Vandenilio chlorido (HCl) dujų prasiskverbimas per PFA šildytuvo apvalkalus yra didelis chlorinimo reaktorių, farmacinės sintezės ir puslaidininkių ėsdinimo įrankių patikimumo iššūkis. Skirtingai nuo skysto HCl, kuris vidutiniškai išsipučia PFA, sausos HCl dujų molekulės yra mažos (kinetinis skersmuo 0,32 nm) ir labai polinės, todėl greitai difuzija per amorfines polimero sritis. Esant aukštesnei temperatūrai ir slėgiui -120 laipsnių ir 3 barų manometrinis slėgis yra įprastas proceso šildytuvuose-, prasiskverbimo greitis spartėja eksponentiškai. 2 mm storio PFA sienelėje tokiomis sąlygomis numatomas pastovios būsenos prasiskverbimo greitis svyruoja nuo 0,8 iki 2,5 g/m²·parą, priklausomai nuo PFA klasės, kristališkumo ir bet kokios sugertos drėgmės buvimo. Šis greitis reiškia, kad įprastas 1 m² šildytuvo paviršiaus plotas per dieną praranda 0,8–2,5 gramo HCl per PFA sienelę, susiliečiant su apatine metaline šerdimi ir sukeldama koroziją.
HCl dujų prasiskverbimo fizika PFA
Dujų prasiskverbimas per polimerą vyksta pagal tirpalo -difuzijos modelį: P=S × D, kur P yra pralaidumo koeficientas, S yra dujų tirpumas polimere, o D yra difuzijos koeficientas. HCl skiriasi nuo daugumos dujų, nes labai gerai tirpsta PFA. 120 laipsnių temperatūroje HCl tirpumo koeficientas PFA yra maždaug 0,5–1,2 cm³(STP)/cm³·bar, maždaug 10–50 kartų didesnis nei azoto ar deguonies. HCl difuzijos koeficientas PFA esant 120 laipsnių yra maždaug 1–3 × 10⁻⁸ cm²/s, panašus į vandens garus. Produkto pralaidumas P=5–30 × 10⁻⁹ cm³·cm/cm²·s·cmHg. Konvertuojant į praktinius vienetus: 2 mm sienai (0,2 cm) esant 120 laipsnių kampui, kai dalinis slėgio skirtumas yra 3 barai (2 250 mmHg), srautas J=P × Δp / storis=10⁻⁸ × 2 250 / 0.2=1.125 × 2 250 / 0.2=1.125 × 10⁻ cm² s. Konvertuojant į masę: 1,125 × 10⁻⁴ cm³/cm²·s × (36,46 g/mol / 22 400 cm³/mol) × 86,400 s per dieną=0.016 g/m²·per dieną. Ši apskaičiuota vertė yra daug mažesnė nei eksperimentinių matavimų, o tai rodo, kad paprastas modelis nepakankamai įvertina tirpumą esant dideliam slėgiui dėl plastifikacijos -HCl dujos išpučia PFA, padidindamos laisvą tūrį ir dar labiau pagreitindamos prasiskverbimą.
Eksperimentiniai matavimai naudojant pralaidumo elementą (ASTM D814) ant 2 mm suspaudimo -formuotų PFA lakštų, esant 120 laipsnių temperatūrai ir 3 barų HCl, duoda pastovios būsenos greitį 0,8–2,5 g/m²·per dieną, o vidutiniškai 1,6 g/m²·parą. Platus diapazonas atspindi PFA kristališkumo pokyčius (didesnis kristališkumas sumažina prasiskverbimą) ir drėgmės pėdsakų buvimą (net 0,1% vandens HCl padidina pralaidumą 3–5 kartus dėl nešiklio poveikio). Ekstruduotų PFA vamzdelių (kuriame yra orientuotų kristalitų ir mažiau amorfinių takų nei suspaudžiamo -formuoto lakšto) pralaidumo greitis yra 20–30 % mažesnis: 0,6–1,8 g/m²·parą.
Temperatūros ir slėgio priklausomybė
Prasiskverbimo greitis stipriai didėja didėjant temperatūrai, atsižvelgiant į Arrhenius ryšį. Temperatūros pakėlimas nuo 120 laipsnių iki 140 laipsnių padidina prasiskverbimo greitį 2,5–3,0 kartų esant tam pačiam slėgiui. 150 laipsnių temperatūroje numatomas greitis per 2 mm sienelę viršija 5 g/m²·parą. Žemiau 80 laipsnių HCl prasiskverbimas tampa nereikšmingas daugeliu praktinių tikslų (<0.05 g/m²·day). The pressure dependence is approximately linear below 5 bar, as predicted by Henry's law for solubility. At 3 bar, the rate is three times that at 1 bar. Above 5 bar, plasticization causes a super-linear increase; at 8 bar, the permeation rate can be 12–15× the 1 bar rate, not 8× as linear scaling would predict.
Sienelės storis keičiasi atvirkščiai su prasiskverbimo greičiu. 1 mm siena esant 120 laipsnių ir 3 barų slėgiui būtų 1,6–5,0 g/m²·parą. 3 mm sienelė sumažintų normą iki 0,4–1,0 g/m²·parą. Tačiau storis, viršijantis 2,5 mm, padidina medžiagų sąnaudas ir sumažina šilumos perdavimą, todėl 2,0 mm yra labiausiai paplitusi HCl paslaugų specifikacija.
Pralaidumo rodikliai pagal būklę ir PFA laipsnį
| Būklė | Temperatūra | Slėgis (HCl dujos) | PFA laipsnis | Sienelės storis | Numatomas prasiskverbimo greitis (g/m²·parą) | Laikas pasiekti metalinę šerdį (1,5 mm nuo vidinio paviršiaus)* |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sausas HCl, nuolatinis | 80 laipsnių | 1 baras | Standartinis | 2,0 mm | 0.05–0.10 | >2 metai (nereikšmingi) |
| Sausas HCl, nuolatinis | 100 laipsnių | 2 barai | Standartinis | 2,0 mm | 0.3–0.7 | 6-12 mėnesių |
| Sausas HCl, nuolatinis | 120 laipsnių | 3 barai | Standartinis | 2,0 mm | 0.8–2.5 | 3-6 mėn |
| Sausas HCl, nuolatinis | 120 laipsnių | 3 barai | High-crystallinity (annealed, >55%) | 2,0 mm | 0.4–1.2 | 4-8 mėnesiai |
| Sausas HCl, nuolatinis | 120 laipsnių | 3 barai | Standartiškai su 0,1 mm ETFE barjeriniu sluoksniu | Iš viso 2,0 mm | 0.2–0.5 | 6-12 mėnesių |
| Sausas HCl, nuolatinis | 140 laipsnių | 3 barai | Standartinis | 2,0 mm | 2.5–6.0 | 1-3 mėnesius |
| Drėgnas HCl (1 % H2O) | 120 laipsnių | 3 barai | Standartinis | 2,0 mm | 3.0–8.0 | 1-2 mėnesius |
| Sausas HCl, su pertraukomis (50 % muitas) | 120 laipsnių | 3 barai | Standartinis | 2,0 mm | 0,4–1,2 (laikas -vidurkis) | 6-12 mėnesių |
| Sausas HCl, nuolatinis | 120 laipsnių | 5 barai | Standartinis | 2,5 mm | 1.0–3.0 | 3-5 mėnesius |
| Sausas HCl, nuolatinis | 120 laipsnių | 3 barai | Standartinis | 3,0 mm | 0.3–0.8 | 6-12 mėnesių |
* Laikas pasiekti metalinę šerdį daro prielaidą, kad pradinis prasiskverbimas prasideda nuo vidinio paviršiaus (metalinės pusės) ir pasklinda į išorę. Tikrasis laikas priklauso nuo metalinės šerdies korozijos greičio; prasiskverbęs HCl nedelsiant reaguoja su metalu.
Šildytuvo projektavimo ir priežiūros pasekmės
Esant numatomam 0,8–2,5 g/m² per parą prasiskverbimo greičiui per 2 mm PFA sienelę esant 120 laipsnių ir 3 barams, 0,5 m² šildytuvas (įprastas dydis 6 kW įrenginiui) leidžia 0,4–1,25 gramo HCl pasiekti metalinę šerdį per dieną. Per vienerius nepertraukiamo veikimo metus (8760 valandų) susikaupia 150–450 gramų HCl, susiliečiančio su Incoloy arba titano šerdimi. Metalas reaguoja sudarydamas metalų chloridus, kurie nėra-apsauginiai ir nuslenka, atidengdami šviežią metalą. Incoloy 825 korozijos greitis sausame HCl esant 120 laipsnių temperatūrai yra maždaug 0,5–1,5 mm per metus esant HCl daliniam slėgiui, esančiam metalo paviršiuje (kuris yra mažesnis už tūrinį slėgį dėl koncentracijos poliarizacijos). Praktinis šildytuvo eksploatavimo laikas nepertraukiamai veikiant 120 laipsnių, 3 barų HCl su 2 mm PFA sienele paprastai trunka 6–18 mėnesių, kol metalinė šerdis pakankamai korozuoja, kad sukeltų atviros-grandinės gedimą arba įžeminimo gedimą.
Four strategies extend life. First, use high-crystallinity PFA (annealed to >55 % kristališkumas), todėl pralaidumas sumažėja 30–50 %. Antra, uždėkite ploną (0,1–0,2 mm) ETFE arba ECTFE vidinį sluoksnį, kurio HCl pralaidumas yra mažesnis nei PFA. Trečia, padidinkite sienelės storį iki 2,5–3,0 mm, nors tai sumažina šilumos perdavimą 20–30%, todėl gali reikėti sumažinti vatų tankį. Ketvirta, žiedinę erdvę tarp metalinės šerdies ir PFA išvalykite sausu azotu, esant nedideliam teigiamam slėgiui (0,1–0,2 baro). Azoto atgalinis{15}slėgis sumažina dalinio slėgio skirtumą, skatinantį HCl prasiskverbimą, ir pašalina visą prasiskverbiantį HCl, taip užkertant kelią metalo sąlyčiui.
Išvada: Tikėtis 1–2 g/m²·per dieną standartiniam PFA esant 120 laipsnių / 3 barų
Numatomas sausų HCl dujų prasiskverbimo greitis per 2 mm standartinę PFA sienelę esant 120 laipsnių ir 3 barų slėgiui yra 0,8–2,5 g/m²·parą, vidutiniškai 1,6 g/m²·parą. Šis rodiklis sukelia metalo šerdies koroziją ir šildytuvo gedimą per 6–18 mėnesių nepertraukiamo veikimo. Inžinieriai, nurodantys PFA šildytuvus aukštos{10}}temperatūros, aukšto{11}}slėgio HCl aptarnavimui, turi priimti šį tarnavimo laiką, pasirinkti patobulintas barjerines konstrukcijas (aukšto-kristališkumo PFA arba kelių sluoksnių apvalkalus) arba sumažinti darbinę temperatūrą žemiau 100 laipsnių, kai prasiskverbimas tampa nereikšmingas. Atliekant bet kokią HCl paslaugą, kai temperatūra viršija 100 laipsnių, būtina atlikti įprastinę izoliacijos varžos stebėseną (kas mėnesį), kad būtų aptikta šerdies korozija prieš įvykstant įžeminimo gedimui. Reikėtų paprašyti konkretaus šildytuvo gamintojo pateikti pralaidumo duomenis, nes dėl ekstruzijos kokybės ir dervos grynumo skirtumų tarp tiekėjų pralaidumo greitis gali pasikeisti 2–3 kartus. Šildytuvas, sertifikuotas „HCl paslaugai“, neturintis kiekybinių prasiskverbimo duomenų numatytomis eksploatavimo sąlygomis, turėtų būti laikomas nepatvirtintu.
