ตัวแลกเปลี่ยน PTFE ใช้\\การควบแน่นของไอกรดจากกระบวนการดองโลหะอย่างไร

สายการดองเหล็กถูกห่อหุ้มด้วยหมอกร้อนของกรดไฮโดรคลอริกหรือกรดซัลฟิวริก ละอองลอยในอากาศเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงสารก่อกวนที่กัดกร่อนเท่านั้น แต่ยังเป็นทรัพยากรเคมีอันมีค่า ที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้และสูญเสียไปกับระบบไอเสีย คอนเดนเซอร์เหนือศีรษะซึ่งตั้งอยู่ในท่อระบายอากาศสามารถจับมลพิษเหล่านี้ได้โดยการเปลี่ยนไอร้อนที่มีฤทธิ์กัดกร่อนกลับไปเป็นกรดของเหลวเข้มข้นที่สะอาด เนื่องจากตัวแลกเปลี่ยนความร้อนในคอนเดนเซอร์นี้ถูกทำให้เปียกโดยสิ่งที่ควบแน่นซึ่งใกล้-กรดเดือด จึงต้องเป็นวัสดุที่ไม่-กัดกร่อน ตัวแลกเปลี่ยนเปลือกและท่อ PTFE เป็นตัวดักสารเคมีในอุดมคติสำหรับละอองกรดอันล้ำค่านี้

ต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจของไอกรดดอง
การดองโลหะเป็นขั้นตอนการรักษาพื้นผิวที่ใช้ในการขจัดตะกรัน สนิม หรือออกไซด์ออกจากเหล็ก สแตนเลส ทองแดง และโลหะอื่นๆ ชิ้นงานจะถูกจุ่มลงในอ่างกรดเข้มข้นที่ร้อน-โดยทั่วไปคือกรดไฮโดรคลอริก (HCl) ที่ 60–80 องศา หรือกรดซัลฟิวริก (H 2 SO 4 ) ที่ 80–95 องศา ในระหว่างการดอง ไอระเหยของกรดจะถูกปล่อยออกจากพื้นผิวของอ่าง พร้อมกับสเปรย์สารละลายร้อนบางๆ ไอระเหยเหล่านี้คือ:

มีฤทธิ์กัดกร่อน: ทำให้โครงสร้างอาคาร ท่อระบายอากาศ พัดลม และอุปกรณ์ในบริเวณใกล้เคียงเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว

เป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์: ไอกรดจะทำให้ระบบทางเดินหายใจระคายเคือง และทำให้เกิดความเสียหายต่อปอดในระยะยาว-

การสูญเสียทางเศรษฐกิจ: กรดระเหยคือการสูญเสียรีเอเจนต์ราคาแพงซึ่งอาจนำกลับมาใช้ใหม่ได้

ความท้าทายในการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม หมอกกรดได้รับการควบคุมในเขตอำนาจศาลหลายแห่ง และจำเป็นต้องมีเครื่องฟอกหรือการบำบัดแบบกองที่มีราคาแพง

ในการควบคุมไอกรดแบบเดิมๆ จะใช้เครื่องฟอกแบบเปียก (อาคารบรรจุ) ที่ฉีดน้ำหรือสารละลายอัลคาไลน์เข้าไปในกระแสไอเสีย เครื่องขัดพื้นทำหน้าที่กำจัดกรดได้ดีแต่จะผลิตน้ำเสียเจือจางจำนวนมาก ซึ่งจำเป็นต้องทำให้เป็นกลางก่อนระบายออก ตัวกรดเองจะไม่ถูกเรียกคืน วิธีที่หรูหรากว่าคือการควบแน่นไอโดยตรง เพื่อนำกระแสกรดที่มีความเข้มข้นกลับมาใช้ซ้ำได้

เครื่องแลกเปลี่ยน PTFE ดึงกรดและควบแน่นไอกรดได้อย่างไร
ระบบควบแน่นด้วยไอระเหยโลหะของเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE ตั้งอยู่ในท่อระบายไอเสียเหนือถังดองหรือในหอควบแน่นแบบพิเศษ กระแสไอร้อนที่มีฤทธิ์เป็นกรดจะถูกดึงผ่านด้านเปลือกของเปลือก PTFE และตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อด้วยน้ำหล่อเย็นในท่อ PTFE น้ำหล่อเย็นได้รับการปรับอย่างระมัดระวังเพื่อให้อุณหภูมิไอต่ำกว่าจุดน้ำค้างของกรด

กลไกการควบแน่น
ไอร้อนจะเย็นลงอย่างรวดเร็วเมื่อกระทบกับพื้นผิวท่อ PTFE เย็น ไอกรด (HCl หรือ H 2 SO 4 รวมถึงไอน้ำ) ควบแน่นจนเกิดเป็นหยดของเหลวบนพื้นผิวท่อ ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอจะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการควบแน่นและถูกดูดซับโดยน้ำหล่อเย็น ท่อ PTFE นั้นเฉื่อยต่อกรดควบแน่นอย่างแน่นอน ไม่ว่าจะเป็นกรดไฮโดรคลอริกที่มีความเข้มข้นสูง (มากถึง 35%) หรือกรดซัลฟิวริกที่ทรงพลัง

ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือพื้นผิว PTFE ที่เรียบและมีพลังงานต่ำ หยดกรดที่ควบแน่นจะไม่กระจายตัวเป็นแผ่นฟิล์ม แต่จะกระจายตัวเป็นหยดที่แยกออกจากกัน หยดเหล่านี้จะพัฒนาเป็นขนาดที่แรงโน้มถ่วงเข้าครอบงำ พื้นผิว PTFE ระบายน้ำได้เอง- ดังนั้นจึงไม่มีชั้นของเหลวที่เป็นฉนวนหนักสะสมเพื่อลดการถ่ายเทความร้อน กรดซึ่งขณะนี้ถูกควบแน่นจะไหลตามแรงโน้มถ่วงไปยังบ่อรวบรวมที่ด้านล่างของคอนเดนเซอร์ ซึ่งสามารถต่อท่อกลับไปยังอ่างดองหรือถังเก็บเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ได้

คอนเดนเซอร์ PTFE เป็นกับดักพลาสติกเฉื่อยเย็นที่จะจับหยดกรดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอันมีค่าออกจากอากาศและเปลี่ยนกลับเป็นของเหลวที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้บริสุทธิ์

การควบแน่นสอง-เพื่อการฟื้นฟูที่เหมาะสมที่สุด
ในการดำเนินการดองหลายๆ ครั้ง ไอไอเสียจะมีทั้งกรดและไอน้ำอยู่ด้วย จุดน้ำค้างของส่วนผสมกรดขึ้นอยู่กับความเข้มข้นและอุณหภูมิ ระบบควบแน่นมักเป็นกระบวนการสอง-ขั้นตอน:

ขั้นตอนแรก (อุณหภูมิที่สูงขึ้น): ไอจะถูกทำให้เย็นลงจนมีอุณหภูมิเหนือจุดน้ำค้างของน้ำ แต่ต่ำกว่าอุณหภูมิของกรด ซึ่งจะทำให้ส่วนประกอบของกรดส่วนใหญ่ควบแน่น สิ่งนี้ให้กระแสกรดที่มีความเข้มข้นและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ (เช่น. 15-20% HCl)

ขั้นตอนที่สอง (อุณหภูมิต่ำกว่า) ไอที่เหลืออยู่จะถูกทำให้เย็นลงอีกเพื่อควบแน่นน้ำด้วยกรดที่เหลือ สิ่งนี้ทำให้เกิดกระแสเจือจางซึ่งสามารถส่งไปยังเครื่องฟอกหรือทำให้เป็นกลางได้

สามารถกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยน PTFE สำหรับขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งได้ ขั้นตอนแรกมักจะต้องใช้น้ำหล่อเย็นอุณหภูมิแวดล้อมเท่านั้น (20 ถึง 30 องศา) ขั้นตอนที่สองอาจต้องใช้น้ำเย็น (5 ถึง 10 องศาเซลเซียส)

การวางแนวและการจัดเรียงการไหล
ตัวแลกเปลี่ยน PTFE ติดตั้งในแนวตั้งโดยมีไอระเหยไหลลงมาที่ด้านข้างของเปลือก (หรือขึ้นไปที่ด้านข้างของเปลือกโดยมีทางระบายน้ำที่เหมาะสม) เพื่อการควบแน่นและการระบายน้ำที่เพียงพอ ท่อ PTFE อยู่ในตำแหน่งแนวตั้ง น้ำหล่อเย็นไหลผ่านท่อ ในหนึ่งรอบหรือหลาย-ผ่าน กรดเข้มข้นจะถูกนำมาจากด้านล่างของเปลือกและลงในถังเก็บ

คุณสมบัติการออกแบบที่สำคัญคือ:

ท่อแนวตั้งเพื่อการระบายน้ำหยดที่ดีขึ้นและการกักเก็บของเหลวน้อยลง

พื้นผิว PTFE เรียบไม่มีครีบหรือแผ่นกั้นที่ซับซ้อนเพื่อดักจับของเหลว

ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ (ปกติ ID 6-12 มม.) เพื่อลดการสูญเสียแรงดันและป้องกันการอุดตันจากอนุภาคของแข็ง

แผ่นกั้นด้านข้างสำหรับการไหลข้ามหรือการไหลแบบขนาน ออกแบบมาเพื่อป้องกันโซนที่อยู่นิ่งซึ่งกรดสามารถสะสมได้

เครื่องแลกเปลี่ยนควรติดตั้งโดยมีความลาดเอียงลงเล็กน้อย (หากเป็นแนวนอน) หรือแนวตั้ง เพื่อให้แน่ใจว่าคอนเดนเสทระบายออกทั้งหมด จุดต่ำใดๆ ที่ของเหลวสะสมอยู่ซึ่งอาจนำไปสู่การกัดกร่อนเฉพาะที่ของวัสดุที่ไม่ใช่-PTFE (เช่น เปลือกหรือหน้าแปลน) และลดประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน

หมายเหตุเกี่ยวกับกระบวนการ: เหตุใดเครื่องกำจัดหมอกต้นน้ำจึงมีความสำคัญ
ไอเสียจากการดองดิบไม่เพียงแต่ประกอบด้วยไอระเหยเท่านั้น แต่ยังมีหยดของเหลวขนาดใหญ่ (ที่พัดมาจากอ่าง) และอนุภาคละเอียด (เกลือของเหล็ก, สนิมละเอียด) หากหยดและอนุภาคเหล่านี้ทะลุคอนเดนเซอร์ PTFE พวกเขาสามารถ:

สะสมบนพื้นผิวของท่อและสร้างเปลือกโลกที่หุ้มท่อและลดการถ่ายเทความร้อน

ปิดกั้นช่องว่างเล็กๆ ระหว่างท่อหรือในท่อระบายน้ำด้านล่าง

กรดที่เป็นพิษกลับคืนมาด้วยไอออนของโลหะ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้สำหรับการดองระดับสูงได้อีกต่อไป

นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมเครื่องกำจัดละอองน้ำที่ออกแบบมาอย่างถูกต้อง (หรือที่เรียกว่าระบบไล่ฝ้าหรือแผ่นตาข่าย) จึงถูกวางไว้ที่ต้นน้ำของเครื่องแลกเปลี่ยน PTFE เครื่องกำจัดหมอกมักจะเป็นแผ่นลวดตาข่ายถัก (โพลีโพรพีลีน, PTFE หรือ Hastelloy สำหรับความต้านทานการกัดกร่อน) หรือชุดเครื่องแยกใบพัดรูปตัววี ใช้เวลาไป:

หยดที่มีขนาดใหญ่กว่า 5–10 µm (แผ่นตาข่าย) หรือ 10–20 µm (บั้ง)

หยดของเหลวที่บรรทุกของแข็ง

เครื่องกำจัดหมอกจะถูกทำความสะอาดเป็นครั้งคราวโดยการพ่นน้ำหรือไอน้ำเพื่อป้องกันการตาบอด กระแสไอหลังจากเครื่องกำจัดหมอกเป็นเพียงหยดเล็กๆ และไอจริง และสามารถทนได้โดยไม่เกิดการเปรอะเปื้อนด้วยคอนเดนเซอร์ PTFE

สำหรับสายการดองที่มีปริมาณอนุภาคจำนวนมาก (เช่น การดองด้วยเหล็กกล้าคาร์บอน) อาจติดตั้งเครื่องตกตะกอนไฟฟ้าสถิตแบบเปียกหรือเครื่องฟอกเวนทูริไว้ที่ต้นน้ำของคอนเดนเซอร์เพื่อกำจัดอนุภาคขนาดต่ำกว่าไมครอน อย่างไรก็ตาม พวกมันมีราคาแพงกว่าและไม่แพร่หลายเท่ากับแผ่นตาข่ายธรรมดา

หมายเหตุทางเทคนิค: การกัดกร่อนของคอนเดนเสทที่จุดน้ำค้าง
กรดควบแน่นจะมีความเข้มข้นมากที่สุดที่จุดน้ำค้าง คอนเดนเสทแรกจากไอผสมกรดและน้ำที่ให้ความร้อนจะมีกรดอยู่สูงเมื่อเทียบกับกรดในอ่างปริมาณมาก ตัวอย่างเช่น สารละลาย HCl 10% ในอ่างสามารถให้คอนเดนเสทที่จุดน้ำค้าง 20-HCl 25% กรดเข้มข้นนี้มีฤทธิ์กัดกร่อนมากกับโลหะส่วนใหญ่ แม้กระทั่งกับโลหะผสมสูง- สแตนเลสและโลหะผสมที่มีนิกเกิลบางชนิด PTFE ไม่ได้รับผลกระทบโดยสิ้นเชิง

นอกจากนี้กระบวนการควบแน่นยังคายความร้อนอีกด้วย การปล่อยความร้อนแฝงสามารถทำความร้อนให้กับน้ำหล่อเย็นและเพิ่มอุณหภูมิพื้นผิวท่อได้ การควบแน่นจะหยุดลงเมื่ออุณหภูมิพื้นผิวท่อสูงกว่าจุดน้ำค้าง ดังนั้นอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นควรสูงพอที่จะทำให้พื้นผิวท่ออยู่ต่ำกว่าจุดน้ำค้าง วิธีการทั่วไปคือการควบคุม PID ของวาล์วน้ำหล่อเย็นตามอุณหภูมิไอทางออก

ท่อ PTFE ต้องมีความหนาเพียงพอ (ปกติแล้วจะมีความหนาของผนัง 1–2 มม.) เพื่อที่จะทนทานต่อความแตกต่างของแรงดันของเปลือก-ถึง-ท่อ และรอยขีดข่วนเชิงกลจากหยดที่ตกลงมา แต่ท่อที่หนาขึ้นจะจำกัดการถ่ายเทความร้อน ซึ่งสามารถทำได้โดยการออกแบบการระบายความร้อนอย่างระมัดระวัง โดยทั่วไปจะใช้ท่อหลายท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว

เปรียบเทียบกับวัสดุคอนเดนเซอร์อื่นๆ
ความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุต่อ HCl/H2SO4 ที่ร้อน ต้นทุนการระบายน้ำคอนเดนเสท อายุการใช้งานโดยทั่วไปของ PTFE ดี (ภูมิคุ้มกัน) ดีเยี่ยม (ไม่ติด-) สูง (แต่คืนมูลค่าได้) 10-20 ปี
กราไฟท์ เหมาะสำหรับ HCl ไม่ดีสำหรับกรดออกซิไดซ์ พอใช้ (มีรูพรุนและสามารถดักจับกรดได้) ปานกลาง 3-7 ปี (สามารถแตกหักได้)
แทนทาลัม ดีมากดี (โลหะเรียบเล็กน้อย)สูงมาก 10+ ปี
เหล็กกล้าโลหะผสมสูงแบบจำกัด (การเจาะหลุมใน HCl)- (เช่น Hastelloy C-276) ดี สูง 1 ถึง 3 ปี
แก้วเปราะบาง ทนกรด ดีเยี่ยม (เรียบ) เปราะบางปานกลาง อายุการใช้งานสั้น
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกราไฟต์บางครั้งใช้สำหรับการควบแน่นของ HCl แม้ว่าจะมีรูพรุนและสามารถดูดซับกรดได้ ซึ่งอาจนำไปสู่การย่อยสลายแบบก้าวหน้าและการรั่วไหลในที่สุด แทนทาลัมมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง แต่ก็มีราคาสูงมาก PTFE ให้ความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดของความต้านทานการกัดกร่อน การระบายน้ำที่ไม่ติด- และอายุการใช้งานที่ยาวนานในราคาที่ยุติธรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคำนึงถึงมูลค่าของกรดที่นำกลับมาใช้ใหม่

ข้อได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจ
ประโยชน์ของการติดตั้งคอนเดนเซอร์ PTFE บนสายการดองโลหะสามารถวัดปริมาณได้:

การนำกรดกลับมาใช้ใหม่: โดยปกติแล้ว 80–95% ของไอกรดสามารถควบแน่นและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ สำหรับการดำเนินการดองขนาดใหญ่โดยใช้ HCl 500 ตันต่อปี การนำกรดระเหยกลับมาใช้ใหม่ได้ 10% จะช่วยประหยัดได้ 50 ตันต่อปี

ต้นทุนการทำให้เป็นกลางลดลง กรดไหลไปยังเครื่องฟอกหรือปล่องน้อยลง ช่วยลดการใช้สารเคมีที่ทำให้เป็นกลาง (เช่น NaOH หรือมะนาว)

การกัดกร่อนของท่อไอเสียตอนล่าง การกำจัดไอกรดช่วยให้สามารถใช้วัสดุที่มีราคาถูกลงปลายน้ำในพัดลมและท่อ (เช่น PVC หรือโพรพิลีน เทียบกับโลหะผสมที่แปลกใหม่)

การปฏิบัติตามกฎระเบียบ: การปฏิบัติตามข้อจำกัดการปล่อยก๊าซไอกรดจะง่ายกว่า และหลีกเลี่ยงค่าปรับและการหยุดการผลิต

การนำความร้อนกลับมาใช้ น้ำหล่อเย็นที่ออกจากคอนเดนเซอร์ PTFE จะได้รับความร้อนโดยการคายความร้อนของการควบแน่น (ปกติอุณหภูมิจะสูงขึ้น 10–30 องศา) น้ำร้อนสามารถใช้ทำความร้อนในห้อง อุ่นอ่างดอง หรือข้อกำหนดอื่นๆ ของพืช จึงประหยัดพลังงานเป็นพิเศษ

สรุป: ปัญหามลพิษกลายเป็นการกู้คืนทรัพยากรที่มีกำไร
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE มอบตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด ทนต่อการกัดกร่อน- และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสำหรับการควบแน่นและรวบรวมไอกรดจากการดำเนินการดองโลหะ โดยเปลี่ยนความกังวลเรื่องมลภาวะเป็นการนำทรัพยากรกลับมาสร้างผลกำไร กระแสไอ HCl หรือ H 2 SO 4 ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงจะถูกทำให้เย็นลงเหนือท่อ PTFE จากนั้นกรดจะควบแน่นเป็นหยดของเหลวที่เกาะเป็นเม็ดและระบายออกอย่างอิสระ ทำให้ได้กระแสกรดบริสุทธิ์ที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ตัวแลกเปลี่ยน PTFE ต้านทานการควบแน่นที่มีความเข้มข้นสูงที่จุดน้ำค้าง ซึ่งเป็นบริการที่คอนเดนเซอร์โลหะจะพังในไม่ช้า คอนเดนเซอร์ PTFE เชื่อถือได้มานานหลายทศวรรษด้วยการกำจัดหมอกต้นน้ำที่เพียงพอและการวางแนวในแนวตั้งเพื่อการระบายน้ำอย่างอิสระ การนำตัวทำปฏิกิริยาที่มีค่ากลับคืนมา และลดการปล่อยก๊าซในชั้นบรรยากาศได้อย่างมาก

โรงงานที่ยั่งยืนที่สุดคือโรงงานที่ดูดซับและนำการปล่อยก๊าซเรือนกระจกของตนเองกลับมาใช้ใหม่ ในสายการดองเหล็ก ตัวแลกเปลี่ยน PTFE เป็นตัวป้องกันที่เงียบและมีภูมิคุ้มกันทางเคมี โดยจับหมอกกรด คืนกรดที่นำกลับมาใช้ใหม่ และหยดน้ำที่ควบแน่นทุกหยด จะช่วยระบายความร้อนให้กับรอยประทับทางสิ่งแวดล้อมของโรงงาน