Mišri rūgščių atliekų srautai-azoto, sieros, druskos ir vandenilio fluorido rūgščių deriniai su organinių tirpiklių pėdsakais-suteikia unikalų iššūkį renkantis fluoropolimerinį šildytuvą. Tiek PFA (perfluoralkoksi), tiek PTFE (politetrafluoretilenas) pasižymi išskirtiniu cheminiu atsparumu, tačiau jų veikimas skiriasi mišrioje rūgščių aplinkoje, kurioje vienu metu yra oksiduojančių medžiagų ir vandenilio fluorido rūgšties. PTFE turi šiek tiek didesnį cheminį inertiškumą kambario temperatūroje, o PFA užtikrina didesnį atsparumą prasiskverbimui ir įtempių įtrūkimams, veikiant terminiam ciklui. Inžinieriai, lyginantys dvi medžiagas, skirtas atliekų srauto šildymui, turi įvertinti tris kiekybiškai įvertinamus parametrus: kiekvienos rūgšties rūšies prasiskverbimo per polimerą greitį, medžiagos reakciją į oksiduojančias rūgštis aukštesnėje temperatūroje ir suvirintų arba suformuotų jungčių mechaninį vientisumą, kai jos veikiamos mišriomis rūgštimis.
Pralaidumo skirtumai mišrioje rūgštinėje aplinkoje
PTFE ir PFA turi tą patį anglies{0}}fluoro pagrindą, tačiau PFA sudėtyje yra perfluoralkoksi šoninių grandinių, kurios sumažina kristališkumą ir padidina laisvąjį tūrį. Šis struktūrinis skirtumas turi įtakos pralaidumui. 2,0 mm storio sienai esant 80 laipsnių PTFE azoto rūgšties garams prasiskverbia maždaug 0,8–1,2 g/m²·parą, o PFA leidžia 1,2–1,8 g/m²·parą-40–50 % daugiau. Vandenilio fluorido rūgšties (HF) atveju PTFE prasiskverbimas yra 0,3–0,5 g/m²·per dieną, o PFA – 0,5–0,8 g/m²·per dieną. Mažesnis PFA kristališkumas sukuria daugiau kelių mažoms molekulėms difunduoti per amorfines sritis. Mišrių rūgščių atliekų srautuose didesnis PFA prasiskverbimas lemia greitesnį rūgšties sąlytį su apatine metaline kaitinimo šerdimi, o tai sumažina šildytuvo tarnavimo laiką 20–30%, palyginti su PTFE esant tokio pat storio sienelėms. Tačiau didesnis PTFE kristališkumas susijęs su kompromisu: jis yra jautresnis įtrūkimams, kai yra veikiamas stiprių oksiduojančių rūgščių aukštesnėje nei 100 laipsnių temperatūroje. PFA amorfinės sritys geriau sugeria mechaninį įtempį, todėl yra atsparesnės įtrūkimams dėl terminio ciklo naudojant mišrią rūgštį.
Oksiduojančios rūgšties ataka: našumas aukštoje{0}}temperatūroje
Mišriuose rūgščių atliekų srautuose kartu su kitomis rūgštimis dažnai yra koncentruotos azoto rūgšties (20–40 %). Aukštesnėje nei 90 laipsnių temperatūroje azoto rūgštis veikia kaip stiprus oksidatorius, kuris atakuoja fluorpolimerus, išgaudamas fluoro atomus iš grandinės galų. PTFE, turintis didesnę molekulinę masę ir mažiau grandinės galų viename tūrio vienete, priešinasi šiai atakai šiek tiek geriau nei PFA. Pagreitintas panardinimas 110 laipsnių kampu 30 % azoto rūgštyje rodo, kad PTFE po 2000 valandų praranda 0,5–1,0 % savo masės, o PFA – 1,5–2,5 %. Skirtumas tampa esminis, kai atliekų sraute taip pat yra vandenilio fluorido rūgšties. HF katalizuoja oksidacinį skaidymą, padidindamas atotrūkį. Imituotame atliekų sraute, kuriame yra 15 % HNO₃ + 5 % HF 90 laipsnių temperatūroje, PTFE šildytuvų paviršius įtrūko po 3500 valandų, o PFA šildytuvai įtrūko po 2200 valandų. Atliekoms, veikiančioms virš 100 laipsnių, PTFE suteikia išmatuojamą eksploatavimo trukmės pranašumą.
Suvirinimo vientisumas ir jungčių našumas
Daugumai panardinamųjų šildytuvų reikalingos suvirintos arba suformuotos jungtys, kuriose fluoropolimero apvalkalas tvirtinamas prie tvirtinimo flanšo. PTFE nelydomas-apdoroti; reikia sukepinti suspaustus miltelius, todėl suvirintos jungtys tampa sudėtingos ir dažnai silpnesnės nei pagrindinė medžiaga. PFA yra apdorojamas lydaliniu būdu-, todėl galima suvirinti lydomąjį suvirinimą, kuris sukuria 90–95 % pagrindinės medžiagos stiprumo jungtis. Mišrių rūgščių atliekų srautuose sąnarių gedimas yra dažnas gedimo būdas. PTFE šildytuvai priklauso nuo mechaninių suspaudžiamų jungiamųjų detalių arba klijų, kurie suyra HF-turinčiose srovėse. PFA šildytuvai su suvirintomis jungtimis{10}}išlaiko vientisumą 2–3 kartus ilgiau. Tais atvejais, kai šildytuvas mato dažną šiluminį ciklą (daugiau nei 50 ciklų per mėnesį) arba mechaninę vibraciją, PFA pranašesnis jungties vientisumas nusveria šiek tiek geresnį PTFE atsparumą pralaidumui.
Mišrių rūgščių atliekų srautų atrankos vadovas
| Atliekų srauto sudėtis ir temperatūra | Rekomenduojama medžiaga | Kritinis našumo faktorius | Numatomas tarnavimo laikas (2,0 mm siena) |
|---|---|---|---|
| HNO3 (10–30 %) + H2SO₄ (10–20 %),<80°C | PFA arba PTFE (lygus) | Prasiskverbimo greitis; abu priimtini | 5000–8000 valandų |
| HNO₃ (20–40 %) + HF (1–5 %), 80–100 laipsnių | PTFE | Atsparumas oksidacijai; PTFE pranašesnis 30–40 % | PTFE: 3000–4500 valandų; PFA: 2000–3000 valandų |
| Bet kokia sumaišyta rūgštis su organiniais tirpikliais (5–15%),<90°C | PFA | Atsparumas tirpikliams; PFA mažesnis patinimas | PFA: 4000–6000 valandų; PTFE: 2500–3500 valandų |
| HF (5–15%) + HCl (10–20%), >90 laipsnių | PFA | Suvirinimo vientisumas kritinis; Pirmiausia sugenda PTFE jungtys | PFA: 2500–3500 valandų; PTFE: 1000–1800 valandų |
| Nuolatinis terminis ciklas (kasdien), bet kokia rūgštis | PFA | Atsparumas nuovargiui; PFA jungtys trunka ilgiau nei PTFE | PFA siūlo 2–3 kartų ciklą |
| High-pressure system (>2 bar), bet kokios rūgšties | PFA | PFA lydalo{0}}apdorojamų jungčių slėgis-nurodytas | PTFE nerekomenduojama virš 1,5 baro |
| Didžiausias grynumo reikalavimas (<1 ppb extractables) | PFA (aukšto{0}}grynumo laipsnis) | Apatiniai ekstrahuojami; PTFE sukepintos dalys gali išskirti daleles | PFA pirmenybė teikiama puslaidininkiams |
Išvada: suderinkite medžiagą su dominuojančiu gedimo mechanizmu
Nėra universalaus laimėtojo tarp PFA ir PTFE mišrių rūgščių atliekų srauto šildymui. PTFE pranoksta PFA nepertraukiamai aukštoje temperatūroje naudojant oksiduojančias rūgštis (ypač azoto ir HF derinius), kur tūrinis prasiskverbimas ir oksidacinis skaidymas riboja tarnavimo laiką. PFA pranoksta PTFE, kai taikomas terminis ciklas, mechaninis įtempis, organiniai tirpikliai arba slėgio reikalavimai, kai ribojančiu veiksniu tampa jungties vientisumas. Daugumoje mišrių rūgščių atliekų srautų, veikiančių žemesnėje nei 90 laipsnių temperatūroje, esant vidutiniam ciklui, bet kuri medžiaga yra tinkama naudoti, kai nurodyta, esant tinkamo sienelės storiui (mažiausiai 2,0 mm). Virš 100 laipsnių arba kai HF koncentracija viršija 5%, PTFE yra saugesnis pasirinkimas. Kai yra dažnas terminis ciklas (daugiau nei 500 ciklų per metus) arba vibracija, dėl aukščiausios jungties patikimumo PFA yra geresnis pasirinkimas, nepaisant šiek tiek didesnio pralaidumo. Inžinieriai turėtų prašyti šildytuvo gamintojo duomenų apie konkretaus rūgščių mišinio prasiskverbimą pagal numatytą veikimo temperatūrą, nes rūgščių sinergija gali pakeisti prasiskverbimo greitį 2–3 kartus, palyginti su vienos rūgšties duomenimis.
