Kimia Yang Menyerang Titanium
Titanium menolak natrium hipoklorit melalui pembentukan film oksida pasif yang stabil dalam larutan netral dan basa. Film ini adalah alasan mengapa titanium bekerja dengan baik dalam layanan pemutih pada suhu dan konsentrasi sedang. Film ini rusak ketika suhu naik di atas 70 derajat, ketika konsentrasi naik di atas 15%, atau ketika pH turun di bawah 9.
Laju korosi titanium dalam layanan hipoklorit pada suhu 60 derajat dan hipoklorit 12% biasanya kurang dari 0,05 mm per tahun. Pada suhu hipoklorit 80 derajat dan 15%, lajunya meningkat menjadi 0,3–0,8 mm per tahun. Pada suhu hipoklorit 90 derajat dan 15%, angkanya bisa melebihi 1,5 mm per tahun.
Korosi biasanya dimulai pada ujung tabung yang kecepatan alirannya rendah dan suhunya tinggi, dan pada sambungan lembaran tabung-ke-tabung tempat geometri celah memusatkan spesies korosif. Korosi ini bermanifestasi sebagai lubang yang menembus dinding tabung dan menyebabkan kebocoran.
Kimia Yang Menyerang PTFE
PTFE tahan terhadap natrium hipoklorit pada semua konsentrasi dan suhu dalam jangkauan layanannya. Ikatan karbon-fluor tidak diserang oleh hipoklorit atau soda kaustik yang menstabilkan pemutih. Bahannya tidak menimbulkan korosi, dan masa pakainya ditentukan oleh faktor mekanis, bukan oleh serangan kimia.
Satu-satunya mekanisme degradasi PTFE dalam layanan hipoklorit adalah difusi hipoklorit dan kaustik ke dalam daerah amorf polimer. Difusinya lambat, dan pengaruhnya terhadap sifat mekaniknya sederhana. Masa pakai penukar panas PTFE dalam layanan hipoklorit biasanya 12–18 tahun.
Kesenjangan Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal titanium sekitar 22 W/m·K, dibandingkan dengan 0,25 W/m·K untuk PTFE. Rasionya sekitar 88:1.
Untuk penukar panas yang menyalurkan 40 kW dalam hipoklorit 12% pada suhu 60 derajat , unit titanium memerlukan luas permukaan sekitar 3 m², berdasarkan koefisien perpindahan panas keseluruhan sebesar 800 W/m²·K dan perbedaan suhu rata-rata log sebesar 17 derajat . Unit PTFE untuk tugas yang sama memerlukan luas permukaan sekitar 12 m², berdasarkan koefisien keseluruhan sebesar 200 W/m·K dan perbedaan suhu yang sama.
Unit PTFE 4 kali lebih besar dari unit titanium. Ukuran yang lebih besar meningkatkan biaya modal, luas lantai, dan volume fluida. Fluks panas yang lebih rendah mengurangi suhu dinding tabung, yang bermanfaat untuk proses tersebut, namun luas permukaan yang lebih besar juga menyediakan lebih banyak permukaan untuk endapan dan memerlukan lebih banyak waktu untuk membersihkan.
Masalah Dekomposisi pada Suhu Tinggi
Natrium hipoklorit terurai dengan kecepatan yang meningkat seiring suhu. Pada suhu 60 derajat, laju dekomposisi kira-kira 2% per hari. Pada suhu 70 derajat, tarifnya sekitar 5% per hari. Pada suhu 80 derajat, tarifnya sekitar 10% per hari. Penguraian tersebut menghasilkan gas klor dan asam klorida, yang bersifat korosif terhadap kedua bahan tersebut.
Laju dekomposisi membatasi suhu pengoperasian praktis untuk titanium dan PTFE. Pada suhu di atas 70 derajat, laju dekomposisi cukup tinggi sehingga konsentrasi hipoklorit harus terus menerus diisi ulang, dan gas klor harus dibuang. Pemilihan bahan harus memperhitungkan gas klor dan produk dekomposisi.
Titanium sangat rentan terhadap asam klorida yang dihasilkan oleh dekomposisi. Asam menurunkan pH dan mempercepat korosi titanium. PTFE tahan terhadap asam klorida dan gas klor, sehingga penguraian tidak mempengaruhi masa pakai PTFE.
Membandingkan Dua Bahan dalam Layanan Pemutih Hipoklorit
Tabel berikut merangkum karakteristik kinerja dan biaya penukar panas PTFE dan titanium dalam layanan pemutih hipoklorit pada suhu 60 derajat dengan natrium hipoklorit 12%.
| Ciri | Penukar Panas Titanium | Penukar Panas PTFE | Keuntungan |
|---|---|---|---|
| Konduktivitas termal | 22 W/m·K | 0.25 W/m·K | titanium |
| Koefisien perpindahan panas keseluruhan | 800 W/m²·K | 200 W/m²·K | titanium |
| Luas permukaan yang dibutuhkan untuk 40 kW | 3 m² | 12 m² | titanium |
| Ketahanan kimia terhadap hipoklorit 12% pada suhu 60 derajat | Bagus sekali | Bagus sekali | Setara |
| Ketahanan kimia terhadap hipoklorit 15% pada suhu 80 derajat | Miskin | Bagus sekali | PTFE |
| Ketahanan kimia terhadap gas klorin | Sedang | Bagus sekali | PTFE |
| Suhu pengoperasian maksimum | 70 derajat (praktis) | 260 derajat | PTFE |
| Kekuatan mekanik | Tinggi | Sedang | titanium |
| Ketahanan terhadap guncangan termal | Sedang | Tinggi | PTFE |
| Kemampuan untuk diperbaiki | Terbatas | Bagus | PTFE |
| Kehidupan pelayanan dalam layanan hipoklorit | 5–8 tahun | 12–18 tahun | PTFE |
| Biaya modal untuk tugas 40 kW | $32,000 | $34,000 | titanium |
| Biaya pemasangan | $4,000 | $3,500 | PTFE |
| Biaya pemeliharaan tahunan | $4,000 | $1,500 | PTFE |
| Total biaya lima{0}}tahun | $76,000 | $55,500 | PTFE |
Nilai total biaya lima{0}}tahun mengasumsikan nilai produksi sebesar $600 per jam dan mencakup biaya modal, biaya pemasangan, dan biaya pemeliharaan selama lima tahun.
Ketika Titanium Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
Titanium adalah pilihan yang lebih baik dalam beberapa aplikasi spesifik.
Layanan-suhu rendah.Pada suhu di bawah 50 derajat, titanium tahan terhadap hipoklorit tanpa kesulitan, dan konduktivitas termal yang lebih tinggi mengurangi luas permukaan yang dibutuhkan dan biaya modal.
Layanan-konsentrasi rendah.Pada konsentrasi di bawah 10%, titanium tahan terhadap hipoklorit pada suhu hingga 60 derajat, dan konduktivitas termal yang lebih tinggi mengurangi luas permukaan yang dibutuhkan.
Ruang-instalasi terbatas.Ketika ruang yang tersedia sangat terbatas, unit titanium yang lebih kecil mungkin merupakan satu-satunya pilihan yang layak. Unit PTFE memerlukan 4 kali luas permukaan, yang mungkin tidak sesuai dengan ruang yang tersedia.
Layanan-tekanan tinggi.Titanium memiliki kekuatan mekanik yang lebih tinggi dibandingkan PTFE dan dapat menahan tekanan yang lebih tinggi. Untuk layanan hipoklorit pada tekanan di atas 10 bar, titanium mungkin merupakan satu-satunya pilihan yang tepat.
Ketika PTFE Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
PTFE adalah pilihan yang lebih baik dalam beberapa aplikasi spesifik.
Layanan-suhu tinggi.Pada suhu di atas 60 derajat, PTFE lebih tahan terhadap produk dekomposisi dibandingkan titanium, dan masa pakainya lebih lama.
Layanan-konsentrasi tinggi.Pada konsentrasi di atas 12%, PTFE lebih tahan terhadap hipoklorit dan kaustik dibandingkan titanium.
Paparan gas klorin.Jika penguraian menghasilkan gas klor, PTFE menahan gas tersebut lebih baik daripada titanium.
Layanan bersepeda termal.PTFE memiliki ketahanan guncangan termal yang lebih tinggi dibandingkan titanium, sehingga cocok untuk servis dengan perubahan suhu yang sering.
Persyaratan umur panjang.Ketika penukar panas diharapkan memiliki masa pakai 10 tahun atau lebih, PTFE adalah pilihan yang lebih baik karena tahan terhadap serangan bahan kimia dalam jangka waktu yang lebih lama.
Fitur Desain yang Memperpanjang Umur Layanan
Beberapa fitur desain memperpanjang masa pakai penukar panas PTFE dan titanium dalam layanan pemutih hipoklorit.
Suhu pengoperasian lebih rendah.Mengurangi suhu pengoperasian dari 70 derajat menjadi 50 derajat akan mengurangi laju dekomposisi dan serangan kimia pada material penukar panas.
Konsentrasi lebih rendah.Mengurangi konsentrasi hipoklorit dari 15% menjadi 10% mengurangi serangan kimia dan laju dekomposisi.
kontrol pH.Mempertahankan pH di atas 10 mengurangi korosi titanium dan dekomposisi hipoklorit.
Kontrol kecepatan aliran.Mempertahankan kecepatan aliran yang moderat akan mengurangi ketebalan lapisan batas dan konsentrasi produk dekomposisi pada permukaan tabung.
Di-ketentuan pembersihan.Sambungan untuk suplai dan pengembalian larutan pembersih memungkinkan penukar panas dibersihkan tanpa pembongkaran, sehingga mengurangi waktu henti dan kerugian produksi.
Parameter Spesifikasi Servis Pemutih Hipoklorit
Insinyur peralatan yang mengevaluasi penukar panas PTFE dan titanium untuk layanan pemutih hipoklorit harus mengonfirmasi parameter berikut dengan pemasok.
Konsentrasi hipoklorit.Tentukan konsentrasi maksimum dan kisaran yang diharapkan.
Suhu pengoperasian.Tentukan suhu pengoperasian maksimum dan profil suhu yang diharapkan.
pH.Tentukan kisaran pH dan metode kontrol.
Tekanan operasi.Tentukan tekanan operasi maksimum.
Beban panas dan luas permukaan.Tentukan beban panas dan luas permukaan yang diperlukan untuk setiap pilihan material.
Tingkat dekomposisi.Tentukan laju dekomposisi yang diharapkan dan laju pembentukan gas klor.
Keterbatasan ruang.Tentukan ruang yang tersedia dan tapak maksimum yang diperbolehkan.
Persyaratan kehidupan pelayanan.Tentukan masa pakai yang diharapkan dan jadwal penggantian.
Mencocokkan Pemilihan Material dengan Kondisi Servis Hipoklorit
Pemilihan antara penukar panas PTFE dan titanium dalam layanan pemutih hipoklorit bergantung pada suhu, konsentrasi, pH, dan persyaratan masa pakai. Titanium memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi dan membutuhkan luas permukaan yang lebih sedikit, namun rentan terhadap korosi pada suhu tinggi dan konsentrasi tinggi. PTFE memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah dan membutuhkan luas permukaan yang lebih besar, namun tahan terhadap hipoklorit pada semua konsentrasi dan suhu.
Keputusan pemilihan harus didasarkan pada analisis{0}}spesifik fasilitas yang mencakup biaya modal, biaya pemeliharaan, dan paparan kerugian produksi. Model spreadsheet sederhana dengan komponen biaya ini memberikan informasi yang diperlukan untuk mengambil keputusan.
Untuk fasilitas layanan pemutih hipoklorit yang mengevaluasi opsi penukar panas, pemilihan material harus didasarkan pada total biaya kepemilikan selama masa pakai yang diharapkan, bukan hanya biaya modal atau kinerja termal. Unit titanium dengan biaya modal yang lebih rendah mungkin memiliki biaya seumur hidup yang lebih tinggi jika memerlukan penggantian yang sering.
Insinyur peralatan dan spesialis pengadaan yang mengevaluasi spesifikasi penukar panas PTFE untuk pemutih hipoklorit atau layanan pengoksidasi lainnya dapat meminta tinjauan desain yang mencakup konsentrasi hipoklorit, suhu pengoperasian, pH, tekanan pengoperasian, dan persyaratan masa pakai untuk memastikan pemilihan material disesuaikan dengan kondisi layanan aktual dan struktur biaya fasilitas.
