La química que ataca al titanio
El titanio resiste el hipoclorito de sodio mediante la formación de una película de óxido pasiva que es estable en soluciones neutras y alcalinas. La película es la razón por la que el titanio funciona bien en el servicio de blanqueador a temperatura y concentración moderadas. La película se rompe cuando la temperatura supera los 70 grados, cuando la concentración supera el 15% o cuando el pH cae por debajo de 9.
La velocidad de corrosión del titanio en servicio con hipoclorito a 60 grados y 12 % de hipoclorito suele ser inferior a 0,05 mm por año. A 80 grados y 15% de hipoclorito, la tasa aumenta a 0,3-0,8 mm por año. A 90 grados y 15% de hipoclorito, la tasa puede exceder los 1,5 mm por año.
La corrosión normalmente se inicia en los extremos del tubo, donde la velocidad del flujo es baja y la temperatura es alta, y en las uniones del tubo-a-la placa del tubo, donde la geometría de la grieta concentra las especies corrosivas. La corrosión se manifiesta como picaduras, que penetran en la pared del tubo y provocan una fuga.
La química que ataca al PTFE
El PTFE es resistente al hipoclorito de sodio en todas las concentraciones y temperaturas dentro de su rango de servicio. Los enlaces carbono-flúor no son atacados por el hipoclorito ni la sosa cáustica que estabiliza la lejía. El material no se corroe y la vida útil está determinada por factores mecánicos más que por ataques químicos.
El único mecanismo de degradación del PTFE en servicio de hipoclorito es la difusión del hipoclorito y el cáustico en las regiones amorfas del polímero. La difusión es lenta y el efecto sobre las propiedades mecánicas es modesto. La vida útil de un intercambiador de calor de PTFE en servicio de hipoclorito suele ser de 12 a 18 años.
La brecha de conductividad térmica
La conductividad térmica del titanio es de aproximadamente 22 W/m·K, en comparación con los 0,25 W/m·K del PTFE. La proporción es de aproximadamente 88:1.
Para un intercambiador de calor que entrega 40 kW en hipoclorito al 12% a 60 grados, una unidad de titanio requiere aproximadamente 3 m² de superficie, basándose en un coeficiente general de transferencia de calor de 800 W/m²·K y una diferencia de temperatura media logarítmica de 17 grados. Una unidad de PTFE para el mismo trabajo requiere aproximadamente 12 m² de superficie, basado en un coeficiente global de 200 W/m·K y la misma diferencia de temperatura.
La unidad de PTFE es 4 veces más grande que la unidad de titanio. El tamaño mayor aumenta el costo de capital, el espacio y el volumen de fluido. El menor flujo de calor reduce la temperatura de la pared del tubo, lo que es beneficioso para el proceso, pero la superficie más grande también proporciona más superficie para los depósitos y requiere más tiempo para limpiar.
El problema de la descomposición a temperatura elevada
El hipoclorito de sodio se descompone a un ritmo que aumenta con la temperatura. A 60 grados, la tasa de descomposición es aproximadamente del 2% por día. A 70 grados, la tasa es aproximadamente el 5% por día. A 80 grados, la tasa es aproximadamente del 10% por día. La descomposición genera cloro gaseoso y ácido clorhídrico, que son corrosivos para ambos materiales.
La tasa de descomposición limita la temperatura de funcionamiento práctica tanto para el titanio como para el PTFE. A temperaturas superiores a 70 grados, la tasa de descomposición es lo suficientemente alta como para que la concentración de hipoclorito deba reponerse continuamente y el cloro gaseoso deba ventilarse. La selección del material debe tener en cuenta el cloro gaseoso y los productos de descomposición.
El titanio es particularmente susceptible al ácido clorhídrico que se genera durante la descomposición. El ácido reduce el pH y acelera la corrosión del titanio. El PTFE es resistente al ácido clorhídrico y al cloro gaseoso, por lo que la descomposición no afecta la vida útil del PTFE.
Comparación de los dos materiales en el servicio de blanqueador con hipoclorito
La siguiente tabla resume las características de rendimiento y costo de los intercambiadores de calor de PTFE y titanio en servicio de lejía con hipoclorito a 60 grados con hipoclorito de sodio al 12%.
| Característica | Intercambiador de calor de titanio | Intercambiador de calor de PTFE | Ventaja |
|---|---|---|---|
| Conductividad térmica | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | Titanio |
| Coeficiente general de transferencia de calor | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | Titanio |
| Superficie necesaria para 40 kW | 3 m² | 12 m² | Titanio |
| Resistencia química al 12% de hipoclorito a 60 grados. | Excelente | Excelente | Igual |
| Resistencia química al 15% de hipoclorito a 80 grados. | Pobre | Excelente | PTFE |
| Resistencia química al cloro gaseoso. | Moderado | Excelente | PTFE |
| Temperatura máxima de funcionamiento | 70 grados (práctico) | 260 grados | PTFE |
| Resistencia mecánica | Alto | Moderado | Titanio |
| Resistencia al choque térmico | Moderado | Alto | PTFE |
| Reparabilidad | Limitado | Bien | PTFE |
| Vida útil en servicio de hipoclorito. | 5 a 8 años | 12 a 18 años | PTFE |
| Costo de capital para servicio de 40 kW | $32,000 | $34,000 | Titanio |
| Costo de instalación | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Costo de mantenimiento anual | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Costo total de cinco-años | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Los valores del costo total de cinco-años suponen un valor de producción de $600 por hora e incluyen el costo de capital, el costo de instalación y el costo de mantenimiento durante cinco años.
Cuando el titanio es la mejor opción
El titanio es la mejor opción en varias aplicaciones específicas.
Servicio de baja-temperatura.A temperaturas inferiores a 50 grados, el titanio resiste el hipoclorito sin dificultad y la mayor conductividad térmica reduce la superficie requerida y el costo de capital.
Servicio de baja-concentración.En concentraciones inferiores al 10%, el titanio resiste el hipoclorito a temperaturas de hasta 60 grados y la mayor conductividad térmica reduce la superficie requerida.
Instalaciones con espacio-limitado.Cuando el espacio disponible es muy limitado, la unidad de titanio más pequeña puede ser la única opción viable. La unidad de PTFE requeriría 4 veces más superficie, que puede no caber en el espacio disponible.
Servicio de alta-presión.El titanio tiene mayor resistencia mecánica que el PTFE y puede soportar presiones más altas. Para servicios con hipoclorito a presiones superiores a 10 bar, el titanio puede ser la única opción viable.
Cuando el PTFE es la mejor opción
El PTFE es la mejor opción en varias aplicaciones específicas.
Servicio de alta-temperatura.A temperaturas superiores a 60 grados, el PTFE resiste los productos de descomposición mejor que el titanio y la vida útil es más larga.
Servicio de alta-concentración.En concentraciones superiores al 12%, el PTFE resiste mejor que el titanio el hipoclorito y los cáusticos.
Exposición al gas cloro.Si la descomposición genera cloro gaseoso, el PTFE resiste el gas mejor que el titanio.
Servicio de ciclismo térmico.El PTFE tiene una mayor resistencia al choque térmico que el titanio, lo que lo hace adecuado para servicios con cambios frecuentes de temperatura.
Requisito de larga vida útil.Cuando se espera que el intercambiador de calor tenga una vida útil de 10 años o más, el PTFE es la mejor opción porque resiste el ataque químico durante un período más largo.
Características de diseño que prolongan la vida útil
Varias características de diseño extienden la vida útil de los intercambiadores de calor de PTFE y titanio en el servicio de lejía con hipoclorito.
Temperatura de funcionamiento más baja.Reducir la temperatura de funcionamiento de 70 grados a 50 grados reduce la tasa de descomposición y el ataque químico al material del intercambiador de calor.
Menor concentración.Reducir la concentración de hipoclorito del 15% al 10% reduce el ataque químico y la tasa de descomposición.
Control de pH.Mantener el pH por encima de 10 reduce la corrosión del titanio y la descomposición del hipoclorito.
Control de velocidad del flujo.Mantener una velocidad de flujo moderada reduce el espesor de la capa límite y la concentración de productos de descomposición en la superficie del tubo.
Implementar-disposiciones de limpieza.Las conexiones para el suministro y retorno de la solución de limpieza permiten limpiar el intercambiador de calor sin necesidad de desmontarlo, lo que reduce el tiempo de inactividad y la pérdida de producción.
Parámetros de especificación para el servicio de blanqueador con hipoclorito
Los ingenieros de equipos que evalúan intercambiadores de calor de PTFE y titanio para el servicio de blanqueador con hipoclorito deben confirmar los siguientes parámetros con el proveedor.
Concentración de hipoclorito.Especifique la concentración máxima y el rango esperado.
Temperatura de funcionamiento.Especifique la temperatura máxima de funcionamiento y el perfil de temperatura esperado.
pH.Especifique el rango de pH y el método de control.
Presión de funcionamiento.Especifique la presión máxima de funcionamiento.
Carga de calor y superficie.Especifique la carga de calor y el área de superficie requerida para cada opción de material.
Tasa de descomposición.Especifique la tasa de descomposición esperada y la tasa de generación de cloro gaseoso.
Limitaciones de espacio.Especifique el espacio disponible y la huella máxima permitida.
Requisito de vida útil.Especifique la vida útil prevista y el calendario de sustitución.
Adaptación de la selección de materiales a las condiciones de servicio del hipoclorito
La selección entre intercambiadores de calor de PTFE y titanio en el servicio de blanqueador con hipoclorito depende de la temperatura, la concentración, el pH y los requisitos de vida útil. El titanio tiene una mayor conductividad térmica y requiere menos superficie, pero es susceptible a la corrosión a temperaturas elevadas y altas concentraciones. El PTFE tiene una conductividad térmica más baja y requiere más superficie, pero es resistente al hipoclorito en todas las concentraciones y temperaturas.
La decisión de selección debe basarse en un análisis-específico de la instalación que incorpore el costo de capital, el costo de mantenimiento y la exposición a pérdidas de producción. Un modelo de hoja de cálculo simple con estos componentes de costos proporciona la información necesaria para tomar la decisión.
Para las instalaciones de servicio de blanqueador con hipoclorito que evalúan opciones de intercambiadores de calor, la selección del material debe basarse en el costo total de propiedad durante la vida útil esperada, no solo en el costo de capital o el rendimiento térmico. Una unidad de titanio con un costo de capital más bajo puede tener un costo de vida más alto si requiere reemplazo frecuente.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE para blanqueador de hipoclorito u otros servicios oxidantes pueden solicitar una revisión del diseño que cubra la concentración de hipoclorito, la temperatura de funcionamiento, el pH, la presión de funcionamiento y los requisitos de vida útil para confirmar que la selección del material coincide con las condiciones de servicio reales y la estructura de costos de la instalación.
