O ambiente de{{0}ataque duplo
Um processo de limpeza química alterna entre uma solução de ácido clorídrico a 15% a 70 graus e uma solução de hidróxido de sódio a 10% a 80 graus. O trocador de calor é exposto a extremos de pH em ambos os extremos da escala, com enxágue com água quente entre os ciclos. O ácido ataca metais e materiais sensíveis-alcalinos. O cáustico ataca vidro, cerâmicas à base de sílica-e metais anfotéricos. Poucos materiais sobrevivem a ambos os ambientes.
O aço esmaltado-também chamado de-aço revestido de vidro-é usado há muito tempo em serviços químicos corrosivos. O revestimento de vidro, um esmalte borossilicato fundido ao substrato de aço em alta temperatura, resiste bem aos ácidos. É amplamente utilizado em vasos de reatores, tanques de armazenamento e trocadores de calor nas indústrias química e farmacêutica.
O PTFE resiste a ácidos e álcalis em todo o espectro de pH. A escolha entre aço esmaltado e PTFE para serviços alternados de ácido-alcalino é decidida pelo lado cáustico do ciclo-onde o aço esmaltado tem uma vulnerabilidade fundamental.
O mecanismo de corrosão do vidro em álcalis
O vidro é dióxido de silício com vários modificadores de óxido metálico. Em soluções alcalinas, os íons hidróxido atacam as ligações de silício-oxigênio que formam a rede de vidro. A reação é:
SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O
O silicato de sódio é solúvel e se dissolve na solução alcalina. A superfície do vidro é progressivamente desgastada. A taxa depende da temperatura, da concentração cáustica e da composição específica do vidro.
O vidro borossilicato-o tipo usado para aço esmaltado-contém óxido de boro, que melhora a durabilidade química. Mas em 10% de NaOH a 80 graus, até mesmo o vidro borossilicato sofre corrosão a aproximadamente 0,01-0,05 mm/ano. Um revestimento de vidro com espessura de 0,8 a 1,2 mm perde de 10 a 60% de sua espessura ao longo de uma vida útil de 10 anos nessas condições.
A corrosão raramente é perfeitamente uniforme. Defeitos microscópicos, bolhas ou manchas finas no revestimento de vidro corroem mais rapidamente. Depois que o vidro é penetrado, o aço subjacente é exposto ao ambiente ácido-alcalino alternado. O aço corrói rapidamente em ambos. O revestimento falha localmente e o equipamento deve ser reenvidraçado ou substituído.
Tabela 1: Comparação de desempenho de ciclismo ácido-alcalino
| Parâmetro de desempenho | Aço esmaltado (revestido-de vidro) | PTFE |
|---|---|---|
| Resistência a ácidos (HCl, H₂SO₄) | Excelente | Excelente |
| Resistência alcalina (NaOH, KOH) | Fraco (dissolução de vidro) | Excelente |
| Taxa de corrosão em 10% NaOH a 80 graus (mm/ano) | 0.01-0.05 | 0 |
| Espessura do forro/revestimento (mm) | 0.8-1.2 | 1,0-1,5 (parede do tubo) |
| Vida útil estimada do revestimento em serviço de pH alternado | 3-8 anos | 15+ anos |
| Método de reparo | Revidro de fábrica; semanas de inatividade | Conecte em campo ou substitua a seção do tubo |
| Resistência ao choque térmico | Moderado (ΔT máx. ~100 graus) | Excellent (>200 graus ΔT) |
| Resistência ao impacto mecânico | Ruim (frágil; lascas com o impacto) | Bom (recuperação elástica) |
| Modo de falha | Penetração do revestimento → corrosão do aço | Desbaste gradual |
| Detectabilidade de falha iminente | Difícil (danos no revestimento muitas vezes invisíveis) | Fácil (medição de espessura ultrassônica) |
O fator de choque térmico
A transição da solução ácida quente para a solução alcalina quente através de uma lavagem com água cria condições de choque térmico. O trocador de calor de aço esmaltado sofre uma rápida mudança de temperatura que tensiona a ligação do vidro-ao{2}}aço. O vidro e o aço têm coeficientes de expansão térmica diferentes -vidro em aproximadamente 3-6 × 10⁻⁶/ grau, aço em 12-15 × 10⁻⁶/ grau. A expansão diferencial cria tensão de cisalhamento na interface.
Ao longo de centenas de ciclos térmicos, a tensão cumulativa causa micro-fissuras na interface do vidro-aço. Essas rachaduras são invisíveis do lado do processo. Eles crescem com o ciclo contínuo até que o vidro se solte do aço. O aço exposto então corrói rapidamente.
O PTFE não possui interface para delaminar. O material é homogêneo em sua espessura. A expansão térmica é acomodada pela deformação elástica de todo o componente. Nenhum estresse diferencial se desenvolve.
Contraste de Manutenção e Reparo
Quando um trocador de calor-de aço revestido de vidro falha, toda a unidade deve ser removida e enviada para uma instalação especializada para reenvidraçamento. O processo leva semanas. A produção é interrompida. Uma unidade sobressalente deve estar disponível ou a capacidade de produção será perdida.
Quando um trocador de calor de PTFE apresenta vazamento,-normalmente após muitos anos de serviço,-o tubo afetado pode ser obstruído em campo. O trocador continua operando com capacidade ligeiramente reduzida. O reparo permanente ou a substituição do tubo estão programados para a próxima parada de manutenção planejada.
A capacidade-de reparo do PTFE em campo é uma vantagem operacional significativa em processos onde a continuidade da produção é crítica.
Resumo
Os trocadores de calor de PTFE superam o aço esmaltado em serviços alternados de ácido-alcalino porque o PTFE é imune à dissolução cáustica que afina progressivamente os revestimentos de vidro. A taxa de corrosão do vidro do aço esmaltado em álcali quente, combinada com danos por choque térmico na interface vidro{2}}aço, limita a vida útil a 3-8 anos. O PTFE oferece 15+ anos de serviço sem corrosão ou delaminação da interface.
A capacidade-de reparo em campo do PTFE reduz ainda mais o custo do tempo de inatividade em comparação com a-renovação de vidro de fábrica necessária para reparos em aço esmaltado. Para processos que alternam entre produtos químicos ácidos e alcalinos, o PTFE é a escolha de menor-risco e maior{4}}vida útil.
A análise de engenharia para seleção de material de serviço de pH alternado está disponível mediante envio de concentrações de ácido e cáustico, temperaturas operacionais, frequência de ciclo e dados atuais de vida útil do equipamento.
