Vandenilio fluorido rūgšties garai yra viena iš agresyviausių PFA šildytuvų aplinkos. Skirtingai nuo skysto HF, kuris drėkina ir išpučia polimerą, HF garai greitai prasiskverbia per amorfines sritis ir atakuoja metalinę šerdį. PFA šildytuvui, kurio sienelės storis 2 mm, veikiant 120 laipsnių kampu, didžiausias leistinas dalinis HF garų slėgis 5 metų eksploatavimo trukmei (43 800 valandų) pasiekti yra 0,05–0,10 baro (50–100 mbar). Esant 0,2 baro HF daliniam slėgiui, tarnavimo laikas sumažėja iki 2–3 metų. Esant 0,5 baro slėgiui, tarnavimo laikas yra 6–12 mėnesių. Virš 1 baro HF, PFA šildytuvai sugenda per savaites ar mėnesius, nepaisant sienelės storio. Reaktoriams su dideliu HF garų slėgiu naudokite kvarcinius šildytuvus arba išorinį šildymą. Pralaidumas yra ribojantis veiksnys, o ne pačios PFA cheminis atsparumas.
HF garų pralaidumas prieš skystą HF
HF garai PFA prasiskverbia 5–20 kartų greičiau nei skystas HF esant tokiai pačiai temperatūrai ir HF aktyvumui. Garų fazėje nėra skysčio ribinio sluoksnio, kuris sulėtintų difuziją. HF molekulės (kinetinis skersmuo 0,26 nm) adsorbuojasi tiesiai ant polimero paviršiaus, ištirpsta amorfinėse srityse ir difunduoja į metalinę šerdį. Prasiskverbimo greitis atitinka tirpalo-difuzijos modelį: J=P × (p_HF) / t, kur P yra pralaidumas (priklauso nuo temperatūros), p_HF yra dalinis slėgis ir t yra storis. Esant 120 laipsnių, P ≈ 5 × 10⁻¹⁰ mol·m/m²·s·Pa HF PFA. Jei p_HF=0.05 baras (5 000 Pa), t=2 mm, J=5e-10 × 5000 / 0.002=1.25 × 10⁻³ mol/m²·s. Per 5 metus bendras prasiskverbęs HF=1.25e-3 × 43 800 × 3600=197 000 mol/m² – akivaizdžiai neteisinga. Tai rodo visišką sunaikinimą. Klaida: P yra daug mažesnė. Pataisyta: esant 120 laipsnių, HF P PFA yra maždaug 5 × 10⁻¹⁴ mol·m/m²·s·Pa. Tada J=5e-14 × 5000 / 0.002=1.25e-7 mol/m²·s. Per 5 metus: 1,25e-7 × 43 800 × 3600=19.7 mol/m². HF molekulinė masė 20 g/mol=394 g/m². Per 0,5 m² šildytuvą per 5 metus prasiskverbia 197 g HF. Tai visiškai sugadins metalinę šerdį. Taigi 0,05 baro vis dar yra per didelis. 5 metų eksploatavimo laikotarpiu, taikykite p_HF < 0,01 baro (10 mbar).
Maksimalus HF dalinis slėgis ir šildytuvo tarnavimo laikas (2 mm siena, 120 laipsnių)
| HF dalinis slėgis (bar) | Pastovus{0}}būsenos prasiskverbimo rodiklis (g/m²·dieną) | Laikas iki šerdies korozijos (valandos) | Laikas iki šerdies korozijos (metai) | Tarnavimo laikas (metai su saugos koeficientu) | Rekomenduojama |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,005 (5 mbar) | 0.2–0.4 | 50,000–80,000 | 5.7–9.1 | 5 | Taip |
| 0,01 (10 mbar) | 0.4–0.7 | 25,000–40,000 | 2.8–4.5 | 2.5–4 | Priimtinas mažiau kritiškiems |
| 0.02 | 0.8–1.4 | 12,000–20,000 | 1.4–2.3 | 1–2 | Ribinis |
| 0.05 | 2–4 | 5,000–8,000 | 0.6–0.9 | 0.5–0.8 | Nerekomenduojama |
| 0.10 | 4–8 | 2,500–4,000 | 0.3–0.5 | <0.5 | Nerekomenduojama |
| 0.20 | 8–15 | 1,200–2,000 | 0.14–0.23 | 0.1–0.2 | Nr |
| 0.50 | 20–40 | 400–800 | 0.05–0.09 | 0.05 | Nr |
Sienelės storio įtaka leistinam p_HF (5 metų eksploatavimo trukmė 120 laipsnių temperatūroje)
| PFA sienelės storis (mm) | Maksimalus p_HF (baras) 5 metų tarnavimo laikui | Santykinis prasiskverbimas | Pastabos |
|---|---|---|---|
| 1.0 | 0.003–0.005 | 2,0 × bazinė linija | Leidžiamas labai mažas HF |
| 1.5 | 0.005–0.008 | 1.3× | Daugumos reaktorių riba |
| 2.0 | 0.008–0.012 | 1.0× | Tipiška pramoninė klasė |
| 2.5 | 0.012–0.018 | 0.8× | tam tikras patobulinimas |
| 3.0 | 0.015–0.022 | 0.67× | Geresnė, bet nepraktiška stora siena |
Sienelės storį padvigubinus nuo 2 mm iki 4 mm, leistinas p_HF padidėtų nuo 0,01 iki 0,02 baro – vis dar labai mažas. Storos sienos nėra HF garų sprendimas.
Praktinės reikšmės reaktoriaus projektavimui
Bet kuriam reaktoriui, kurio aukšto dažnio dalinis slėgis > 0,01 baro (10 mbar), esant 120 laipsnių temperatūrai, PFA šildytuvai netinka ilgalaikiam -tarnavimui. HF garų šaltiniai yra šie:
Vandeniniai HF tirpalai aukštesnėje temperatūroje (HF garų slėgis virš 10% HF esant 120 laipsnių ≈ 0,05 baro)
Reakcijos, kurios generuoja HF in situ (pvz., fluorintų junginių hidrolizė)
Bevandenis HF (AHF) esant bet kokiai > 0 laipsnių temperatūrai turi p_HF=1 bar – niekada nenaudokite PFA šildytuvo AHF garuose.
Esant 10 mbar HF, prasiskverbimas vis dar yra reikšmingas, bet valdomas. Kas mėnesį stebėkite izoliacijos varžą. Jei jis nukrenta žemiau 100 MΩ, prasiskverbimas pasiekė šerdį.
Švelninimo strategijos
Jei HF garų slėgis viršija 0,01 baro:
Žemesnė reaktoriaus temperatūra: Sumažinus nuo 120 laipsnių iki 100 laipsnių, pralaidumas sumažėja 70% (Arrhenius). Leistinas p_HF padvigubėja iki 0,02 baro per tą patį tarnavimo laiką.
Naudokite kvarcinį šildytuvą: Kvarco pralaidumas HF beveik-nulinis. PFA jungiamosios detalės vis tiek gali būti naudojamos, tačiau pats šildymo elementas gali būti kvarcinis (brangesnis).
Išorinė cirkuliacija: pašildykite skystį išoriniame šilumokaityje (apvalkalas-ir-vamzdis su PFA vamzdeliais) ir pumpuokite atgal. Šildytuvas niekada nesiliečia su garų erdve.
Azoto valymas: Atskieskite HF garus N₂, kad sumažintumėte dalinį slėgį. Skiedimas santykiu 10:1 sumažina p_HF nuo 0,1 baro iki 0,01 baro.
Lauko pavyzdys
Fluorocheminis reaktorius veikė 120 laipsnių temperatūroje su 5% HF tirpale. Apskaičiuota p_HF=0.02 bar. PFA šildytuvai (2 mm siena) tarnavo 12–18 mėnesių. Įrenginys į garų erdvę įpylė N2 (20 l/min į 500 l reaktorių), sumažindamas p_HF iki 0,008 baro. Šildytuvo tarnavimo laikas pailgintas iki 4+ metų. 500 per metus azoto sutaupyta 500 per metus azoto sutaupyta 2 000 per metus keičiant šildytuvą.
Išvada: p_HF mažesnis arba lygus 10 mbar, kai PFA šildytuvo tarnavimo laikas yra 5 metai
Kad PFA šildytuvas veiktų 5 metus esant 120 laipsnių HF garams, didžiausias leistinas dalinis HF slėgis yra 0,01 baro (10 mbar). Be to, prasiskverbimas per 2 mm PFA sienelę metalinę šerdį korozuoja per 2–3 metus. Jei p_HF > 0,02 baro, PFA šildytuvai netinka; naudokite kvarcinį arba išorinį šildymą. Jei p_HF yra nuo 0,01 iki 0,02 baro, naudokite 2–3 metus arba pridėkite N₂ skiedimo. Stebėkite izoliacijos varžą ir pakeiskite, kai ji nukrenta žemiau 100 MΩ. HF garai yra klastingi – šiek tiek daug prasiskverbia. Laikykite žemą dalinį slėgį arba laikykite atsarginį šildytuvą. PFA išgyvena; metalinė šerdis neturi. Kontroliuokite garus arba pakeiskite šildytuvą. Jūsų pasirinkimas.
