Kā salīdzināt -termiņa hidrolītisko stabilitāti PFA un FEP sildītājiem tvaika-karsējamiem skābju maisījumiem?

Fluoropolymer heaters in steam-heated acid service, as seen in digesters, hydrolysers, and chemical reactors, are exposed to a combination of high-temperature steam (120–180°C) and aggressive acids (H₂SO₄, HNO₃, HCl, H₃PO₄). Two fluoropolymers are the leaders in this service: PFA (perfluoroalkoxy) and FEP (fluorinated ethylene propylene). Their long-term hydrolytic stability-resistance to degradation by steam and hot acids-varies widely. PFA has a greater temperature for continuous use (200°C compared with 180°C for FEP) and better resistance to permeability by steam and attack by acids. FEP has a lower melting point (255°C against 305°C for PFA) and is more vulnerable to stress cracking in the presence of steam and acid vapours. For long term service (5+ years) in steam heated acid combinations at temperatures >150 grādi, PFA ir 3–5 reizes labāks nekā FEP. Abi ir krietni zem 130 grādiem. Galvenā atšķirība starp polimēriem ir to izturība pret hidrolītisko ķēdes šķelšanos paaugstinātā temperatūrā, kur palielinātajai PFA molekulmasai un stabilākām perfluoralkoksi sānu ķēdēm ir izturības priekšrocības.

Hidrolītiskās noārdīšanās ceļi
Tvaiku karsētos skābju maisījumos ir aktīvi trīs noārdīšanās ceļi. Pirmais ir polimēra ķēdes tiešā hidrolīze. Virs 140 grādiem un ūdens un skābes klātbūtnē priekšroka tiek dota ķēdes galiem pie C-F saitēm. Ūdens molekulas katalizē karbonskābes gala grupu (CF2-COOH) veidošanos, kas vēl vairāk katalizē noārdīšanos-autokatalītisko procesu. FEP ir neaizsargātākas ķēžu galotnes tilpuma vienībā nekā PFA, kam ir -O-CF2-CF2-O- sānu ķēdes, kas ir stabilākas -CF3 sānu grupu dēļ. Paātrinātās novecošanas pētījumi par 160 grādiem 20% H₂SO₄ + tvaikā liecina, ka FEP pēc 2000 stundām zaudē 15–25% stiepes stiprības, bet PFA zaudē 5–10%.

Otrs mehānisms ir caurlaidības paātrināta korozija. Polimēru siena ir vairāk caurlaidīga pret tvaiku nekā šķidru ūdeni. Tvaika iespiešanās ātrums caur FEP (1,0–2,0 g/m2 dienā 2 mm sienai) ir 2–3 reizes lielāks nekā PFA (0,4–0,8 g/m2 dienā) 150 grādu temperatūrā. Palielināta iespiešanās rezultātā metāla serdeņos nonāk vairāk tvaika un paātrina serdes koroziju. Metāla serdes korozijas produktiem (dzelzs sulfātiem H 2 SO 4 , dzelzs hlorīdiem HCl ) ir lielāks tilpums nekā oriģinālajam metālam. Tas rada iekšējo spiedienu un izraisa pūslīšu veidošanos un polimēra plaisāšanu no iekšpuses uz āru. Lielāka FEP caurlaidība izraisa agrāku pūslīšu veidošanos.

Trešais mehānisms ir vides stresa plaisāšana (ESC). Tvaiks un skābe ir spriedzes krekinga vielas, īpaši temperatūrā, kas tuvojas polimēra kušanas temperatūrai. FEP ir zemāka kušanas temperatūra (255 grādi pret . 305 grādiem PFA), kas nozīmē, ka pie 180 grādiem FEP ir 70% no kušanas temperatūras (Tm), salīdzinot ar 59% PFA. Šļūde un spriedzes relaksācija ir pamanāmāka FEP paaugstinātā temperatūrā, savukārt ESC notiek ar zemākiem pielietotajiem spriegumiem. Sildītājs ar ražošanas procesā radušos atlikušo spriegumu 3–4 MPa var ieplaisāt FEP gada laikā 170 grādu temperatūrā, tomēr izturēt 5+ gadus PFA.

Dati, kas salīdzina hidrolītisko stabilitāti
Parametrs FEP PFA Priekšrocība
Nepārtrauktas lietošanas temperatūra (gaiss) 200 grādi 180 grādi PFA +20 grādi
Kušanas temperatūra (Tm) 305 - 315 grādi 255 - 265 grādi PFA +50 grādi
Ūdens tvaiku caurlaidības ātrums pie 150 grādiem, 2 mm siena (g/m2/dienā) 0,4–0.8 1.0–2,0 PFA 2–3 reizes zemāks
Stiepes izturības saglabāšana pēc 2000 h tvaikā + 20 % H₂SO₄ 160 grādi 85–92% 70–78% PFA 15–20% labāka
Pagarinājums ar identisku iedarbību saglabājās par 80–85 % 55–65 % PFA par 25–30 % labāks
Pūšļu veidošanās laiks (2 mm siena, tvaiks + 30% H2SO4, 160 grādi) 3000–5000 stundas 800–1500 stundas PFA 2–3 reizes garāks
Hidrolītiskās stabilitātes pakāpe (ASTM D543) 150 grādu temperatūrā skābē/tvaikā 9/10 (izcili) 6/10 (laba) PFA labāka
Steam stress crack resistance 170°C (hours to failure 5 MPa applied stress) >10,000 1,500–3000 PFA 3–5 reizes labāk
Maksimālā ekspluatācijas temperatūra 5 gadu kalpošanas laikam tvaikos + 50% H2SO4 170 grādi 140 grādi PFA +30 grādi
Lietojumprogrammas atlases rokasgrāmata
Skābes maisījums, tvaiks{0}}sildīts, ieteicamā materiāla temperatūras diapazona pamatojums
H₂SO4, atšķaidīts (5–20%) + tvaiks<130°C PFA or FEP (both OK)Cost may dictate FEP choice
Atšķaidīts H₂SO₄ (5–20 %) + tvaiks 130–160 grādi PFA FEP noārdās pēc 1–2 gadiem
50-80% koncentrēts H2SO4 + tvaiks<120°C PFA or FEPLimited by acid compatibility
Koncentrēts H2SO4 (50-80%) + tvaiks 120-150 C PFA tikai FEP neizdodas mēnešos
HNO₃ (10–30%) + tvaiki<140°C PFA FEP degrades from oxidation
HCl (10-30%) + tvaiks<150°C PFA FEP penetration causes core corrosion
Jaukta skābe (H2SO4 + HNO₃ + H2O) + tvaiks < 160 grādi tikai PFA Ekstrēms klimats, FEP nav piemērots
Digerators (H2SO4 + organiskās vielas) + tvaiks 160–180 grādu PFA bieza siena (2,5–3,0 mm) PFA pie robežas; FEP ātri sabruktu
Autoklāvs (skābe + tvaiks, partija) 200 grādi (pārejošs) Nav; izmantojiet kvarcu vai metālu, pārsniedzot ilgtermiņa PFA ierobežojumus
Hidrolīzes reaktora lauka dati
Ķīmiskā iekārta izmantoja divus identiskus hidrolīzes reaktorus, kas darbojās 150 grādu temperatūrā ar tvaika iesmidzināšanu uz 30% H2SO4. Reaktorā A tika izmantots PFA sildītājs (2,0 mm siena). Reaktorā B FEP sildītājs (2,0 mm siena) tika izmantots . 18 mēnešus nepārtrauktas darbības:

Reactor A (PFA): Heater surface showed slight yellowing, no cracking, insulation resistance >200 MΩ, ekspluatācijā 36 mēneši.

Reaktors B (FEP): Sildītājam bija vairākas riņķveida plaisas pie atloka (sprieguma plaisāšana), izolācijas pretestība samazinājās līdz 10 MΩ, nomainīta pēc 22 mēnešiem. FEP sildītājam bija arī par 30% mazāks pagarinājums pārrāvuma brīdī nekā svaigam.

The plant converted all reactors to PFA and took FEP heaters out of steam acid service >130 grādi. Sākotnējā izmaksu prēmija par PFA (15–25% salīdzinājumā ar FEP) tika atgūta pirmajā nomaiņas ciklā (22 mēneši salīdzinājumā ar . 36+ mēnešiem).

Steam{0}}Acid Service dizaina apsvērumi
Skābju maisījumiem, kas karsēti ar tvaiku, izmantojiet PFA, ja temperatūra ir augstāka par 130 grādiem vai ja skābes saturs ir lielāks par 20%, un pretējā gadījumā izmantojiet FEP. Apkalpošanai temperatūrā virs 150 grādiem, papildu prasības ir: (1) Biezāka PFA siena (2,5-3,0 mm), lai samazinātu caurlaidību un nodrošinātu erozijas pielaidi. (2) Uzstādiet mitruma uztvērēju vai slāpekļa attīrīšanas ierīci aukstajā galā, lai novērstu tvaika kondensāciju termināla zonā. (3) Ierobežojiet vatu blīvumu līdz mazākam vai vienādam ar 2,5 W/cm², lai saglabātu PFA iekšējās virsmas temperatūru.<200°C. (4) Install a steam deflector for direct steam injection onto the heater to prevent localised superheating. (5) Conduct annual insulation resistance testing; a fall from >1000 MΩ līdz<100 MΩ indicates penetration or breaking.

Skatieties FEP sildītājus jau tvaika un skābes servisā. Sākotnējais degradācijas rādītājs ir virsmas spīduma zudums (matēta apdare), pēc tam dzeltēšana, tad plaisāšana. FEP, kas kļuvis brūns, ir tuvu neveiksmei. PFA nomaiņa ir ieteicama, parādoties pirmajām degradācijas pazīmēm. Nav jāgaida noplūde.

SECINĀJUMS: PFA uzrāda labāku hidrolītisko stabilitāti skābēm, kas karsētas ar tvaiku
PFA is far more suited for long-term use in steam heated acid combinations than FEP because it has a higher temperature capability (200°C vs. 180°C), lower steam penetration (2-3x lower), and superior resistance to stress cracking and hydrolysis. PFA heaters survive 2-5x longer than FEP heaters in service >130 grādi ar stiprām skābēm. PFA izmaksu piemaksa (15–25%) ir pamatota ar samazinātu nomaiņas biežumu, mazāku dīkstāves laiku un mazāku piesārņojuma risku. Vieglās skābēs zem 130 grādiem FEP nodrošina pieņemamu veiktspēju par mazākām izmaksām. Inženieriem, kas nosaka sildītājus bioreaktoriem, hidrolizatoriem vai tvaika skābes reaktoriem jebkurā lietojumā, kur ir būtiska ilgtermiņa uzticamība, ir jānorāda PFA. FEP ir labi piemērots zemākai temperatūrai vai mazāk prasīgiem lietojumiem, kur ir pieņemams īsāks kalpošanas laiks. Ja rodas šaubas, izvēlieties PFA. Nelielos materiālu ietaupījumus vairāk nekā kompensē FEP sildītāja kļūme karstās skābes reaktorā{12}}vannas piesārņojums, neplānota apstāšanās, nomaiņas darbs. PFA ir norma ar tvaiku karsējamiem skābju maisījumiem. FEP ir izņēmums zemas temperatūras vai ne{15}}kritisku pakalpojumu gadījumā.