Све већи трошкови одлагања и еколошки прописи подстичу финишере метала и хемијске прерађиваче да поврате и рециклирају истрошене киселине. Ови системи за опоравак-било да су дестилација, дифузиона дијализа или мембрански-базирани-захтевају измењиваче топлоте који могу да поднесу концентроване, често вруће, киселине без деградације.Рекуперација киселине из размењивача топлоте флуорополимерарешења, посебно ПТФЕ и ПФА, постала су неопходна за предгревање, хлађење и кондензацију у таквим процесима.
Преглед технологија опоравка киселине
Неколико метода се користи за обнављање киселина из истрошених купки за кисељење, јеткање или рафинацију. Сваки укључује кораке преноса топлоте где је течност агресивна и често на повишеним температурама.
Дестилација (испаравање)
За минералне киселине као што су хлороводонична (ХЦл), азотна (ХНО₃) или сумпорна (Х₂СО₄), дестилацијом се киселина одваја од соли метала и воде. Потрошена киселина се загрева да испари киселину (или воду, у зависности од азеотропа), а затим кондензује назад у струју пречишћене киселине. Типични кораци укључују:
Претходно загревање хране: Хладна истрошена киселина се загрева разменом топлоте са производом врућег дна (рекуперована киселина) или са паром.
Кување/поновно кључање: Киселина се загрева до тачке кључања у бојлеру. За ХЦл, ово је близу 110 степени (азеотроп на 20,2% ХЦл кључа на 108,6 степени). За концентровани Х₂СО₄, температуре могу достићи 200–300 степени под вакуумом.
Кондензација: Паре киселине се хладе и кондензују назад у течност.
Дифузиона дијализа
Дифузиона дијализа користи мембране за јонску{0}}имену за обнављање слободне киселине из мешаних раствора соли киселина и метала. Процес обично ради на амбијенталним до благо повишеним температурама (30-50 степени). Измењивачи топлоте се користе за:
Претходно загрејте истрошену киселину да бисте побољшали брзину дифузије.
Охладите добијену киселину пре складиштења.
Ретардација киселине (искључење јона)
Успоравање киселине користи слој смоле који адсорбује киселину док дозвољава солима метала да прођу. Киселина се затим замењује водом. Контрола температуре је често потребна за оптимизацију перформанси смоле. Измењивачи топлоте се могу користити за одржавање стабилне температуре (20-40 степени) или за хлађење обновљене киселине.
Мембранска електродијализа
Електродијализа користи јоноселективне мембране и електрично поље за концентрисање или пречишћавање киселина. Често је потребно хлађење да би се распршила топлота произведена електричним отпором, а за ову функцију хлађења користе се измењивачи флуорополимера.
Улога измењивача топлоте у сваком кораку опоравка
У постројењима за регенерацију киселине, измењивач топлоте мора да издржи пуну концентрацију и температурни опсег киселине која се обрађује, укључујући азеотропне смеше и парне фазе.
Киселина за предгревање
Пре уласка у колону за дестилацију или дијализну стацку, истрошена киселина се често претходно загрева да би се смањила потрошња енергије. Измењивач топлоте са шкољком и цевима или имерзионим намотајем преноси топлоту од топле регенерисане киселине (или од паре ниског притиска) на хладно напајање. Обе стране измењивача могу садржати корозивну киселину. Користе се ПТФЕ или ПФА цеви, при чему киселина тече или унутар цеви или на страни омотача (ако је шкољка такође обложена флуорополимером).
Ребоилер Хеатинг
У дестилацији, ребоилер обезбеђује топлоту за испаравање киселине. Ово је најтежа дужност. За рекуперацију ХЦл, температуре ребоилер-а су обично 100–110 степени, унутар безбедног континуираног опсега за ПТФЕ. За концентрацију Х₂СО₄, више температуре (до 180 степени под вакуумом) захтевају ПФА, који има вишу тачку топљења (305 степени) и бољу отпорност на пузање. Флуорополимерни ребоилери су често типа урањајућих намотаја, потопљени директно у резервоар за киселину, или су вертикални дизајн шкољке и цеви са паром на страни кућишта и киселином која кључа унутар ПТФЕ или ПФА цеви.
Хлађење кондензатора
Паре киселине које излазе из колоне за дестилацију кондензују се у течну рекуперирану киселину. Кондензатор је обично измењивач шкољке и цеви са расхладном водом на једној страни и киселим испарењима на страни цеви (да би се спречило цурење воде за хлађење у производ). Кондензујућа киселина је високо концентрована и врућа. ПТФЕ је отпоран на парну фазу као и на течност. Нелепљива површина спречава запрљавање од било каквих полимеризованих нечистоћа или металних соли које се могу пренети.
Хлађење регенерисане киселине
Пре складиштења или поновне употребе, добијена киселина се често хлади на собну температуру. Користи се ПТФЕ или ПФА хладњак, обично са расхладном водом на страни кућишта и киселином у цевима. Ова обавеза је мање строга, али и даље захтева пуну хемијску отпорност.
Зашто су флуорополимери изабрани за опоравак киселине
Неколико фактора чини ПТФЕ и ПФА пожељним материјалима за измењиваче топлоте у системима за рециклажу киселина.
Отпорност на пуни опсег концентрације
Уобичајене опорављене киселине укључују:
хлороводонична киселина (ХЦл)– од кисељења челика. ПТФЕ је отпоран на све концентрације од разблаженог до азеотропног (20,2%), па чак и концентрованог ХЦл гаса, све до своје температурне границе.
сумпорна киселина (Х₂СО₄) – from battery acid recycling or metal finishing. PTFE resists all concentrations from dilute to concentrated (98%) at moderate temperatures. For high‑temperature concentration (>150 степени), потребан је ПФА.
Азотна киселина (ХНО₃)– од нерђајућег челика. ПТФЕ отпоран на све концентрације, чак и димајућу азотну киселину, на температурама до 110 степени.
Мешане киселине– на пример, ХФ‑ХНО₃ (декапирање нерђајућег челика) или Х₂СО₄‑ХНО₃ (јеткање). Флуорополимери су инертни на све комбинације.
Ниједан метал или легура не може да парира овој универзалној компатибилности. Нерђајући челик брзо пропада у ХЦл; титанијум је нападнут ХФ; Хастеллои може издржати неке киселине, али је скуп и још увек подложан одређеним условима.
Отпорност на парну фазу
Дестилациони системи укључују не само течну киселину већ и вруће киселе паре, које могу бити чак и корозивније од течности јер су често концентрисаније или садрже азеотропне композиције. ПТФЕ и ПФА су подједнако отпорни на парне и течне фазе. Насупрот томе, графитни измењивачи топлоте могу да пате од оксидације у парној фази или деградације смоле.
Нелепљива површина за контролу прљања
Истрошене киселине често садрже соли метала (нпр. гвожђе хлорид, гвожђе сулфат, никл нитрат). Када се загреју, ове соли могу таложити или формирати љуске на површинама измењивача топлоте. Ниска површинска енергија ПТФЕ-а спречава јаку адхезију. Каменице које се формирају лако се уклањају испирањем или благим чишћењем киселином. Измењивачи метала би захтевали агресивно механичко или хемијско чишћење које оштећује пасивне слојеве.
Нема контаминације металним јонима
У обнављању киселине, циљ је да се произведе чиста киселина погодна за поновну употребу. Ако измењивач топлоте испира јоне метала (нпр. гвожђе, хром, никл), ти јони ће контаминирати обновљену киселину и могу ометати процес када се киселина поново користи. Флуорополимер размењивачи не уносе металне јоне, чувајући чистоћу киселине.
Типичне конфигурације измењивача за опоравак киселине
| Конфигурација | Опис | Типична дужност |
|---|---|---|
| Имерзиони калем | ПТФЕ или ПФА калем потопљен у резервоар за киселину; течност за грејање/хлађење унутар цеви | Претходно загревање, поновно кључање, хлађење |
| шкољка и цев (све флуорополимер) | ПТФЕ цеви са ПТФЕ цевним листовима; метална шкољка обложена ПТФЕ или гумом | Кондензација, предгревање, хлађење |
| шкољка и цев (флуорополимерне цеви, метални омотач) | Киселина у ПТФЕ цевима; помоћна течност на страни шкољке. Материјал љуске мора бити компатибилан само са комуналном течношћу | Претходно загревање, хлађење (ако уређај није корозиван) |
| Плоча и оквир (флуорополимер) | Обложене или чврсте ПТФЕ плоче; мање уобичајено, али доступно | Дужности хлађења под ниским притиском |
Напомена о избору материјала: ПТФЕ наспрам ПФА за сценарије опоравка киселине
И ПТФЕ и ПФА су хемијски идентични (перфлуоровани) и нуде исту изузетну отпорност на корозију. Избор између њих зависи од механичких и термичких захтева.
| Имовина | ПТФЕ | ПФА |
|---|---|---|
| Температура континуиране употребе (сервис размењивача топлоте) | ~110 степени (ограничено пузањем под притиском) | ~180 степени |
| Тачка топљења | 327 степени | 305 степени |
| Флексибилност | Флексибилнији, лакши за намотавање | Чвршће, боља стабилност димензија |
| Отпорност на пару | Умерено (пузање се може јавити при поновљеном циклусу паре) | Добар (користи се у системима стерилисаним паром) |
| Цост | Ниже | Више |
| Типичне апликације за опоравак киселине | ХЦл дестилација (ребоилер на 110 степени), дифузиони дијализни предгрејачи, кондензатори | Концентрација Х₂СО₄ (150–180 степени под вакуумом), уклањање високе температуре |
Смерница за избор:
За радне температуре константно испод 110 степени (већина ХЦл, ХНО₃ и мешовити регенерација киселина), ПТФЕ је исплатив избор.
За температуре између 110 и 180 степени (нпр. концентрација сумпорне киселине под вакуумом или одређена пречишћавања органском киселином), ПФА је неопходан.
За веома високе температуре (изнад 180 степени), стакло, силицијум карбид или тантал могу бити потребни, али такве температуре су ретке код опоравка киселине од завршне обраде метала.
Пример случаја: добијање ХЦл из кисељења челика
Линија за кисељење челика ствара истрошени ХЦл (5–10% ХЦл са 150–200 г/Л ФеЦл₂). Киселина се шаље у постројење за опоравак дестилацијом. Систем укључује:
Предгрејач хране: ПТФЕ измењивач омотача и цеви који користи врућу рекуперирану киселину (90 степени) за претходно загревање истрошене хране од амбијенталне до 80 степени.
Ребоилер: ПТФЕ имерзиони сноп намотаја загрејан паром ниског притиска (120 степени). Завојница је потопљена у кључао ХЦл резервоар (108 степени). ПТФЕ издржава ову дужност 5-10 година.
Кондензатор: ПТФЕ измењивач омотача и цеви са расхладном водом на страни кућишта и парама ХЦл (108 степени кондензације на 40 степени) унутар ПТФЕ цеви.
Хладњак производа: ПТФЕ имерзиони калем који хлади прикупљених 18% ХЦл од 40 степени до амбијенталне.
Сви измењивачи су направљени од чврстих ПТФЕ цеви и ПТФЕ цевних листова. Фабрика не извештава о кваровима у вези са корозијом током осам година рада.
Одржавање и чишћење флуорополимерних измењивача у рекуперацији киселине
Редовно одржавање је једноставно:
Проверите да ли има механичких оштећења: ПТФЕ цеви су чврсте, али се могу сећи оштрим ивицама. Свака оштећена цев може се појединачно заменити у дизајну шкољке и цеви.
Уклоните наслаге каменца: Ако се на киселој страни формирају соли метала (нпр. ФеЦл₂·4Х₂О), оне су често растворљиве у води и могу се испрати. Упорне љуске се растварају разблаженом киселином (нпр. 5% ХЦл) без оштећења ПТФЕ.
Проверите да ли постоји каменац на страни паре: На страни медијума за грејање (пара или топла вода) може да се створи каменац ако је квалитет воде лош. Ово се уклања стандардним средствима за уклањање каменца; ПТФЕ није погођен.
Није потребна контрола пасивизације или корозије.
Закључак
Флуорополимерни размењивачи топлоте омогућавају ефикасан пренос топлоте без корозије у системима за рециклажу киселина. Без обзира да ли се претходно загревају напојне киселине у дестилационој колони, обезбеђују поновно кључање за опоравак ХЦл, или кондензују и хладе пречишћене киселине, измењивачи ПТФЕ и ПФА издржавају пуну концентрацију и температурни опсег агресивних киселина као што су ХЦл, Х₂СО₄ и ХНО₃. Њихове нелепљиве површине отпорне су на прљање и не уносе металне јоне у регенерисану киселину. За рад на нижим температурама (испод 110 степени), ПТФЕ је материјал избора; за процесе са вишим температурама (до 180 степени), се бира ПФА. Одржива производња се ослања на издржљиву, хемијски инертну опрему, ифлуорополимер измењивач топлоте рекуперација киселинесистеми су постали доказани стандард у постројењима за завршну обраду метала и хемијску рециклажу широм света.
