Garais -kaitinami rūgščių mišiniai -dažniausiai viryklėse, hidrolizatoriuose ir cheminiuose reaktoriuose-paveikia fluoropolimerų šildytuvus ir aukštos-temperatūros garais (120–180 laipsnių), ir agresyviomis rūgštimis (H₂SO₄, HNO₄, HNO₃),. Šioje paslaugoje dominuoja du fluorpolimerai: PFA (perfluoralkoksi) ir FEP (fluorintas etileno propilenas). Jų ilgalaikis -hidrolizinis stabilumas-atsparumas skaidymui garais ir karštomis rūgštimis{10}}labai skiriasi. PFA nepertraukiamo naudojimo temperatūra yra aukštesnė (200 laipsnių, palyginti su . 180 FEP) ir geresnis atsparumas garų prasiskverbimui ir rūgšties poveikiui. FEP lydymosi temperatūra yra žemesnė (255 laipsniai, palyginti su . 305 laipsniu PFA) ir yra jautresnis įtempimams, kai yra garų ir rūgščių garų. Ilgai (5+ m.) naudojant garais{20}}kaitinamuose rūgščių mišiniuose aukštesnėje nei 150 laipsnių temperatūroje, PFA pranoksta FEP 3–5 kartus. Žemiau 130 laipsnių abu veikia tinkamai. Pagrindinis skirtumas yra polimero gebėjimas atsispirti hidroliziniam grandinės skilimui aukštoje temperatūroje, kur didesnė PFA molekulinė masė ir stabilesnės perfluoralkoksi šoninės grandinės užtikrina puikų patvarumą.
Hidrolizės skaidymo mechanizmai
Garais{0}}kaitinamuose rūgščių mišiniuose fluorpolimerus paveikia trys skaidymo mechanizmai. Pirmasis yra tiesioginė polimero pagrindo hidrolizė. Esant aukštesnei nei 140 laipsnių temperatūrai, esant vandens ir rūgšties, C-F jungtys grandinės galuose yra jautrios atakai. Vandens molekulės katalizuoja karboksirūgšties galinių grupių (CF₂-COOH) susidarymą, kurios toliau katalizuoja autokatalizinio proceso skaidymą{7}. FEP su savo -CF₃ šoninėmis grupėmis turi pažeidžiamesnius grandinės galus tūrio vienetui nei PFA, kurio -O-CF₂-CF₂-O- šoninės grandinės yra stabilesnės. Pagreitinto senėjimo bandymai 160 laipsnių kampu 20 % H₂SO₄ + garuose rodo, kad FEP praranda 15–25 % savo tempimo stiprumo po 2000 valandų; PFA praranda 5–10 proc.
Antrasis mechanizmas yra pralaidumas{0}}sustiprinta korozija. Garai prasiskverbia pro polimero sienelę greičiau nei skystas vanduo. Esant 150 laipsnių, garų prasiskverbimo greitis per FEP (1,0–2,0 g/m²·per dieną 2 mm sienai) yra 2–3 kartus didesnis nei per PFA (0,4–0,8 g/m²·parą). Didesnis pralaidumas tiekia daugiau garų į metalinę šerdį, pagreitindama šerdies koroziją. Metalinės šerdies korozijos produktai (geležies sulfatai H2SO₄, geležies chloridai HCl) užima didesnį tūrį nei originalus metalas, todėl susidaro vidinis slėgis, dėl kurio polimeras pūslelės ir sutrūkinėja iš vidaus. Dėl didesnio FEP pralaidumo anksčiau atsiranda pūslių.
Trečiasis mechanizmas yra aplinkos įtempių krekingas (ESC). Garai ir rūgštis veikia kaip įtempimo{1}}krekingo agentai, ypač esant temperatūrai, artimai polimero lydymosi temperatūrai. Žemesnė FEP lydymosi temperatūra (255 laipsniai, palyginti su . 305 laipsniais PFA) reiškia, kad esant 180 laipsnių FEP veikia 70 % lydymosi temperatūros (Tm), o PFA – 59 % Tm. Šliaužimas ir įtempių atsipalaidavimas yra ryškesnis FEP esant aukštai temperatūrai, o ESC atsiranda esant mažesniems taikomiems įtempiams. Šildytuvas, kurio liekamasis įtempis nuo gamybos yra 3–4 MPa, gali įtrūkti FEP per vienerius metus esant 170 laipsnių, bet išgyventi 5+ metus PFA.
Lyginamieji hidrolizės stabilumo duomenys
| Parametras | PFA | FEP | Privalumas |
|---|---|---|---|
| Nuolatinio naudojimo temperatūra (oras) | 200 laipsnių | 180 laipsnių | PFA +20 laipsnis |
| Lydymosi temperatūra (Tm) | 305–315 laipsnių | 255–265 laipsnių | PFA +50 laipsnis |
| Vandens garų prasiskverbimo greitis esant 150 laipsnių, 2 mm sienelė (g/m²·parą) | 0.4–0.8 | 1.0–2.0 | PFA 2–3 kartus mažesnis |
| Tempimo stiprio išlaikymas po 2000 valandų garuose + 20% H₂SO₄ 160 laipsnių temperatūroje | 85–92% | 70–78% | PFA 15–20% geresnis |
| Pailgėjimo išlaikymas po to paties poveikio | 80–85% | 55–65% | PFA 25–30% geresnis |
| Laikas susidaryti pūslėms (2 mm sienelė, garai + 30% H₂SO₄, 160 laipsnių) | 3000–5000 valandų | 800–1500 valandų | PFA 2–3 kartus ilgesnis |
| Hidrolizinio stabilumo įvertinimas (ASTM D543) esant 150 laipsnių rūgštyje / garuose | 9/10 (puikiai) | 6/10 (gerai) | PFA pranašesnis |
| Atsparumas įtrūkimams garuose esant 170 laipsnių (valandos iki gedimo esant 5 MPa įtempiui) | >10,000 | 1,500–3,000 | PFA 3–5 kartus geresnis |
| Maksimali eksploatavimo temperatūra 5 metus garuose + 50% H₂SO₄ | 170 laipsnių | 140 laipsnių | PFA +30 laipsnis |
Programos-konkretus atrankos vadovas
| Garai{0}}kaitintas rūgšties mišinys | Temperatūros diapazonas | Rekomenduojama medžiaga | Loginis pagrindas |
|---|---|---|---|
| Atskiesti H₂SO₄ (5–20%) + garai | <130°C | PFA arba FEP (abu priimtini) | Kaina gali paskatinti FEP pasirinkimą |
| Atskiesti H₂SO₄ (5–20%) + garai | 130-160 laipsnių | PFA | FEP degraduoja po 1–2 metų |
| Koncentruotas H₂SO₂ (50–80%) + garai | <120°C | PFA arba FEP | Abi riboja suderinamumas su rūgštimis |
| Koncentruotas H₂SO₂ (50–80%) + garai | 120-150 laipsnių | Tik PFA | FEP nepavyksta per kelis mėnesius |
| HNO₃ (10–30%) + garai | <140°C | PFA | FEP suyra nuo oksidacijos |
| HCl (10–30%) + garai | <150°C | PFA | FEP prasiskverbimas sukelia šerdies koroziją |
| Mišri rūgštis (H2SO4 + HNO3 + H2O) + garai | <160°C | Tik PFA | Ekstremali aplinka, FEP netinka |
| Virškintuvas (H2SO4 + organinės medžiagos) + garai | 160-180 laipsnių | PFA su stora sienele (2,5–3,0 mm) | PFA ties riba; FEP greitai sugestų |
| Autoklavas (rūgštis + garai, partija) | 200 laipsnių (trumpalaikis) | nei vienas; naudokite kvarcą arba metalą | Viršija PFA ilgalaikę{0}}ribą |
Lauko įrodymai iš hidrolizės reaktorių
Chemijos gamykloje veikė du identiški hidrolizės reaktoriai, apdorojantys 30 % H₂SO₂ su garo įpurškimu 150 laipsnių temperatūroje. A reaktoriuje buvo naudojamas PFA šildytuvas (2,0 mm sienelė). Reaktoriui B buvo naudojamas FEP šildytuvas (2,0 mm sienelė). Po 18 mėnesių nepertraukiamo veikimo:
Reactor A (PFA): Heater showed slight surface yellowing, no cracks, insulation resistance >200 MΩ, vis dar eksploatuojamas 36 mėn.
Reaktorius B (FEP): šildytuve buvo daug perimetrų įtrūkimų šalia flanšo (įtempių įtrūkimai), izoliacijos varža sumažėjo iki 10 MΩ, pakeista po 22 mėnesių. FEP šildytuvas taip pat turėjo 30 % mažesnį pailgėjimą trūkimo metu, palyginti su nauju.
Gamykla perjungė visus reaktorius į PFA ir pašalino FEP šildytuvus iš garų{0}}rūgščių, kurių temperatūra viršija 130 laipsnių. Pradinė priemoka už PFA (15–25 % daugiau nei FEP) buvo susigrąžinta per pirmąjį pakeitimo ciklą (22 mėn. palyginti su . 36+ mėn.).
„Steam{0}}Acid Service“ dizaino svarstymai
For steam-heated acid mixtures, specify PFA over FEP when temperature exceeds 130°C or when acid concentration exceeds 20%. For service above 150°C, additional measures are required: (1) Use thicker PFA wall (2.5–3.0 mm) to reduce permeation and provide erosion allowance. (2) Install a moisture getter or nitrogen purge in the cold end to prevent steam condensation inside the terminal area. (3) Reduce watt density to ≤2.5 W/cm² to keep PFA inner surface temperature below 200°C. (4) For steam injection directly onto the heater, add a steam deflector to prevent localized superheating. (5) Schedule annual insulation resistance testing; a drop from >1000 MΩ iki<100 MΩ indicates permeation or cracking.
Atidžiai stebėkite, ar FEP šildytuvai jau naudojami garų-rūgštyje. Pirmasis degradacijos požymis yra paviršiaus blizgesio praradimas (matinė apdaila), vėliau pageltimas, tada įtrūkimai. FEP, kuris tapo rudas, beveik nepavyko. Pasireiškus pirmiesiems skilimo požymiams, rekomenduojama jį pakeisti PFA. Nelaukite, kol nutekės.
Išvada: PFA užtikrina puikų hidrolizinį stabilumą garams{0}}kaitintoms rūgštims
Ilgai naudojant garais-kaitinamus rūgščių mišinius, PFA žymiai lenkia FEP dėl savo aukštesnės temperatūros (200 laipsnių palyginti su. 180 laipsniu), mažesnio garų pralaidumo (2–3 kartus mažesnio) ir geresnio atsparumo įtempiams įtrūkimams bei hidrolizei. Eksploatuojant aukštesnėje nei 130 laipsnių temperatūroje su agresyviomis rūgštimis, PFA šildytuvai tarnauja 2–5 kartus ilgiau nei FEP šildytuvai. PFA sąnaudų priemoka (15–25 %) pateisinama dėl sumažėjusio keitimo dažnumo, mažesnės prastovos ir mažesnės užteršimo rizikos. Žemesnėje nei 130 laipsnių švelniose rūgštyse FEP užtikrina priimtiną našumą mažesnėmis sąnaudomis. Inžinieriai, nurodantys kaitintuvus viryklėms, hidrolizatoriams ar garų rūgščių reaktoriams, turėtų pasirinkti PFA bet kokiai paskirčiai, kur reikalingas ilgalaikis patikimumas. FEP tinka žemesnei temperatūrai arba mažiau agresyvioms sąlygoms, kai priimtinas trumpesnis tarnavimo laikas. Jei abejojate, pasirinkite PFA. FEP šildytuvo gedimo karštos rūgšties reaktoriuje-vonios užteršimo, neplanuoto išjungimo, pakeitimo darbo- pasekmės gerokai viršija ribinį medžiagų sutaupymą. Garais kaitinamiems rūgščių mišiniams PFA yra standartas; FEP yra žemos temperatūros arba ne{27}}kritinės paslaugos išimtis.
