폐기 비용 상승과 환경 규제로 인해 금속 가공업체와 화학 가공업체에서는 사용한 산을 회수하고 재활용하고 있습니다. 증류, 확산 투석 또는 멤브레인-기반의-이러한 회수 시스템은-농축되고 종종 뜨거운 산을 분해 없이 처리할 수 있는 열교환기를 필요로 합니다.불소중합체 열교환기 산 회수솔루션, 특히 PTFE와 PFA는 이러한 공정에서 예열, 냉각 및 응축 작업에 필수적입니다.
산 회수 기술 개요
사용한 산세척, 에칭 또는 정제조에서 산을 회수하기 위해 여러 가지 방법이 사용됩니다. 각각은 유체가 공격적이고 종종 온도가 상승하는 열 전달 단계를 포함합니다.
증류(증발 회수)
염산(HCl), 질산(HNO₃) 또는 황산(H2SO₄)과 같은 무기산의 경우 증류를 통해 금속염 및 물에서 산을 분리합니다. 사용된 산을 가열하여 산(또는 공비혼합물에 따라 물)을 기화시킨 다음 다시 응축시켜 정제된 산 흐름으로 만듭니다. 일반적인 단계는 다음과 같습니다.
피드 예열: 차가운 폐산은 뜨거운 바닥 생성물(회수산) 또는 증기와 열교환을 통해 가열됩니다.
끓이기/다시 끓이기: 산은 리보일러에서 끓는점까지 가열됩니다. HCl의 경우 이는 110도에 가깝습니다(20.2% HCl의 공비혼합물은 108.6도에서 끓습니다). 농축된 H2SO₄의 경우 진공 상태에서 온도가 200~300도에 도달할 수 있습니다.
응축: 산성 증기가 냉각되어 다시 액체로 응축됩니다.
확산투석
확산 투석은 이온{0}}교환막을 사용하여 혼합된 산성 금속염 용액에서 유리산을 회수합니다. 이 공정은 일반적으로 주변 온도에서 약간 높은 온도(30~50도)에서 작동됩니다. 열교환기는 다음 용도로 사용됩니다.
확산 속도를 향상시키기 위해 사용한 산을 예열합니다.
회수된 산을 식힌 후 보관하세요.
산성 지연(이온 배제)
산 지연은 금속염을 통과시키면서 산을 흡착하는 수지층을 사용합니다. 그런 다음 산을 물로 대체합니다. 수지 성능을 최적화하려면 온도 제어가 필요한 경우가 많습니다. 열 교환기는 안정적인 온도(20~40도)를 유지하거나 회수된 산을 냉각하는 데 사용될 수 있습니다.
막 전기투석
전기투석은 이온 선택막과 전기장을 사용하여 산을 농축하거나 정제합니다. 전기 저항으로 인해 발생하는 열을 소멸시키기 위해 냉각이 필요한 경우가 많으며, 이러한 냉각 역할을 위해 불소중합체 교환기가 사용됩니다.
각 복구 단계에서 열교환기의 역할
산 회수 플랜트에서 열 교환기는 공비 혼합물과 증기상을 포함하여 처리되는 산의 전체 농도와 온도 범위를 견뎌야 합니다.
예열 피드 산
증류탑이나 투석 스택에 들어가기 전에 에너지 소비를 줄이기 위해 사용한 산을 예열하는 경우가 많습니다. 쉘 앤 튜브 또는 침지 코일 열교환기는 회수된 뜨거운 산(또는 저압 증기)의 열을 차가운 공급물로 전달합니다. 교환기의 양쪽에는 부식성 산이 포함되어 있을 수 있습니다. PTFE 또는 PFA 튜브가 사용되며 산은 튜브 내부 또는 쉘 측면에서 흐릅니다(쉘에도 불소중합체가 늘어서 있는 경우).
리보일러 가열
증류에서 리보일러는 산을 기화시키기 위한 열을 제공합니다. 이것이 가장 엄중한 의무입니다. HCl 회수의 경우 리보일러 온도는 일반적으로 PTFE의 안전한 연속 범위 내에서 100~110도입니다. H2SO₄ 농도의 경우 더 높은 온도(진공 하에서 최대 180도)에는 더 높은 융점(305도)과 더 나은 크리프 저항성을 갖는 PFA가 필요합니다. 불소중합체 리보일러는 산성 배수조에 직접 담그는 침지 코일 유형이거나, 쉘 측면에 증기가 있고 PTFE 또는 PFA 튜브 내부에 산이 끓는 수직 쉘 앤 튜브 설계인 경우가 많습니다.
콘덴서 냉각
증류탑을 떠나는 산성 증기는 회수된 액체 산으로 응축됩니다. 콘덴서는 일반적으로 한쪽에는 냉각수가 있고 튜브 쪽에는 산성 증기가 있는 쉘 앤 튜브 교환기입니다(냉각수가 제품으로 누출되는 것을 방지하기 위해). 응축된 산은 고농축되고 뜨겁습니다. PTFE는 액체뿐만 아니라 증기상에도 저항합니다. 들러붙지 않는 표면은 이월될 수 있는 중합 불순물이나 금속염으로 인한 오염을 방지합니다.
회수된 산의 냉각
보관 또는 재사용 전에 회수된 산은 종종 주변 온도로 냉각됩니다. PTFE 또는 PFA 냉각기가 일반적으로 쉘 측에 냉각수를, 튜브에 산을 사용하여 사용됩니다. 이 의무는 덜 심각하지만 여전히 완전한 내화학성을 요구합니다.
산 회수를 위해 불소중합체를 선택한 이유
여러 가지 요인으로 인해 PTFE와 PFA가 산 재활용 시스템의 열 교환기에 선호되는 재료가 되었습니다.
전체 농도 범위에 대한 저항
일반적으로 회수된 산은 다음과 같습니다.
염산(HCl)– 강철 산세척에서. PTFE는 희석에서 공비(20.2%)까지 모든 농도와 심지어 농축된 HCl 가스까지 온도 한계까지 견딜 수 있습니다.
황산(H₂SO₄) – from battery acid recycling or metal finishing. PTFE resists all concentrations from dilute to concentrated (98%) at moderate temperatures. For high‑temperature concentration (>150도), PFA가 필요합니다.
질산(HNO₃)– 스테인리스강 산세척에서. PTFE는 최대 110도까지의 온도에서 발연 질산을 포함한 모든 농도에 저항합니다.
혼합산– 예: HF‑HNO₃(스테인리스 강 산세척) 또는 H₂SO₄‑HNO₃(에칭). 불소중합체는 모든 조합에 대해 불활성입니다.
어떤 금속이나 합금도 이러한 보편적인 호환성과 일치할 수 없습니다. 스테인리스강은 HCl에서 빠르게 파손됩니다. 티타늄은 HF의 공격을 받습니다. 하스텔로이는 일부 산에 저항할 수 있지만 비용이 많이 들고 여전히 특정 조건에 취약합니다.
증기상에 대한 저항성
증류 시스템에는 액체 산뿐만 아니라 뜨거운 산 증기도 포함되는데, 이는 종종 더 농축되거나 공비 성분을 포함하기 때문에 액체보다 훨씬 더 부식성이 있을 수 있습니다. PTFE와 PFA는 증기상과 액체상에 대한 저항력이 동일합니다. 대조적으로, 흑연 열 교환기는 증기상 산화 또는 수지 분해로 어려움을 겪을 수 있습니다.
오염 제어를 위한 비점착 표면
사용된 산에는 종종 금속염(예: 염화제1철, 황산제2철, 질산니켈)이 포함되어 있습니다. 가열되면 이러한 염이 열 교환기 표면에 침전되거나 스케일을 형성할 수 있습니다. PTFE는 표면에너지가 낮아 접착력이 강하지 않습니다. 형성된 스케일은 헹굼이나 약산성 세척으로 쉽게 제거됩니다. 금속 교환기는 패시베이션 층을 손상시키는 공격적인 기계적 또는 화학적 세척이 필요합니다.
금속 이온 오염 없음
산 회수의 목표는 재사용에 적합한 깨끗한 산을 생산하는 것입니다. 열 교환기가 금속 이온(예: 철, 크롬, 니켈)을 침출하는 경우 해당 이온은 회수된 산을 오염시키고 산을 재사용할 때 공정을 방해할 수 있습니다. 불소중합체 교환기는 금속 이온을 도입하지 않아 산 순도를 보존합니다.
산성 회수의 일반적인 교환기 구성
| 구성 | 설명 | 일반적인 의무 |
|---|---|---|
| 침지코일 | 산성 탱크에 담긴 PTFE 또는 PFA 코일; 튜브 내부의 가열/냉각 유체 | 예열, 재가열, 냉각 |
| 쉘 앤 튜브(전체 불소중합체) | PTFE 튜브 시트가 있는 PTFE 튜브; PTFE 또는 고무로 라이닝된 금속 쉘 | 응축, 예열, 냉각 |
| 쉘 앤 튜브(불소중합체 튜브, 금속 쉘) | PTFE 튜브의 산; 쉘 측의 유틸리티 유체. 쉘 재료는 유틸리티 유체와만 호환되어야 합니다. | 예열, 냉각(유틸리티가 부식성이 없는 경우) |
| 플레이트 앤 프레임(불소중합체) | 라이닝 또는 솔리드 PTFE 플레이트; 덜 일반적이지만 사용 가능 | 저압 냉각 업무 |
재료 선택 참고 사항: 산 회수 시나리오에 대한 PTFE와 PFA 비교
PTFE와 PFA는 모두 화학적으로 동일하며(과불화) 동일한 뛰어난 내식성을 제공합니다. 이들 사이의 선택은 기계적 및 열적 요구 사항에 따라 달라집니다.
| 재산 | PTFE | PFA |
|---|---|---|
| 연속 사용 온도(열교환기 서비스) | ~110도(압력 하에서의 크리프에 의해 제한됨) | ~180도 |
| 녹는점 | 327도 | 305도 |
| 유연성 | 더 유연하고 코일링이 더 쉽습니다. | 더욱 견고하고 치수 안정성이 향상됨 |
| 증기 저항 | 보통(반복적인 증기 순환으로 크리프가 발생할 수 있음) | 좋음(증기 멸균 시스템에 사용됨) |
| 비용 | 낮추다 | 더 높은 |
| 일반적인 산 회수 애플리케이션 | HCl 증류(110도 리보일러), 확산 투석 예열기, 응축기 | H₂SO₄ 농도(진공 하에서 150~180도), 고온 스트리핑 |
선정기준:
서비스 온도가 지속적으로 110도 미만인 경우(대부분의 HCl, HNO₃ 및 혼합산 회수율) PTFE가 비용 효율적인 선택입니다.
110도에서 180도 사이의 온도(예: 진공 하의 황산 농도 또는 특정 유기산 정제)의 경우 PFA가 필요합니다.
매우 높은 온도(180도 이상)의 경우 유리, 탄화규소 또는 탄탈륨이 필요할 수 있지만 금속 마감에서 산을 회수하는 경우 이러한 온도는 거의 없습니다.
사례 예: 철강 산세에서 HCl 회수
강철 산세척 라인은 사용된 HCl(150~200g/L FeCl2의 5~10% HCl)을 생성합니다. 산은 증류 회수 공장으로 보내집니다. 시스템에는 다음이 포함됩니다.
피드 예열기: 사용된 공급물을 주변 온도에서 80도로 예열하기 위해 뜨거운 회수된 산(90도)을 사용하는 PTFE 쉘 앤 튜브 교환기입니다.
리보일러: 저압 증기(120도)로 가열되는 PTFE 침지 코일 번들입니다. 코일은 끓는 HCl 배수통(108도)에 잠겨 있습니다. PTFE는 5~10년 동안 이 의무를 견뎌냅니다.
콘덴서: 쉘 측에 냉각수가 있고 PTFE 튜브 내부에 HCl 증기(108도에서 40도까지 응축)가 있는 PTFE 쉘 앤 튜브 교환기입니다.
제품 쿨러: 회수된 18% HCl을 40도에서 상온으로 냉각시키는 PTFE 침지 코일.
모든 교환기는 견고한 PTFE 튜브와 PTFE 튜브 시트로 구성됩니다. 이 공장은 8년 동안 운영된 동안 부식 관련 고장이 전혀 발생하지 않았다고 보고했습니다.
산 회수 시 불소중합체 교환기의 유지보수 및 세척
정기적인 유지 관리는 간단합니다.
기계적 손상 검사: PTFE 튜브는 단단하지만 날카로운 모서리에 의해 절단될 수 있습니다. 쉘 앤 튜브 설계에서는 손상된 튜브를 개별적으로 교체할 수 있습니다.
스케일 침전물 제거: 산성 측에 금속염 스케일(예: FeCl2·4H2O)이 형성되면 수용성인 경우가 많으므로 헹궈낼 수 있습니다. 완고한 스케일은 PTFE에 해를 끼치지 않고 묽은 산(예: 5% HCl)으로 용해됩니다.
증기측 스케일링 확인: 열매체측(증기 또는 온수)에서는 수질이 좋지 않을 경우 스케일이 발생할 수 있습니다. 이는 표준 석회질 제거제로 제거됩니다. PTFE는 영향을 받지 않습니다.
부동태화 또는 부식 허용 검사는 필요하지 않습니다.
결론
불소중합체 열 교환기는 산 재활용 시스템에서 효율적이고 부식 없는 열 전달을 가능하게 합니다. 증류탑으로 공급되는 산을 예열하거나, HCl 회수를 위한 재비등 기능을 제공하거나, 정제된 산을 응축 및 냉각하는 경우에도 PTFE 및 PFA 교환기는 HCl, H2SO₄ 및 HNO₃와 같은 공격적인 산의 전체 농도 및 온도 범위를 견딥니다. 달라붙지 않는 표면은 오염을 방지하고 회수된 산에 금속 이온을 도입하지 않습니다. 저온 작업(110도 미만)의 경우 PTFE가 선택되는 재료입니다. 고온 공정(최대 180도)의 경우 PFA가 선택됩니다. 지속 가능한 제조는 내구성이 있고 화학적으로 불활성인 장비에 의존합니다.불소중합체 열 교환기 산 회수시스템은 전 세계 금속 마감 및 화학 재활용 공장에서 입증된 표준이 되었습니다.
