O problema da destruição aditiva
Os banhos de revestimento ácido de cobre contêm aditivos orgânicos-branqueadores, niveladores e agentes umectantes-essenciais para produzir depósitos suaves e brilhantes. Esses aditivos são termicamente sensíveis. A sua degradação acelera rapidamente acima dos 50 graus. No entanto, a bobina de imersão-aquecida a vapor que mantém o banho a 25-30 graus tem uma temperatura na parede do tubo muito mais alta - normalmente 80-100 graus para uma bobina metálica.
Cada litro de banho que circula pela superfície quente da serpentina metálica sofre um pulso térmico que destrói uma fração de seu conteúdo aditivo. Os aditivos se decompõem em resíduos oleosos que contaminam o banho e devem ser removidos por tratamento com carbono. A destruição contínua requer reposição contínua de aditivos, aumentando os custos de produtos químicos e criando uma carga de manutenção.
Um trocador de calor de PTFE opera com uma temperatura de parede externa significativamente mais baixa do que um trocador metálico com a mesma pressão de vapor. A temperatura mais baixa da parede reduz a taxa de decomposição térmica do aditivo, prolongando a vida útil do aditivo e reduzindo o consumo de produtos químicos.
A diferença de temperatura da parede
A temperatura da parede externa de uma bobina de imersão-aquecida a vapor é determinada pela temperatura de saturação do vapor, pelo coeficiente de transferência de calor no lado do processo e pela condutividade térmica da parede do tubo. Numa bobina metálica, a resistência térmica da parede do tubo é desprezível. A temperatura da superfície externa aproxima-se da temperatura interna do vapor, moderada apenas pelo coeficiente de película lateral do processo. Para vapor de 3 barg a 143 graus em um banho ácido de cobre a 25 graus, a temperatura da parede externa do tubo metálico é de aproximadamente 80-95 graus.
Numa bobina de PTFE, a resistência térmica da parede do tubo é significativa. A temperatura cai 20-30 graus na parede de PTFE de 1,0 mm. A temperatura da superfície externa para a mesma pressão de vapor e condições de banho é de aproximadamente 55-65 graus - uma redução de 20-35 graus em relação ao equivalente metálico.
Esta redução de 20-35 graus coloca a temperatura da parede de PTFE muito mais próxima da temperatura do banho e mais longe do limite de degradação do aditivo. A taxa de destruição do aditivo térmico, que segue a cinética de Arrhenius com uma energia de ativação de aproximadamente 50-80 kJ/mol, é reduzida em 50-80% em comparação com a bobina metálica.
| Parâmetro térmico | Bobina de aço inoxidável | Bobina de titânio | Trocador de calor PTFE |
|---|---|---|---|
| Temperatura de saturação do vapor a 3 barg (grau) | 143 | 143 | 143 |
| Condutividade térmica da parede do tubo (W/m·K) | 16 | 22 | 0.25 |
| Queda de temperatura na parede do tubo (graus) | < 2 | < 1 | 20-30 |
| Temperatura da parede externa (graus) | 80-95 | 85-98 | 55-65 |
| Taxa relativa de degradação de aditivos | 1,0 (linha de base) | 0.9-1.1 | 0.2-0.5 |
| Consumo anual de branqueador (relativo) | 1.0 | 0.95 | 0.4-0.6 |
A extensão da vida útil do aditivo
A taxa reduzida de degradação do aditivo prolonga a vida útil de cada adição de abrilhantador e nivelador. As concentrações de aditivos no banho permanecem mais estáveis ao longo do tempo. A frequência do tratamento com carbono para remover produtos de decomposição é reduzida. O banho opera mais próximo de seu equilíbrio ideal de aditivos durante uma fração maior de sua vida operacional.
O benefício econômico inclui compras reduzidas de aditivos-normalmente o maior custo de produtos químicos no revestimento de cobre ácido-e custos reduzidos de tratamento de carbono. Para uma linha de-revestimento de cobre ácido de alto volume, a redução anual do custo químico da conversão de PTFE pode exceder US$ 15.000 a US$ 30.000 por tanque.
O benefício do processo é igualmente importante. Concentrações de aditivos mais estáveis produzem propriedades de depósito mais consistentes-brilho, ductilidade e nivelamento. A redução no acúmulo de produtos de decomposição reduz o risco de defeitos de depósito que causam rejeição e retrabalho.
A redução de subprodutos
Quando os aditivos orgânicos se decompõem numa superfície metálica quente, os produtos de decomposição incluem resíduos oleosos, ácidos orgânicos e espécies poliméricas. Esses subprodutos interferem no processo de galvanização. Resíduos oleosos formam uma película superficial que causa depressões. Os ácidos orgânicos alteram o pH do banho. Espécies poliméricas incorporam-se ao depósito, reduzindo a ductilidade.
A temperatura mais baixa da parede do PTFE não apenas reduz a quantidade total de produtos de decomposição, mas também altera o caminho de decomposição. Em temperaturas mais baixas, os aditivos sofrem decomposição menos completa, produzindo menos subprodutos mais nocivos. Os produtos de decomposição que se formam têm maior probabilidade de serem voláteis e escaparem do banho, em vez de se acumularem como-resíduos não voláteis.
Resumo
Um trocador de calor de PTFE reduz a degradação térmica de aditivos orgânicos em revestimento de cobre ácido, operando com uma temperatura de parede externa 20-35 graus mais baixa que um equivalente metálico. A temperatura mais baixa da parede, consequência da resistência térmica do PTFE, reduz a taxa de decomposição do aditivo em 50-80%. O consumo de aditivos diminui, a frequência do tratamento com carbono é reduzida e a qualidade do depósito torna-se mais consistente. A economia anual de custos com produtos químicos devido ao prolongamento da vida útil do aditivo é um componente significativo do caso de negócios de conversão de PTFE.
O suporte de engenharia para especificações de trocadores de calor de PTFE em banhos de galvanização sensíveis a aditivos está disponível mediante envio da química do banho, temperatura operacional, taxas atuais de consumo de aditivos e pressão do vapor.
