 150 kraadi juures). PTFE pehmendab ja võib rõhu all hiilida.
High-pressure steam (>5 baari): Fluoropolümeervoodriga metallivahetid või metalltoega PFA torud.
Kloorikuivatustorni retsirkuleeriv hape (93–98% H₂SO₄): PTFE jaoks on lubatud kõrge kontsentratsiooniga väävelhape mõõdukal temperatuuril{0}}, kuid paljud tehased kasutavad roostevaba terast või teflon{1}}vooderdatud terast.
Vedel kloor (veevaba): PTFE on ühilduv, kuid tavaliselt kasutatakse süsinikterast, kuna vedel kloor ei ole vee puudumisel söövitav.
Järeldus
PTFE-soojusvahetid on kloor{0}}leelisetööstuse tööhobune söövitavate ja mõõdukate{1}}temperatuuridega teenuste jaoks. Nad käitlevad usaldusväärselt kuuma soolvett, märga kloorgaasi ja seebikivi temperatuuril kuni 110 kraadi, kus metallid kannatavad täppide, pragude või kiire üldise korrosiooni all. PTFE mittenakkuv, keemiliselt inertne olemus vähendab ka saastumist ja lihtsustab puhastamist. Rakenduste hulka kuuluvad soolvee eelsoojendid, söövitavad jahutid, kloorigaasijahutid ja dekloorimissoojendid. Kuigi PTFE madal soojusjuhtivus nõuab suuremaid soojusülekandealasid, kompenseerib hoolduse ja asendamise seisakuid rohkem kui. Tõestatud materjali jõudlus on usaldusväärse keemilise tootmise aluseks jaPTFE soojusvaheti kloorleelisetööstusrakendused laienevad jätkuvalt, kuna tehase operaatorid otsivad pikaajalisi-korrosioonivaba-lahendusi.
