Jak porównać długoterminową-stabilność hydrolityczną grzejników PFA i FEP dla parowych{{2}ogrzanych mieszanin kwasów?

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 stopni, PFA jest 3-5 razy lepszy niż FEP. Obie są znacznie poniżej 130 stopni. Zasadniczą różnicą między polimerami jest ich odporność na hydrolityczne rozerwanie łańcucha w podwyższonych temperaturach, gdzie zwiększona masa cząsteczkowa PFA i bardziej stabilne perfluoroalkoksylowe łańcuchy boczne mają przewagę pod względem trwałości.

Drogi degradacji hydrolitycznej
W ogrzewanych parą mieszaninach kwasów aktywne są trzy ścieżki degradacji. Pierwszym z nich jest bezpośrednia hydroliza łańcucha polimeru. Powyżej 140 stopni i w obecności wody i kwasu preferowany jest atak końców łańcucha przy wiązaniach C-F. Cząsteczki wody katalizują tworzenie końcowych grup kwasu karboksylowego (CF2-COOH), które dodatkowo katalizują degradację-w procesie autokatalitycznym. FEP ma bardziej wrażliwe zakończenia łańcucha na jednostkę objętości niż PFA, mając łańcuchy boczne -O-CF2-CF2-O-, które są bardziej stabilne dzięki grupom bocznym -CF3. Badania przyspieszonego starzenia w temperaturze 160 stopni w 20% H₂SO₄ + para wodna wskazują, że FEP traci 15–25% wytrzymałości na rozciąganie po 2000 godzinach, a PFA traci 5–10%.

Drugim mechanizmem jest korozja przyspieszona przez przepuszczalność. Ściana polimerowa jest bardziej przepuszczalna dla pary niż dla wody w stanie ciekłym. Szybkość przenikania pary wodnej przez FEP (1,0-2,0 g/m2 dzień dla ściany o grubości 2 mm) jest 2-3 razy większa niż PFA (0,4-0,8 g/m2 dzień) w temperaturze 150 stopni. Zwiększona penetracja dostarcza więcej pary do metalowego rdzenia i przyspiesza korozję rdzenia. Produkty korozji rdzenia metalowego (siarczany żelaza w H 2 SO 4 , chlorki żelaza w HCl ) mają większą objętość niż pierwotny metal. Wytwarza to ciśnienie wewnętrzne i powoduje powstawanie pęcherzy i pękanie polimeru od wewnątrz. Wyższa przenikalność FEP powoduje wcześniejsze powstawanie pęcherzy.

Trzecim mechanizmem jest pękanie pod wpływem naprężeń środowiskowych (ESC). Para wodna i kwas są środkami powodującymi pękanie naprężeniowe, zwłaszcza w temperaturach bliskich temperaturze topnienia polimeru. FEP ma niższą temperaturę topnienia (255 stopni w porównaniu z. 305 stopniami dla PFA), co oznacza, że ​​przy 180 stopniach FEP ma 70% temperatury topnienia (Tm) w porównaniu do 59% dla PFA. Pełzanie i relaksacja naprężeń są bardziej widoczne w FEP w podwyższonych temperaturach, podczas gdy ESC występuje przy niższych przyłożonych naprężeniach. Grzejnik poddawany naprężeniom szczątkowym 3–4 MPa podczas produkcji może pęknąć w FEP w ciągu roku w temperaturze 170 stopni, ale wytrzymać 5+ lat w PFA.

Dane porównujące stabilność hydrolityczną
Parametr FEP PFA Zaleta
Temperatura ciągłego użytkowania (powietrze) 200 stopni 180 stopni PFA +20 stopni
Temperatura topnienia (Tm) 305 – 315 stopni 255 – 265 stopni PFA +50 stopni
Szybkość przenikania pary wodnej przy 150 stopniach, ścianka 2 mm (g/m2/dzień) 0,4–0.8 1.0–2,0 PFA 2–3× niższa
Utrzymanie wytrzymałości na rozciąganie po 2000 godz. w parze + 20 % H₂SO₄ 160 stopni 85–92% 70–78% PFA 15–20% lepiej
Wydłużenie przy identycznej ekspozycji zachowane 80–85% 55–65% PFA 25–30% lepsze
Czas powstawania pęcherzy (ścianka 2 mm, para + 30% H2SO4, 160 stopni) 3000-5000 godzin 800-1500 godzin PFA 2-3× dłużej
Stopień stabilności hydrolitycznej (ASTM D543) w temperaturze 150 stopni w kwasie/parze 9/10 (doskonały) 6/10 (dobry) PFA lepszy
Steam stress crack resistance 170°C (hours to failure 5 MPa applied stress) >10,000 1,500-3000 PFA 3-5 razy lepiej
Maksymalna temperatura pracy przez 5 lat w parze + 50% H2SO4 170 stopni 140 stopni PFA +30 stopni
Przewodnik po wyborze konkretnego zastosowania
Mieszanka kwasów, podgrzewana-parą. Zalecane uzasadnienie zakresu temperatur materiału
H₂SO₄, rozcieńczony (5–20%) + para<130°C PFA or FEP (both OK)Cost may dictate FEP choice
Rozcieńczony H₂SO₄ (5–20 %) + para wodna 130–160 stopni PFA FEP ulega degradacji po 1–2 latach
Para stężona 50–80% H2SO4 +<120°C PFA or FEPLimited by acid compatibility
Stężony H2SO4 (50-80%) + para 120-150 C Tylko PFA FEP zawodzi w ciągu miesięcy
HNO₃ (10–30%) + para<140°C PFA FEP degrades from oxidation
HCl (10-30%) + para<150°C PFA FEP penetration causes core corrosion
Mieszany kwas (H₂SO₄ + HNO₃ + H₂O) + para < 160 stopni Tylko PFA Klimat ekstremalny, nieodpowiedni FEP
Fermentator (substancje organiczne H2SO4 +) + para PFA o grubości ścianki 160–180 stopni (2,5–3,0 mm) PFA na granicy; FEP szybko by się załamał
Autoklaw (kwas + para, wsad) 200 stopni (przejściowa) Brak; używaj kwarcu lub metalu w przypadku przekraczania-terminowych limitów PFA
Dane terenowe dla reaktora hydrolizy
W zakładzie chemicznym zastosowano dwa identyczne reaktory do hydrolizy pracujące w temperaturze 150 stopni z wtryskiem pary na 30% H2SO4. W reaktorze A zastosowano grzejnik PFA (ścianka 2,0 mm). W reaktorze B zastosowano grzejnik FEP (ścianka 2,0 mm). 18 miesięcy ciągłej pracy:

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

Reaktor B (FEP): Nagrzewnica miała kilka pęknięć obwodowych na kołnierzu (pęknięcia naprężeniowe), rezystancja izolacji spadła do 10 MΩ, wymieniona po 22 miesiącach. Grzejnik FEP miał również o 30% mniejsze wydłużenie przy zerwaniu niż nowy.

The plant converted all reactors to PFA and took FEP heaters out of steam acid service >130 stopni. Początkowa premia za koszty PFA (15–25% w porównaniu z FEP) została odzyskana w pierwszym cyklu wymiany (22 miesiące w porównaniu z. 36+ miesiącami).

Uwagi projektowe dotyczące usługi Steam-Acid
W przypadku mieszanek kwasowych podgrzewanych parą należy zastosować PFA, jeśli temperatura jest wyższa niż 130 stopni lub jeśli zawartość kwasu jest wyższa niż 20%, w innym przypadku należy zastosować FEP. W przypadku pracy w temperaturach powyżej 150 stopni dodatkowe wymagania są następujące: (1) Grubsza ścianka PFA (2,5–3,0 mm) w celu zmniejszenia przepuszczalności i zapewnienia naddatku na erozję. (2) Zainstalować pochłaniacz wilgoci lub filtr azotu na zimnym końcu, aby zapobiec kondensacji pary w obszarze terminala. (3) Ogranicz gęstość watów do wartości mniejszej lub równej 2,5 W/cm², aby utrzymać temperaturę wewnętrznej powierzchni PFA<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 do<100 MΩ indicates penetration or breaking.

Zobacz nagrzewnice FEP już w eksploatacji parowej i kwasowej. Początkową oznaką degradacji jest utrata połysku powierzchni (matowe wykończenie), następnie żółknięcie i pękanie. FEP, który stał się brązowy, jest bliski awarii. Przy pierwszych oznakach degradacji zaleca się wymianę PFA. Bez czekania na wyciek.

WNIOSEK: PFA wykazuje lepszą stabilność hydrolityczną w przypadku kwasów podgrzewanych parą
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 stopni z mocnymi kwasami. Wzrost kosztów (15–25%) w przypadku PFA jest uzasadniony zmniejszoną częstotliwością wymiany, krótszymi przestojami i mniejszym ryzykiem zanieczyszczenia. W łagodnych kwasach poniżej 130 stopni FEP zapewnia akceptowalną wydajność przy niższych kosztach. Inżynierowie wybierający grzejniki do komór fermentacyjnych, hydrolizerów lub reaktorów parowych-kwasowych do wszelkich zastosowań, w których istotna-jest długoterminowa niezawodność, powinni określić PFA. FEP dobrze nadaje się do zastosowań w niższych temperaturach lub mniej wymagających, gdzie akceptowalna jest krótsza żywotność. W razie wątpliwości wybierz PFA. Niewielkie oszczędności materiałowe są z nawiązką kompensowane przez awarię grzejnika FEP w reaktorze z gorącym kwasem,{{12}zanieczyszczenie kąpieli, nieplanowane przestoje i wymianę. PFA jest normą dla mieszanek kwasów podgrzewanych parą. FEP stanowi wyjątek w przypadku usług niskotemperaturowych lub-niekrytycznych.