El problema de las incrustaciones del yeso
Las incrustaciones de sulfato de calcio afectan a los intercambiadores de calor en la minería, el procesamiento de minerales y el tratamiento de aguas residuales industriales. El yeso tiene solubilidad inversa-precipita más fácilmente a medida que aumenta la temperatura. La superficie más caliente del sistema, la pared del tubo del intercambiador de calor, se convierte en el sitio preferido para la nucleación y el crecimiento de los cristales.
La comprensión convencional atribuye la resistencia a la incrustación del PTFE a su baja energía superficial. Los cristales de sulfato de calcio se nuclean menos fácilmente en la superficie del fluoropolímero antiadherente que en los óxidos metálicos de alta-energía. Esta explicación es correcta pero incompleta. Un segundo mecanismo, relacionado con el comportamiento de la capa límite térmica, contribuye igualmente a la diferencia en las tasas de incrustación entre las superficies de metal y PTFE.
El mecanismo dual de formación de escalas
La formación de incrustaciones en una superficie de transferencia de calor implica dos pasos secuenciales. Primero, los iones disueltos deben difundirse a través de la capa límite térmica para llegar a la superficie. En segundo lugar, una vez en la superficie, los iones deben nuclearse y crecer hasta convertirse en cristales adherentes.
La capa límite térmica es una película de fluido estancada o que se mueve lentamente adyacente a la pared del tubo. Su espesor depende de la velocidad del fluido, el diámetro del tubo y las propiedades del fluido. Dentro de esta capa, el calor se transfiere por conducción, creando un gradiente de temperatura desde la temperatura del fluido a granel hasta la temperatura más caliente de la pared.
Para el escalado de yeso, el gradiente de temperatura dentro de la capa límite es fundamental. La solubilidad del sulfato de calcio disminuye al aumentar la temperatura. El fluido en la interfaz de la pared está más caliente que el fluido a granel, por lo que está más sobresaturado con respecto al yeso. El grado de sobresaturación en la pared determina la fuerza impulsora de la cristalización.
Tabla 1: Capa límite y parámetros de escala para superficies de metal frente a superficies de PTFE (solución saturada de yeso-, volumen de 60 grados, pared de 80 grados)
| Parámetro | Acero inoxidable | Titanio | PTFE |
|---|---|---|---|
| Energía superficial (mN/m) | 40-50 | 35-45 | 18-20 |
| Conductividad térmica (W/m·K) | 16 | 22 | 0.25 |
| Caída de temperatura a través de la pared del tubo (grados) | < 1 | < 1 | 8-12 |
| Temperatura real de la superficie de la pared (grados) | ~80 | ~80 | 68-72 |
| Relación de sobresaturación del yeso en la superficie de la pared. | 3.5-4.0× | 3.5-4.0× | 2.0-2.5× |
| Tasa de nucleación (relativa) | 1,0 (línea de base) | 0.9 | 0.2-0.3 |
| Fuerza de adhesión del depósito (relativa) | 1,0 (línea de base) | 0.8 | 0.1-0.2 |
La ventaja de la temperatura de la pared de PTFE
La baja conductividad térmica del PTFE, que normalmente se considera una desventaja, proporciona un beneficio inesperado en un servicio propenso a escalar-. El gradiente de temperatura a través de la pared del tubo de PTFE es significativo-normalmente 8-12 grados para un serpentín calentado con vapor. La superficie externa del tubo en contacto con el fluido del proceso es sustancialmente más fría que la temperatura del vapor en el interior.
Un tubo metálico con una resistencia de pared insignificante tiene una temperatura de la superficie externa casi igual a la temperatura interna del vapor. Si el vapor a 3 barg (143 grados) calienta el fluido del proceso a 60 grados, la superficie externa del tubo metálico podría estar a 80 grados. La superficie externa del tubo de PTFE en condiciones idénticas podría estar entre 68 y 72 grados.
Esta diferencia de 10 grados reduce la sobresaturación del yeso en la superficie de la pared. Dado que la velocidad de nucleación depende exponencialmente de la sobresaturación, la superficie más fría de PTFE impulsa la formación de cristales a una fracción de la velocidad en la superficie del metal más caliente.
El efecto se compone. Menos nucleación significa menos escala. Menos incrustaciones significa que la temperatura de la superficie de PTFE no aumenta más a medida que se forma una capa de incrustaciones aislante. La superficie del metal, que acumula incrustaciones más rápidamente, ve aumentar la temperatura de su pared a medida que las incrustaciones la aíslan, lo que aumenta aún más la sobresaturación y acelera la incrustación en un circuito de retroalimentación destructivo.
Energía superficial: el segundo factor
La baja energía superficial del PTFE proporciona la segunda defensa contra las incrustaciones. Incluso cuando los cristales se nuclean cerca de la superficie de PTFE, se adhieren débilmente. El enlace interfacial entre un cristal de yeso hidrófilo y la superficie del fluoropolímero hidrófobo es débil. El corte del fluido procedente del flujo normal desaloja los cristales nacientes antes de que crezcan lo suficiente como para formar una capa de escamas coherente.
Las superficies de óxido metálico, con alta energía superficial y abundantes grupos hidroxilo, forman fuertes enlaces con cristales de sulfato de calcio. Una vez que una monocapa de yeso se nuclea sobre el metal, se produce un crecimiento cristalino posterior en la capa de yeso existente. La ventaja de la energía superficial de comenzar sobre una superficie metálica limpia se pierde inmediatamente.
Efecto combinado en servicio industrial
La combinación de una temperatura real de pared más baja y una energía superficial más baja le da al PTFE una resistencia a la incrustación que la experiencia de campo confirma. En soluciones saturadas de yeso-donde las bobinas de acero inoxidable requieren desincrustación cada 4-8 semanas, las bobinas de PTFE funcionan durante 6-12 meses o más sin una acumulación significativa de incrustaciones. El mecanismo dual explica por qué el PTFE supera incluso el argumento de baja energía superficial que por sí solo predeciría.
Resumen
Las superficies del intercambiador de calor de PTFE resisten la incrustación del yeso a través de dos mecanismos: una temperatura de pared real más fría debido al gradiente térmico a través de la pared del tubo de baja-conductividad, lo que reduce la sobresaturación y la fuerza impulsora de nucleación; y baja energía superficial que evita una fuerte adhesión de los cristales que se forman. Las superficies metálicas sufren tanto una mayor temperatura de la pared que impulsa una nucleación más rápida como una mayor energía superficial que une los cristales con fuerza.
El efecto combinado produce tasas de incrustación en el metal que superan las del PTFE en un factor de 3-5 o más. La desventaja de la conductividad térmica del PTFE se convierte en una ventaja anti-incrustación en servicios saturados de yeso.
El análisis de ingeniería para la resistencia a la incrustación del intercambiador de calor de PTFE en soluciones específicas-propensas a la incrustación está disponible tras el envío de la química de la solución, las temperaturas de funcionamiento, los datos actuales de la tasa de incrustación y el historial de frecuencia de limpieza.
