PTFE 熱交換器は次亜塩素酸漂白剤加熱においてチタンに対してどのように機能しますか?

チタンを攻撃する化学物質

チタンは、中性およびアルカリ性の溶液中で安定な不動態酸化膜の形成により、次亜塩素酸ナトリウムに耐性があります。チタンが適度な温度と濃度で漂白処理に優れた性能を発揮するのは、この膜のおかげです。温度が 70 度を超えると、濃度が 15% を超えると、または pH が 9 を下回ると、フィルムは破壊されます。

60 度および 12% 次亜塩素酸塩での次亜塩素酸塩使用におけるチタンの腐食速度は、通常、年間 0.05 mm 未満です。 80 度で次亜塩素酸塩が 15% の場合、その速度は年間 0.3 ～ 0.8 mm に増加します。 90 度で次亜塩素酸塩が 15% の場合、その速度は年間 1.5 mm を超える可能性があります。

腐食は通常、流速が遅く温度が高いチューブの端部と、隙間の形状により腐食性種が集中するチューブとチューブシートの接合部で始まります。{0}{1}腐食は孔食として現れ、管壁を貫通して漏れを引き起こします。

PTFEを攻撃する化学物質

PTFE は、使用範囲内のすべての濃度および温度で次亜塩素酸ナトリウムに対して耐性があります。炭素-フッ素結合は、漂白剤を安定化させる次亜塩素酸塩や苛性ソーダによって攻撃されません。材料は腐食せず、耐用年数は化学的攻撃ではなく機械的要因によって決まります。

次亜塩素酸塩の使用における PTFE の唯一の劣化メカニズムは、次亜塩素酸塩と苛性剤がポリマーの非晶質領域に拡散することです。拡散は遅く、機械的特性への影響はわずかです。次亜塩素酸塩使用における PTFE 熱交換器の耐用年数は、通常 12 ～ 18 年です。

熱伝導率のギャップ

チタンの熱伝導率は約 22 W/m・K ですが、PTFE の熱伝導率は 0.25 W/m・K です。比率は約 88:1 です。

60 度で 12% 次亜塩素酸塩中で 40 kW を供給する熱交換器の場合、全体の熱伝達係数 800 W/m2・K と対数平均温度差 17 度に基づいて、チタンユニットには約 3 m2 の表面積が必要です。同じ用途の PTFE ユニットには、全体の係数 200 W/m・K と同じ温度差に基づいて、約 12 m² の表面積が必要です。

PTFEユニットはチタンユニットの4倍の大きさです。サイズが大きくなると、資本コスト、床面積、および流体の体積が増加します。熱流束が低いとチューブの壁の温度が下がり、これはプロセスにとって有益ですが、表面積が大きいと堆積物の表面も広くなり、洗浄に時間がかかります。

高温での分解の問題

次亜塩素酸ナトリウムは、温度とともに分解速度が増加します。 60度では、1日当たりの分解率は約2%です。 70 度では、その割合は 1 日あたり約 5% になります。 80 度では、その割合は 1 日あたり約 10% になります。分解により塩素ガスと塩酸が生成され、これらは両方の材料を腐食させます。

チタンと PTFE の両方の実際の動作温度は、分解速度によって制限されます。 70 度を超える温度では、分解速度が非常に速いため、次亜塩素酸塩濃度を継続的に補充し、塩素ガスを排出する必要があります。材料の選択では、塩素ガスと分解生成物を考慮する必要があります。

チタンは分解により発生する塩酸に特に弱いです。酸は pH を低下させ、チタンの腐食を促進します。 PTFEは塩酸や塩素ガスに対して耐性があり、分解してもPTFEの寿命に影響を与えません。

次亜塩素酸漂白サービスにおける 2 つの素材の比較

次の表は、12% 次亜塩素酸ナトリウムを使用した 60 度での次亜塩素酸漂白サービスにおける PTFE およびチタン熱交換器の性能とコスト特性をまとめたものです。

5 年間の総コスト値は、1 時間あたりの生産価値が 600 ドルであると想定しており、5 年間にわたる資本コスト、設置コスト、メンテナンス コストが含まれています。

チタンがより良い選択である場合

いくつかの特定の用途では、チタンがより良い選択となります。

低温サービス。-50 度以下の温度では、チタンは次亜塩素酸塩に対して問題なく耐性があり、熱伝導率が高いため、必要な表面積と資本コストが削減されます。

低濃度のサービス。-10% 未満の濃度では、チタンは 60 度までの温度で次亜塩素酸塩に耐性があり、熱伝導率が高いため必要な表面積が減少します。

スペースに制約のある設置-。利用可能なスペースが非常に限られている場合、より小型のチタンユニットが唯一の実現可能な選択肢となる可能性があります。 PTFE ユニットには 4 倍の表面積が必要となり、利用可能なスペースに収まらない可能性があります。

高圧サービス。-チタンは PTFE よりも機械的強度が高く、より高い圧力に耐えることができます。 10 bar を超える圧力での次亜塩素酸塩サービスの場合、チタンが唯一の実行可能な選択肢となる可能性があります。

PTFE がより良い選択である場合

いくつかの特定の用途では PTFE が適しています。

高温対応-。60 度を超える温度では、PTFE はチタンよりも分解生成物に強く、耐用年数が長くなります。

高濃度のサービス。-12% を超える濃度では、PTFE はチタンよりも次亜塩素酸塩および腐食剤に対して優れた耐性を示します。

塩素ガスへの暴露。分解により塩素ガスが発生しても、PTFE はチタンよりも塩素ガスに対する耐性が優れています。

サーマルサイクリングサービス。PTFEはチタンよりも耐熱衝撃性に優れているため、温度変化が頻繁な用途に適しています。

長寿命要件。熱交換器の耐用年数が 10 年以上であると予想される場合、化学的攻撃に長期間耐えられる PTFE がより良い選択肢となります。

耐用年数を延ばす設計機能

いくつかの設計上の特徴により、次亜塩素酸漂白サービスにおける PTFE 熱交換器とチタン熱交換器の両方の耐用年数が延長されます。

動作温度が低くなります。動作温度を 70 度から 50 度に下げると、熱交換器の材料の分解速度と化学的攻撃が減少します。

濃度が低い。次亜塩素酸塩の濃度を 15% から 10% に下げると、化学的攻撃が軽減され、分解速度が低下します。

pHコントロール。pH を 10 以上に維持すると、チタンの腐食と次亜塩素酸塩の分解が減少します。

流速制御。適度な流速を維持すると、境界層の厚さが減少し、チューブ表面の分解生成物の濃度が減少します。

-清掃規定を整備する。洗浄液の供給と戻りの接続により、熱交換器を分解せずに洗浄できるため、ダウンタイムと生産ロスが削減されます。

次亜塩素酸漂白サービスの仕様パラメータ

次亜塩素酸漂白サービス用の PTFE およびチタン熱交換器を評価する装置エンジニアは、サプライヤーに次のパラメータを確認する必要があります。

次亜塩素酸濃度。最大濃度と予想される範囲を指定します。

動作温度。最大動作温度と予想される温度プロファイルを指定します。

pH。pH範囲と制御方法を指定します。

作動圧力。最高使用圧力をご指定ください。

熱負荷と表面積。材料オプションごとに熱負荷と必要な表面積を指定します。

分解率。予想される分解速度と塩素ガス発生速度を指定します。

スペースの制約。利用可能なスペースと最大許容フットプリントを指定します。

耐用年数要件。予想される耐用年数と交換スケジュールを指定します。

次亜塩素酸塩の使用条件に合わせた材料の選択

次亜塩素酸漂白サービスにおける PTFE 熱交換器とチタン熱交換器のどちらを選択するかは、温度、濃度、pH、耐用年数の要件によって異なります。チタンは熱伝導率が高く、必要な表面積は小さくなりますが、高温および高濃度では腐食を受けやすくなります。 PTFE は熱伝導率が低く、より多くの表面積を必要としますが、あらゆる濃度および温度で次亜塩素酸塩に対して耐性があります。

選択の決定は、資本コスト、メンテナンス コスト、生産損失のリスクを組み込んだ施設固有の分析に基づいて行う必要があります。{0}これらのコスト要素を含む単純なスプレッドシート モデルは、意思決定を行うために必要な情報を提供します。

次亜塩素酸漂白サービス施設で熱交換器のオプションを評価する場合、材料の選択は、資本コストや熱性能だけでなく、予想される耐用年数にわたる総所有コストに基づいて行う必要があります。資本コストが低いチタンユニットは、頻繁に交換する必要がある場合、生涯コストが高くなる可能性があります。

次亜塩素酸漂白剤またはその他の酸化サービス用の PTFE 熱交換器の仕様を評価する機器エンジニアおよび調達専門家は、次亜塩素酸濃度、動作温度、pH、動作圧力、耐用年数要件を網羅する設計レビューを要求して、材料の選択が施設の実際の使用条件およびコスト構造に適合していることを確認できます。