La chimie qui attaque le titane
Le titane résiste à l'hypochlorite de sodium grâce à la formation d'un film d'oxyde passif stable dans les solutions neutres et alcalines. Le film est la raison pour laquelle le titane fonctionne bien en service de blanchiment à température et concentration modérées. Le film se décompose lorsque la température dépasse 70 degrés, lorsque la concentration dépasse 15 % ou lorsque le pH descend en dessous de 9.
Le taux de corrosion du titane en service d'hypochlorite à 60 degrés et 12 % d'hypochlorite est généralement inférieur à 0,05 mm par an. À 80 degrés et 15 % d’hypochlorite, le taux augmente jusqu’à 0,3 à 0,8 mm par an. A 90 degrés et 15% d'hypochlorite, le taux peut dépasser 1,5 mm par an.
La corrosion commence généralement aux extrémités du tube, là où la vitesse d'écoulement est faible et la température élevée, ainsi qu'au niveau des joints entre le tube-et-la plaque tubulaire, où la géométrie des fissures concentre les espèces corrosives. La corrosion se manifeste par des piqûres qui pénètrent dans la paroi du tube et provoquent une fuite.
La chimie qui attaque le PTFE
Le PTFE résiste à l’hypochlorite de sodium à toutes les concentrations et températures dans sa plage de service. Les liaisons carbone-fluor ne sont pas attaquées par l'hypochlorite ou la soude caustique qui stabilise l'eau de Javel. Le matériau ne se corrode pas et la durée de vie est déterminée par des facteurs mécaniques plutôt que par une attaque chimique.
Le seul mécanisme de dégradation du PTFE en service avec hypochlorite est la diffusion de l'hypochlorite et de la soude caustique dans les régions amorphes du polymère. La diffusion est lente et l'effet sur les propriétés mécaniques est modeste. La durée de vie d'un échangeur de chaleur en PTFE en service hypochlorite est généralement de 12 à 18 ans.
L'écart de conductivité thermique
La conductivité thermique du titane est d'environ 22 W/m·K, contre 0,25 W/m·K pour le PTFE. Le rapport est d'environ 88:1.
Pour un échangeur de chaleur délivrant 40 kW dans 12 % d'hypochlorite à 60 degrés, une unité en titane nécessite environ 3 m² de surface, sur la base d'un coefficient de transfert thermique global de 800 W/m²·K et d'une différence de température moyenne logarithmique de 17 degrés. Une unité PTFE pour le même usage nécessite environ 12 m² de surface, sur la base d'un coefficient global de 200 W/m·K et de la même différence de température.
L'unité PTFE est 4 fois plus grande que l'unité titane. Une taille plus grande augmente le coût en capital, la surface au sol et le volume de fluide. Le flux thermique plus faible réduit la température de la paroi du tube, ce qui est bénéfique pour le processus, mais la surface plus grande offre également plus de surface pour les dépôts et nécessite plus de temps de nettoyage.
Le problème de la décomposition à température élevée
L'hypochlorite de sodium se décompose à une vitesse qui augmente avec la température. À 60 degrés, le taux de décomposition est d'environ 2 % par jour. A 70 degrés, le taux est d'environ 5% par jour. A 80 degrés, le taux est d'environ 10% par jour. La décomposition génère du chlore gazeux et de l'acide chlorhydrique, qui sont corrosifs pour les deux matériaux.
Le taux de décomposition limite la température de fonctionnement pratique pour le titane et le PTFE. À des températures supérieures à 70 degrés, le taux de décomposition est suffisamment élevé pour que la concentration d'hypochlorite doive être continuellement reconstituée et que le chlore gazeux soit évacué. Le choix des matériaux doit tenir compte du chlore gazeux et des produits de décomposition.
Le titane est particulièrement sensible à l’acide chlorhydrique généré par la décomposition. L'acide abaisse le pH et accélère la corrosion du titane. Le PTFE est résistant à l'acide chlorhydrique et au chlore gazeux, de sorte que la décomposition n'affecte pas la durée de vie du PTFE.
Comparaison des deux matériaux dans le service de blanchiment à l'hypochlorite
Le tableau suivant résume les caractéristiques de performance et de coût des échangeurs de chaleur en PTFE et en titane dans un service de blanchiment à l'hypochlorite à 60 degrés avec 12 % d'hypochlorite de sodium.
| Caractéristiques | Échangeur de chaleur en titane | Échangeur de chaleur en PTFE | Avantage |
|---|---|---|---|
| Conductivité thermique | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titane |
| Coefficient de transfert de chaleur global | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titane |
| Surface nécessaire pour 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titane |
| Résistance chimique à 12 % d'hypochlorite à 60 degrés | Excellent | Excellent | Égal |
| Résistance chimique à 15 % d'hypochlorite à 80 degrés | Pauvre | Excellent | PTFE |
| Résistance chimique au chlore gazeux | Modéré | Excellent | PTFE |
| Température de fonctionnement maximale | 70 degrés (pratique) | 260 degrés | PTFE |
| Résistance mécanique | Haut | Modéré | Titane |
| Résistance aux chocs thermiques | Modéré | Haut | PTFE |
| Réparabilité | Limité | Bien | PTFE |
| Durée de vie en service hypochlorite | 5 à 8 ans | 12 à 18 ans | PTFE |
| Coût d'investissement pour un service de 40 kW | $32,000 | $34,000 | Titane |
| Coût d'installation | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Coût d'entretien annuel | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Coût total sur cinq -ans | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Les valeurs de coût total sur cinq -ans supposent une valeur de production de 600 $ par heure et incluent le coût d'investissement, le coût d'installation et le coût de maintenance sur cinq ans.
Quand le titane est le meilleur choix
Le titane est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service à basse-température.À des températures inférieures à 50 degrés, le titane résiste sans difficulté à l'hypochlorite et la conductivité thermique plus élevée réduit la surface requise et le coût d'investissement.
Service à faible-concentration.À des concentrations inférieures à 10 %, le titane résiste à l'hypochlorite à des températures allant jusqu'à 60 degrés et la conductivité thermique plus élevée réduit la surface requise.
Installations-à espace limité.Lorsque l’espace disponible est très limité, la plus petite unité en titane peut être la seule option réalisable. L'unité PTFE nécessiterait 4 fois plus de surface, ce qui pourrait ne pas tenir dans l'espace disponible.
Service haute-pression.Le titane a une résistance mécanique supérieure à celle du PTFE et peut résister à des pressions plus élevées. Pour l’utilisation d’hypochlorite à des pressions supérieures à 10 bars, le titane peut être la seule option viable.
Quand le PTFE est le meilleur choix
Le PTFE est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service à haute-température.À des températures supérieures à 60 degrés, le PTFE résiste mieux aux produits de décomposition que le titane et sa durée de vie est plus longue.
Service à haute-concentration.À des concentrations supérieures à 12 %, le PTFE résiste mieux à l’hypochlorite et à la soude caustique que le titane.
Exposition au chlore gazeux.Si la décomposition génère du chlore gazeux, le PTFE résiste mieux au gaz que le titane.
Service de cyclisme thermique.Le PTFE a une résistance aux chocs thermiques plus élevée que le titane, ce qui le rend adapté à un service avec des changements de température fréquents.
Exigence de longue durée de vie.Lorsque l’on s’attend à ce que l’échangeur thermique ait une durée de vie de 10 ans ou plus, le PTFE est le meilleur choix car il résiste aux attaques chimiques sur une période plus longue.
Caractéristiques de conception qui prolongent la durée de vie
Plusieurs caractéristiques de conception prolongent la durée de vie des échangeurs de chaleur en PTFE et en titane en service de blanchiment à l'hypochlorite.
Température de fonctionnement inférieure.La réduction de la température de fonctionnement de 70 degrés à 50 degrés réduit le taux de décomposition et l'attaque chimique du matériau de l'échangeur thermique.
Concentration plus faible.La réduction de la concentration en hypochlorite de 15 % à 10 % réduit l'attaque chimique et le taux de décomposition.
Contrôle du pH.Le maintien du pH au-dessus de 10 réduit la corrosion du titane et la décomposition de l'hypochlorite.
Contrôle de la vitesse d'écoulement.Le maintien d'une vitesse d'écoulement modérée réduit l'épaisseur de la couche limite et la concentration des produits de décomposition à la surface du tube.
Dispositions de nettoyage sur place-.Les connexions pour l'alimentation et le retour de la solution de nettoyage permettent de nettoyer l'échangeur thermique sans démontage, ce qui réduit les temps d'arrêt et la perte de production.
Paramètres de spécification pour le service de blanchiment à l’hypochlorite
Les ingénieurs d'équipement évaluant les échangeurs de chaleur en PTFE et en titane pour le service de blanchiment à l'hypochlorite doivent confirmer les paramètres suivants avec le fournisseur.
Concentration d'hypochlorite.Précisez la concentration maximale et la plage attendue.
Température de fonctionnement.Spécifiez la température de fonctionnement maximale et le profil de température attendu.
pH.Précisez la plage de pH et la méthode de contrôle.
Pression de service.Spécifiez la pression de fonctionnement maximale.
Charge thermique et superficie.Spécifiez la charge thermique et la surface requise pour chaque option de matériau.
Taux de décomposition.Précisez le taux de décomposition attendu et le taux de génération de chlore gazeux.
Contraintes d'espace.Spécifiez l'espace disponible et l'encombrement maximum autorisé.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Faire correspondre la sélection des matériaux aux conditions de service de l'hypochlorite
Le choix entre les échangeurs de chaleur en PTFE et en titane dans le service de blanchiment à l'hypochlorite dépend de la température, de la concentration, du pH et de la durée de vie requise. Le titane a une conductivité thermique plus élevée et nécessite moins de surface, mais il est sensible à la corrosion à température élevée et à concentration élevée. Le PTFE a une conductivité thermique plus faible et nécessite plus de surface, mais il résiste à l'hypochlorite à toutes les concentrations et températures.
La décision de sélection doit être basée sur une analyse spécifique à l'installation-qui intègre le coût d'investissement, le coût de maintenance et le risque de perte de production. Un simple modèle de feuille de calcul contenant ces éléments de coût fournit les informations nécessaires pour prendre la décision.
Pour les installations de service de blanchiment à l'hypochlorite évaluant les options d'échangeur de chaleur, la sélection des matériaux doit être basée sur le coût total de possession sur la durée de vie prévue, et pas seulement sur le coût d'investissement ou la performance thermique. Une unité en titane avec un coût d'investissement inférieur peut avoir un coût de vie plus élevé si elle nécessite un remplacement fréquent.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes en approvisionnement évaluant les spécifications des échangeurs de chaleur en PTFE pour l'eau de Javel à l'hypochlorite ou tout autre service oxydant peuvent demander une revue de conception couvrant la concentration d'hypochlorite, la température de fonctionnement, le pH, la pression de fonctionnement et les exigences de durée de vie pour confirmer que la sélection des matériaux est adaptée aux conditions de service réelles et à la structure de coûts de l'installation.
