Jak porównać odporność chemiczną grzejników perfluoroalkoksylowych i PTFE dla strumieni odpadów z mieszanymi kwasami?

Mieszane strumienie odpadów kwasowych, mieszaniny kwasów azotowego, siarkowego, solnego i fluorowodorowego ze śladowymi rozpuszczalnikami organicznymi stanowią wyjątkowe wyzwanie przy wyborze grzejników fluoropolimerowych. Obydwa PFA (perfluoroalkoksy) i PTFE (politetrafluoroetylen) mają doskonałą odporność chemiczną, jednakże zachowują się inaczej w środowiskach mieszanych kwasów z substancjami utleniającymi i kwasem fluorowodorowym. PTFE wykazuje nieco większą obojętność chemiczną w temperaturze otoczenia, ale PFA ma lepszą odporność na przenikanie i pękanie naprężeniowe podczas cykli termicznych. Inżynierowie muszą wziąć pod uwagę trzy mierzalne parametry, porównując te dwa materiały do ​​ogrzewania strumieni odpadów: szybkość przenikania każdej z form kwasu przez polimer, reakcję materiału na kwasy utleniające w podwyższonych temperaturach oraz integralność mechaniczną złączy spawanych lub formowanych, gdy obecne są mieszane kwasy.

Różnice dyfuzyjne w warunkach mieszanych kwasów
PTFE i PFA mają ten sam szkielet węglowo--fluorowy, ale PFA ma perfluoroalkoksylowe łańcuchy boczne, które zmniejszają krystaliczność i zwiększają wolną objętość. Na przepuszczalność wpływa różnica strukturalna. Przy temperaturze 80 stopni i grubości ścianki 2,0 mm PTFE umożliwi przenikanie par kwasu azotowego w ilości około 0,8–1,2 g/m²·dzień, podczas gdy PFA pozwoli na przenikanie par kwasu azotowego w ilości 1,2–1,8 g/m²·dzień-o 40–50% więcej. Penetracja kwasu fluorowodorowego (HF) przez PTFE wynosi 0,3-0,5 g/m²-dzień, podczas gdy przenikanie PFA wynosi 0,5-0,8 g/m²-dzień. Zmniejszona krystaliczność PFA umożliwia dodatkowe ścieżki dyfuzji drobnych cząsteczek przez obszary amorficzne. Zwiększone przenikanie PFA w strumieniach odpadów zmieszanych kwasów pozwala kwasowi szybciej dotrzeć do znajdującego się pod spodem metalowego rdzenia grzejnego, skracając żywotność grzejnika o 20–30% w porównaniu z PTFE przy tej samej grubości ścianki. Jednak zwiększona krystaliczność PTFE ma wadę: jest on bardziej podatny na pękanie naprężeniowe pod wpływem silnych kwasów utleniających w temperaturach przekraczających 100 stopni. Naprężenia mechaniczne są lepiej absorbowane w amorficznych obszarach PFA, które są bardziej odporne na pękanie pod wpływem cykli cieplnych podczas stosowania mieszanych kwasów.

Atak kwasu utleniającego: Wydajność w wysokich temperaturach
Stężony kwas azotowy (20–40%) z innymi kwasami jest zwykle obecny w strumieniach odpadów mieszanych. Kwas azotowy jest silnym utleniaczem w temperaturach powyżej 90 stopni, działa na fluoropolimery poprzez usuwanie atomów fluoru z końców łańcuchów. PTFE, o wyższej masie cząsteczkowej i mniejszej liczbie końców łańcucha na jednostkę objętości, jest nieco bardziej odporny na ten atak niż PFA. W przyspieszonych testach zanurzeniowych (30% kwas azotowy, 110 stopni) PTFE stracił 0,5–1,0% swojej masy po 2000 godzinach, podczas gdy PFA stracił 1,5–2,5%. Rozróżnienie to jest istotne, jeśli strumień odpadów zawiera również kwas fluorowodorowy. Rozkład oksydacyjny jest katalizowany przez HF, zwiększając w ten sposób lukę. Na przykład w symulowanych warunkach strumienia odpadów przy zawartości 15% HNO3 + 5% HF w temperaturze 90 stopni grzejniki PTFE pękały po 3500 godzinach, a grzejniki PFA - po 2200 godzinach. PTFE zapewnia wymierną poprawę trwałości użytkowej w przypadku strumieni odpadów o temperaturze powyżej 100 stopni.

Integralność spoiny i wydajność połączenia
Większość grzałek zanurzeniowych ma złącza spawane lub formowane w miejscu połączenia osłony z fluoropolimeru z kołnierzem montażowym. PTFE nie można przetwarzać w stanie stopionym-i należy go spiekać ze sprasowanego proszku, dlatego połączenia spawane są trudne, a czasem słabsze niż materiał znajdujący się pod spodem. PFA można stopić i stopić w celu spawu, tworząc połączenia o wytrzymałości od 90 do 95 procent w stosunku do materiału fundamentowego. Awaria złącza jest typowym rodzajem awarii strumieni odpadów z mieszanym kwasem. Grzejniki PTFE wymagają mechanicznych złączek zaciskowych lub klejów, które ulegają zniszczeniu w strumieniach zawierających HF. Żywotność grzejników PFA ze złączami spawanymi jest 2-3 razy większa. Jeśli grzejnik ma być poddawany częstym cyklom termicznym (ponad 50 cykli na miesiąc) lub wibracjom mechanicznym, doskonała integralność połączenia PFA równoważy nieco lepszą odporność na przenikanie objętościowe PTFE.

Przewodnik po wyborze strumieni odpadów mieszanych
Skład strumienia odpadów i temperatura Zalecany materiał Krytyczny współczynnik wydajności Oczekiwany okres użytkowania (ściana 2,0 mm)
HNO3 (10–30%) + H2SO4 (10–20%),<80°C PFA or PTFE (equal) Permeation rate; both acceptable 5,000–8,000 hrs
HNO₃ (20–40%) + HF (1–5%), 80–100 stopni PTFE Odporność na utlenianie; PTFE jest o 30–40% lepszy PTFE: 3000–4500 godzin; PFA: 2000–3000 godzin
Mieszany kwas z rozpuszczalnikami organicznymi (5-15%)<90°C PFA Solvent resistance Less swelling of PFA PFA: 4,000-6,000 hours PTFE: 2,500-3,500 hours
HF (5-15%) + HCl (10-20%), >Niezbędne spawanie PFA pod kątem 90 stopni; Złącza PTFE pękają jako pierwsze PFA: 2500-3500 godzin; PTFE: 1000-1800 godzin
Ciągłe cykle termiczne (codziennie), dowolny kwas PFA Odporność na zmęczenie; Złącza PFA wytrzymują dłużej niż PTFE. PFA zapewnia 2–3× żywotność cykliczną
Układ wysokociśnieniowy > 2 bary, dowolny kwas PFA PFA w stanie stopionym-połączenia nadające się do obróbki Wartość ciśnienia PTFE nie jest zalecana powyżej 1,5 bara
Maksymalna wymagana czystość (<1 ppb extractables) PFA (high-purity grade) Lower extractables; PTFE sintered portions can release particles PFA recommended for semiconductor applications
Wniosek: Dopasuj materiał do dominującego mechanizmu uszkodzenia
PFA vs. PTFE for heating mixed acid waste streams: there is no clear winner. PTFE is superior than PFA for continuous operation at high temperatures with oxidising acids (particularly nitric and HF combinations) where life is limited by bulk permeation and oxidative degradation. PFA is superior to PTFE in applications where the integrity of the joint is the limiting factor in heat cycling, mechanical stress, organic solvents or pressure. For most mixed acid waste streams in operation below 90°C and with moderate cycling, either material will give satisfactory service if specified with suitable wall thickness (minimum 2.0 mm). PTFE is safer at >100°C or with >5% HF. W przypadku częstych wahań temperatur (ponad 500 cykli/rok) lub wibracji preferowany jest PFA, ponieważ ma wyższą niezawodność połączenia, aczkolwiek ma nieco większą przepuszczalność. Inżynierowie powinni uzyskać od producenta grzejnika dane dotyczące przenikania dokładnej mieszaniny kwasów w planowanej temperaturze roboczej, ponieważ synergia między kwasami może wpływać na szybkość przenikania 2–3 razy w porównaniu z danymi dotyczącymi pojedynczego-kwasu.