Raudsulfaadi keskkond
Raudsulfaadi lahuseid kasutatakse terase peitsimisel, titaandioksiidi pigmendi tootmisel ja söövitusainetena metallide viimistlemisel. Lahus sisaldab raud(III)rauda kontsentratsioonis 50-200 g/l Fe2(SO4)3-na, vaba väävelhappega 20-100 g/l ja töötab temperatuuril 60-90 kraadi. Raua iooni tugeva oksüdeeriva toime ja väävelhappe happesuse kombinatsioon loob paljude materjalide jaoks agressiivse keskkonna.
Selle teenuse soojusvahetites kasutatakse laialdaselt mitteläbilaskvat grafiiti-grafiiti, mis on poorsuse kõrvaldamiseks immutatud fenool- või furaanvaiguga-. Grafiit ise peab vastu nii väävelhappele kui ka raudsulfaadile. Vaigu immutusaine aga seda vastupidavust ei jaga. Aja jooksul kõrgendatud temperatuuril raud(III)sulfaadi lahus oksüdeerib vaigu, põhjustades järkjärgulist lagunemist.
PTFE-l ei ole lagundatavat vaigu immutusainet. Kogu materjal on keemiliselt inertne raudsulfaadi ja väävelhappe suhtes. Mitteläbilaskva grafiidi ja PTFE võrdlus selles teenuses on komposiitmaterjali, mille sideaine laguneb aeglaselt, ja homogeense materjali vahel, mis ei saa protsessivedelikuga keemiliselt reageerida.
Vaigu lagunemise mehhanism
Mitteläbilaskvat grafiiti toodetakse poorse grafiidi immutamisel termoreaktiivse vaiguga -tavaliselt fenool- või furaan-vaakumi ja rõhu all. Vaik täidab omavahel ühendatud poorid, muutes materjali töötlemisvedelikele mitteläbilaskvaks. Grafiit tagab soojusjuhtivuse ja keemilise vastupidavuse. Vaik tagab veekindluse.
Raudsulfaat ründab vaiku oksüdatsiooni teel. Raua ioon (Fe³⁺) on tugev oksüdeerija. See eemaldab vaigupolümeerist vesiniku, luues vabu radikaale, mis reageerivad lahustunud hapnikuga, moodustades karbonüül- ja karboksüülrühmi. Oksüdeeritud vaik muutub rabedaks. Tekivad mikro-praod. Praod paljastavad värske vaigu pinna lahusele, säilitades rünnaku.
Kui vaik laguneb, tekib mitu rikkerežiimi. Vaigu-grafiidi side nõrgeneb ja grafiidiosakesed võivad protsessivoogu eralduda. Vaigu kadu pinnalt tekitab pinna poorsust, suurendades tegelikku pindala ja kiirendades edasist rünnakut. Lõpuks tekib toruseina kaudu omavahel seotud poorsus ja protsessivedelik lekib läbi soojusvaheti seina.
| Lagunemise parameeter | Mitteläbilaskev grafiit (fenoolvaik) | Mitteläbilaskev grafiit (furaanivaik) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Sideaine/materjali struktuur | Fenoolvaik grafiitmaatriksis | Furaanvaik grafiitmaatriksis | Homogeenne fluoropolümeer |
| Sideaine oksüdatsioonikindlus | Kehv (rünnanud Fe³⁺) | Mõõdukas (parem kui fenoolne) | N/A (puudub sideaine) |
| Vaigu lagunemiskiirus 80 kraadi juures Fe₂(SO₄)₃-s | 0,1–0,3 mm/aastas (pinnalangus) | 0,05-0,15 mm/aastas | 0 |
| Grafiidiosakeste vabanemine | Jah (vaigu lagunemisel) | Jah (alandatud määr) | Mitte ühtegi |
| Pinna seisukord 2 aasta pärast | Poorne, karestatud | Mõõdukalt karestatud | Siledad, muutmata |
| Läbilaskvus 3-5 aasta pärast | Võib tekkida{0}}seinalekke tõttu | Võib tekkida{0}}seinalekke tõttu | Mitte kunagi (null läbilaskvus) |
| Kasutusiga Fe₂(SO4)₃ temperatuuril 80 kraadi (aastat) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
Tagasiside erosiooni-degradatsiooni kohta
Vaigu lagunemine tekitab pinna poorsuse. Poorne pind on mehaaniliselt nõrgem kui originaalvaiguga immutatud pind. Voolavas raudsulfaadi lahuses erodeerub poorne pind kiiremini kui sile, mitteläbilaskev pind. Erosioon eemaldab lagunenud vaigu ja osaliselt eraldunud grafiidiosakesed, avaldades värske materjali keemilisele rünnakule.
See tagasisideahela-keemiline rünnak, mis tekitab poorsust, poorsust kiirendab erosiooni, erosioon paljastab värske pinna-tähendab, et mitteläbilaskva grafiidi lagunemiskiirus on kiirem, kui ainuüksi keemilise oksüdatsiooni kiirus ennustaks. Kombineeritud kemo-mehaaniline lagunemine määrab tegeliku kasutusea.
PTFE-l sellist tagasisidet pole. Homogeenne polümeeri pind erodeerub voolu ajal aeglaselt ja ühtlaselt, ilma et see mõjutaks keemiliselt materjali kadu. Erosioonikiiruse määravad ainult vedeliku kiirus ja hõljuvate ainete abrasiivsus, mis mõjutavad mõlemat materjali, kuid millele lisandub keemiline rünnak ainult grafiidis.
Kokkuvõte
PTFE-soojusvahetid ületavad kuumades raudsulfaadilahustes mitteläbilaskvat grafiiti, kuna PTFE on homogeenne materjal, millel puudub oksüdeeriv vaiku sideaine. Mitteläbilaskev grafiit tugineb fenool- või furaanvaigu immutusainele, mida järk-järgult ründab oksüdeeriv raudioon, tekitades pinna poorsuse, mis kiirendab erosiooni ja viib lõpuks läbi-seina lekkimiseni. PTFE annab sileda, keemiliselt inertse pinna, mis laguneb ainult aeglase mehaanilise erosiooni tõttu, pakkudes 15+ aastat kasutusiga võrreldes 3–8 aastaga mitteläbilaskval grafiidil.
Tehniline tugi PTFE soojusvaheti spetsifikatsioonidele raud(III)sulfaadi ja muude oksüdeerivate lahuste rakendustes on saadaval pärast lahuse koostise, temperatuuri, voolukiiruse ja seadme praeguse kasutusea andmete esitamist.
