歴史的な基準
鉛は 18 世紀以来、硫酸の処理に使用されてきました。鉛-アンチモン合金（通常は 4-8% アンチモン）は、純鉛の機械的特性を改善し、熱交換器、配管、タンクのライニングに適したものにしました。 1 世紀以上にわたり、鉛アンチモンは硫酸酸洗い浴を加熱するための標準的な材料でした。このような設備の多くは現在も稼働しています。
鉛は、酸に不溶な硫酸鉛 (PbSO4) 膜を形成することにより、硫酸に耐性があります。この膜は、10～20% 硫酸で約 80 度までのほとんどの酸洗操作の濃度と温度範囲にわたって安定しており、保護します。-
しかし、鉛-アンチモン熱交換器は置き換えられつつあります。代替品として PTFE が使用されることが増えています。この原動力は鉛の腐食保護メカニズムの故障ではなく、-まだ機能しています。これは、現代の不活性ポリマーと比較した、柔らかく、重く、有毒な金属の累積された操作上の欠点です。
鉛-アンチモンの累積的な欠点
鉛-アンチモン合金の制限は、機械的、運用的、環境的な領域に及びます。どれも個人的には壊滅的なものではありません。これらを組み合わせると、鉛の方が材料コストが低いにもかかわらず、総所有コストが PTFE を上回ります。
エロージョン-コロージョン: 鉛を硫酸から保護する PbSO₄ 膜は柔らかいです。酸が流れる中で-特に循環ポンプの吐出口、エダクター ノズル、または乱流の激しい領域で-膜が侵食されます。露出した鉛はフィルムを再形成し、金属を消費します。浸食現場では、鉛の壁が徐々に薄くなります。鉛-アンチモン熱交換器チューブは、静的条件下では 5 ～ 8 年間寿命がありますが、中程度の流れでは 2 ～ 4 年しか寿命がありません。
熱疲労: 鉛の熱膨張係数は 29 × 10⁻⁶/度です。-あらゆる金属の中で最も高い熱膨張係数の 1 つです。鉛-アンチモンはこれをわずかに軽減するだけです。加熱と冷却のサイクル中、リードは劇的に膨張および収縮します。繰り返しの動作により、支点や接続部にクリープ変形が生じます。関節が緩みます。チューブがサポート間で垂れ下がります。累積的な変形により、最終的には腐食限界耐用年数のほんの一部で故障が発生します。{10}
毒性: 鉛は規制されている有毒金属です。その使用には、暴露監視、医療監視、および特別な取り扱い手順が必要です。使用済みの鉛熱交換器は有害廃棄物として廃棄されます。管理コストと廃棄コストが総所有コストに加わります。
| パフォーマンスパラメータ | 鉛-アンチモン合金 | PTFE |
|---|---|---|
| 防食機構 | PbSO₄不動態皮膜 | 固有の C-F 結合の安定性 |
| 耐浸食性 | 不良（フィルムと基材が柔らかい） | 良好 (均質、膜なし) |
| 耐熱疲労性 | 不良（高膨張、クリープ） | 優れた (粘弾性の順応性) |
| 50kWデューティ時の重量(kg) | 180-250 | 12-15 |
| 毒性 | 高（規制金属） | なし (不活性ポリマー) |
| 適度な流量での耐用年数（年） | 2-4 | 15+ |
| 静的条件下での耐用年数 (年) | 5-8 | 15+ |
| 廃棄 | 有害廃棄物 | 非-危険 |
| 材料費（kg当たりの相対） | 1.0× | 2-3× |
| 設置コスト (相対) | 0.8× | 1.0× |
設置重量と安全性の比較
50 kW の酸洗いタンク用の鉛アンチモン熱交換器の重量は 180-250 kg です。この重量のため、取り付けと取り外しには構造的なサポートや機械式の吊り上げ装置が必要であり、作業員が取り扱う際には危険が伴います。同じ用途の PTFE 交換器の重量は 12-15 kg で、10 分の 1 未満です。作業者 2 人が機械の補助なしで持ち運びと設置を行うことができます。
重量の違いはタンクの構造荷重にも影響します。重い鉛コイルがタンクの床に置かれている場合、特にプラスチック製タンクや裏地付きタンクでは、床の補強が必要になる場合があります。軽量の PTFE グリッドにより、構造上の負荷は無視できます。
メンテナンス中、硫酸を使用した鉛コイルには PbSO4 と吸着した酸の表面層が付着しています。取り扱うには個人用保護具と汚染除去手順が必要です。 PTFE コイルは化学的にきれいです-水ですすぐと表面の酸が除去され、不活性ポリマーは特別な取り扱いを必要としません。
移行の決定
現在も鉛-アンチモン熱交換器を稼働している施設は、交換のたびに決定を迫られます。別の鉛-アンチモン熱交換器に交換して同じ 2-4 年の交換サイクルを受け入れるか、PTFE に変換して 15+ 年間の交換サイクルを廃止するかです。 PTFE への変換には、一時的な設備コストが高くなりますが、頻繁な交換、毒性管理、および重い物質の取り扱いにかかる定期的なコストが不要になります。
多くの場合、先頭ユニットが故障するにつれて移行は一度に 1 タンクずつ段階的に行われます。{0}最初の PTFE 変換で耐用年数の延長とメンテナンスの簡素化が実証された後、その後の変換は迅速に行われます。
まとめ
PTFE 熱交換器が高温硫酸での使用において鉛アンチモン合金よりも長持ちするのは、鉛の腐食メカニズムが機能しないためではなく、PTFE が鉛の耐用年数にわたって蓄積されるエロージョン腐食、熱疲労、毒性の欠点を解消するためです。{1} PTFE の耐用年数は 15+ 年であるのに対し、流動条件下での鉛の耐用年数は 2 ～ 4 年であるため、PTFE の初期材料コストが高いにもかかわらず、総所有コストが有利になります。 90% 以上の重量削減と有害物質の取り扱いの排除により、運用面と安全面での利点が追加されます。
鉛-から-PTFE 熱交換器の交換に関するエンジニアリング サポートは、タンクの寸法、酸の濃度と温度、流量条件、現在の鉛機器の耐用年数とメンテナンス記録を提出すると利用できます。
