A surpreendente camada de escala
O PTFE é especificado por sua superfície-antiaderente. A baixa energia superficial repele a água, resiste à adesão e evita a adesão da maior parte das incrustações. No entanto, os operadores ocasionalmente descobrem uma camada de incrustações dura e aderente nos tubos do trocador de calor de PTFE após meses de serviço. A superfície-antiaderente parece ter falhado.
A escala não é uma falha na propriedade do material PTFE. É uma falha no respeito dos limites de temperatura dentro dos quais essa propriedade opera. Acima de uma temperatura crítica da parede, a física da formação de incrustações supera a vantagem anti-de adesão do PTFE. A incrustação não se liga através de adesão química, mas através de um mecanismo diferente: interligação cristalina com a superfície do polímero.
Os dois mecanismos de escala
A incrustação se forma nas superfícies dos trocadores de calor através de dois mecanismos distintos. A primeira é a deposição de partículas: cristais pré-{1}}formados na solução a granel assentam na superfície e aderem por meio de forças de van der Waals. A baixa energia superficial do PTFE resiste efetivamente a esse mecanismo. As forças atrativas fracas não conseguem superar a tendência das partículas de se re-arrastar na solução fluida.
O segundo mecanismo é a cristalização superficial: os íons dissolvidos precipitam diretamente na superfície de transferência de calor. Isso ocorre quando a temperatura da parede provoca mudanças de concentração local. Para sais inversamente solúveis como sulfato de cálcio, carbonato de cálcio e fosfato de cálcio, a solubilidade diminui com o aumento da temperatura. A superfície mais quente do sistema-a parede do tubo do trocador de calor-torna-se o local preferido de precipitação.
A cristalização da superfície não requer adesão química. Os cristais nucleam na camada limite diretamente adjacente à parede do tubo e depois crescem até se tornarem micro-rugosidades superficiais. O cristal em crescimento interliga-se fisicamente com a topografia da superfície do polímero. Este intertravamento mecânico não requer ligação química e não é anulado pela baixa energia superficial.
Tabela 1: Gravidade de Escala vs. Temperatura da Parede de PTFE para Precipitados de Banho de Revestimento Comum
| Temperatura da parede (graus) | Escala de Sulfato de Cálcio | Escala de Carbonato de Cálcio | Lodo de Hidróxido Metálico | Força de adesão à escala |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 | Mínimo | Mínimo | Solto, facilmente enxaguado | Muito fraco |
| 80-100 | Depósito leve | Depósito leve | Adesão moderada | Fraco |
| 100-120 | Escala moderada | Escala moderada | Firmemente ligado | Moderado |
| 120-140 | Escala cristalina pesada | Escala pesada | Fortemente ligado | Forte |
| 140-160 | Acúmulo severo e rápido | Forte | Difícil de remover | Muito forte |
| >160 | Precipitação extrema | Extremo | Requer remoção mecânica | Extremo |
Dados para sulfato de cálcio de banhos contendo ácido sulfúrico-cálcio; carbonato de cálcio de sistemas de água dura; hidróxidos metálicos de eletrólitos contendo ferro e alumínio-. Adesão medida pela pressão de remoção do jato de água.
O gatilho da temperatura da parede
A transição de incrustações gerenciáveis para problemáticas ocorre em temperaturas de parede entre 100 graus e 120 graus para a maioria dos precipitados comuns. Abaixo de 100 graus, a taxa de cristalização da superfície é lenta. A baixa energia superficial do PTFE proporciona benefícios significativos ao impedir a nucleação inicial do cristal que leva ao intertravamento mecânico.
Acima de 120 graus, a taxa de cristalização acelera exponencialmente. A camada limite torna-se supersaturada rapidamente. Os cristais nucleam em profusão, superando qualquer resistência à nucleação da superfície de baixa-energia. Uma vez formada uma fina camada de cristal, o crescimento subsequente do cristal ocorre na escala existente e não no PTFE. A energia superficial do PTFE torna-se irrelevante.
A pressão do vapor controla diretamente a temperatura da parede. O vapor a 3 barg produz uma temperatura de saturação de 143 graus, criando temperaturas de parede na faixa de 120-140 graus. Esta é a zona de perigo onde a escala passa de incômodo a problema. O vapor a 6 barg empurra a temperatura da parede para o regime de incrustações severas.
Estratégias de Prevenção
Reduza a pressão do vapor ao mínimo que atenda aos requisitos de aquecimento. O vapor de baixa-pressão a 1-2 barg mantém a temperatura da parede abaixo de 120 graus, onde as propriedades antiaderência do PTFE permanecem eficazes. A penalidade é maior área de superfície necessária. O benefício é a redução drástica da escala.
Aumente a velocidade da solução em toda a superfície do tubo. Velocidades mais altas afinam a camada limite, reduzindo o tempo de residência para a nucleação do cristal. Também aumenta a força de cisalhamento que atua sobre quaisquer cristais que se formem, ajudando a desalojá-los antes que cresçam o suficiente para o intertravamento mecânico.
Para aplicações onde a alta pressão do vapor é inevitável, aceite que será necessária uma descalcificação periódica. A descalcificação de bobinas de PTFE é mais simples do que a de bobinas de metal-a incrustação muitas vezes pode ser quebrada ao flexionar a tubulação, e a superfície quimicamente inerte tolera limpeza ácida sem corrosão.
Resumo
O dimensionamento do trocador de calor PTFE acima de 150 graus de temperatura da parede ocorre através da cristalização da superfície e do intertravamento mecânico, não da adesão química. A propriedade anti-adesão do PTFE é real, mas é superada pela rápida cinética de cristalização em temperaturas elevadas.
Manter a temperatura da parede abaixo de 120 graus por meio da redução da pressão do vapor preserva o-benefício antiaderente. A maior velocidade da solução complementa isso, aumentando a remoção de cisalhamento dos cristais nascentes. Quando a operação-em altas temperaturas é inevitável, a descalcificação mecânica ou química periódica torna-se parte da rotina de manutenção.
Recomendações de engenharia para prevenção de incrustações em aplicações específicas de trocadores de calor de PTFE estão disponíveis mediante envio da química da solução, temperatura operacional, pressão do vapor e histórico de incrustações observado.
