驚きの鱗層
PTFE は非粘着性の表面として指定されています。-表面エネルギーが低いため、水をはじき、付着を防ぎ、ほとんどのスケールの結合を防ぎます。しかし、オペレーターは、何か月も使用した後に、PTFE 熱交換器チューブ上に硬く付着したスケール層を発見することがあります。 -非粘着性の表面が破損したようです。
スケールは PTFE の材質特性によるものではありません。これは、その特性が動作する温度制限を遵守していないことになります。臨界壁温度を超えると、スケール形成の物理的性質が PTFE の耐付着性の利点を圧倒します。-スケールは化学的接着ではなく、ポリマー表面と結晶が絡み合うという別のメカニズムによって結合します。
2 つのスケーリング メカニズム
スケールは、2 つの異なるメカニズムによって熱交換器の表面に形成されます。 1 つ目は粒子の堆積です。バルク溶液中であらかじめ形成された結晶が表面に沈降し、ファンデルワールス力によって付着します。- PTFE の低い表面エネルギーは、このメカニズムに効果的に抵抗します。弱い引力では、粒子が流れる溶液に再飛来する傾向に打ち勝つことはできません。-
2 番目のメカニズムは表面結晶化です。溶解したイオンが伝熱面に直接沈殿します。これは、壁の温度によって局所的な濃度が変化するときに発生します。硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、リン酸カルシウムなどの逆溶解性の塩の場合、温度が上昇すると溶解度が低下します。システム内で最も熱い表面 -熱交換器チューブの壁-が、好ましい降水場所になります。
表面結晶化には化学的付着は必要ありません。結晶は管壁に直接隣接する境界層で核生成し、その後、表面の微細な粗さに成長します。-。成長する結晶はポリマー表面トポグラフィーと物理的に絡み合います。この機械的連結は化学結合を必要とせず、低い表面エネルギーによっても損なわれることはありません。
表 1: 一般的なめっき浴析出物のスケーリングの度合いと PTFE 壁温度の関係
| 壁温度 (度) | 硫酸カルシウムスケール | 炭酸カルシウムスケール | 金属水酸化物スラッジ | スケール付着強度 |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | 最小限 | 最小限 | 緩めで簡単に洗い流せます | 非常に弱い |
| 80-100 | 軽い堆積物 | 軽い堆積物 | 中程度の遵守 | 弱い |
| 100-120 | 中程度の規模 | 中程度の規模 | しっかりと取り付けられています | 適度 |
| 120-140 | 重い結晶質スケール | ヘビースケール | 強固に接着 | 強い |
| 140-160 | 重度の急速な蓄積 | 厳しい | 除去するのが難しい | とても強い |
| >160 | 極端な降水量 | 過激 | 機械的な取り外しが必要です | 過激 |
硫酸-カルシウム含有浴からの硫酸カルシウムのデータ。硬水系からの炭酸カルシウム。鉄およびアルミニウムを含む電解質からの金属水酸化物-。付着力はウォータージェット除去圧力によって測定されます。
壁温度トリガー
ほとんどの一般的な析出物では、管理可能なスケーリングから問題のあるスケーリングへの移行は、壁温度が 100 度から 120 度の間で発生します。 100 度未満では、表面の結晶化速度が遅くなります。 PTFE の低い表面エネルギーは、機械的結合につながる初期の結晶核生成を防止することで、有意義な利点をもたらします。
120 度を超えると、結晶化速度は指数関数的に加速します。境界層は急速に過飽和になります。結晶は大量に核生成し、低エネルギー表面からの核生成抵抗を圧倒します。-薄い結晶層が形成されると、その後の結晶成長は PTFE 上ではなく、既存のスケール上で発生します。 PTFE の表面エネルギーは無関係になります。
蒸気圧は壁温度を直接制御します。 3 barg の蒸気は 143 度の飽和温度を生成し、壁温度は 120 ～ 140 度の範囲になります。これは、スケーリングが迷惑から問題に移行する危険ゾーンです。 6 barg の蒸気により、壁温度が大幅に上昇し、厳しいスケーリング領域に達します。
予防戦略
蒸気圧力を加熱要件を満たす最小限まで下げます。 1-2 barg の低圧蒸気により壁温度が 120 度未満に保たれ、PTFE の付着防止特性が効果を維持します。ペナルティとして、必要な表面積が大きくなります。利点は、スケーリングが大幅に削減されることです。
チューブ表面を横切る溶液の速度を上げます。速度が高くなると境界層が薄くなり、結晶核生成の滞留時間が短縮されます。また、形成される結晶に作用するせん断力も増加し、結晶が機械的に結合するほど大きくなる前に取り除くのに役立ちます。
高い蒸気圧が避けられない用途では、定期的なスケール除去が必要になることをご了承ください。 PTFE コイルのスケール除去は金属コイルよりも簡単です-スケールはチューブを曲げることで剥がれることが多く、化学的に不活性な表面は腐食することなく酸による洗浄に耐えます。
まとめ
壁温度が 150 度を超える PTFE 熱交換器のスケーリングは、化学的付着ではなく、表面の結晶化と機械的連動によって発生します。 PTFE の抗付着特性は本物ですが、高温では急速な結晶化速度に圧倒されます。
蒸気圧を下げて壁温度を 120 度未満に維持すると、焦げ付き防止の利点が維持されます。-溶解速度を速くすると、初期結晶のせん断除去が増加するため、これが補われます。高温での動作が避けられない場合は、定期的な機械的または化学的スケール除去がメンテナンス ルーチンの一部になります。
特定の PTFE 熱交換器用途におけるスケール防止のための工学的推奨事項は、溶液の化学的性質、動作温度、蒸気圧力、観察されたスケール履歴を提出することで入手できます。
