Wyzwanie związane z przenikaniem chloru
W zakładach chloro-alkalicznych wymienniki ciepła obsługują mokry chlor gazowy o temperaturze 80-100 stopni. Chlor jest żrący i toksyczny. Materiał wymiennika ciepła musi być odporny na działanie środków chemicznych i musi także minimalizować przenikanie chloru przez ściankę rury. Chlor przenikający przez rury przedostaje się do układu pary i kondensatu, gdzie tworzy kwas solny i podchlorawy, powodując korozję dalszych elementów metalowych i stwarzając zagrożenie dla bezpieczeństwa.
Zarówno PTFE, jak i FEP są w pełni fluorowanymi polimerami o doskonałej odporności chemicznej na chlor. Obaj są kandydatami do tej służby. Ich szybkości przenikania do chloru różnią się znacznie ze względu na różnice w krystaliczności, wolnej objętości i strukturze molekularnej. Różnica może określić, który materiał zapewnia akceptowalną trwałość i bezpieczeństwo.
Krystaliczność-Zależność przenikania
Przenikanie gazu przez polimer zachodzi tylko przez obszary amorficzne. Regiony krystaliczne są nieprzepuszczalne,-łańcuchy są upakowane zbyt ciasno, aby mogły przejść cząsteczki gazu. Ogólna szybkość przenikania jest proporcjonalna do frakcji amorficznej i współczynnika dyfuzji przez tę frakcję.
PTFE ma krystaliczność 50-70%. FEP ma krystaliczność 30-45%. Frakcja amorficzna FEP jest o 50-70% większa niż PTFE. Droga dyfuzji cząsteczek chloru jest odpowiednio dłuższa.
Chlor gazowy (Cl₂) to stosunkowo duża cząsteczka o średnicy kinetycznej około 4,2 Å. Dyfunduje powoli przez ograniczoną wolną objętość fazy amorficznej. W FEP większa frakcja amorficzna i nieco bardziej otwarta struktura (ze względu na grupy boczne -CF₃ w łańcuchu polimeru) powodują wyższy współczynnik dyfuzji niż w PTFE.
Połączenie większej frakcji amorficznej i wyższego współczynnika dyfuzji daje FEP szybkość przenikania około 2-3 razy większą niż PTFE w tej samej temperaturze.
| Parametr przenikania | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Krystaliczność (%) | 55-65 (typowo) | 35-42 (typowe) |
| Frakcja amorficzna (%) | 35-45 | 58-65 |
| Względny współczynnik dyfuzji Cl₂ | 1,0 (wartość bazowa) | 1.3-1.6 |
| Względna szybkość przenikania Cl₂ przy 100 stopniach | 1,0 (wartość bazowa) | 2.0-3.0 |
| Szybkość przenikania przy 100 stopniach, 1 bar ΔP (cm3·mm/m²·dzień·bar) | 0.8-1.5 | 2.0-4.5 |
| Efekt wzrostu temperatury o 20 stopni | Przenikanie ~2× | Przenikanie ~2× |
Przyspieszenie temperatury
Szybkość przenikania wzrasta wykładniczo wraz z temperaturą. Energia aktywacji przenikania chloru przez PTFE i FEP wynosi około 30-40 kJ/mol. Szybkość podwaja się w przybliżeniu przy każdym wzroście temperatury o 20 stopni. Przy 80 stopniach współczynniki przenikania stanowią w przybliżeniu połowę wartości przy 100 stopniach. W temperaturze 120 stopni są w przybliżeniu podwójne.
W przypadku procesów prowadzonych w pobliżu górnej granicy zakresu temperatur, wyższa szybkość przenikania FEP może stać się nie do zaakceptowania. Stężenie chloru w układzie-kondensatu pary może przekroczyć bezpieczne granice lub tempo korozji w dalszej części instalacji może stać się nadmierne. Niższy współczynnik przenikania PTFE zapewnia margines bezpieczeństwa.
Konsekwencje dotyczące bezpieczeństwa i konserwacji
Chlor przenikający przez ściankę rury nie powoduje natychmiastowej awarii. Z biegiem czasu gromadzi się w systemie-kondensatu parowego. Pierwszą oznaką problemu może być korozja rury powrotnej kondensatu lub odwadniacza lub zapach chloru podczas konserwacji. Do tego czasu szkody zostały już wyrządzone.
Niższy stopień przenikania PTFE zmniejsza skumulowane wnikanie chloru w całym okresie użytkowania urządzenia. Elementy systemu-kondensatu pary wytrzymują dłużej. Obciążenia konserwacyjne są mniejsze. Zmniejsza się ryzyko bezpieczeństwa wynikające z narażenia na chlor.
Wybór PTFE zamiast FEP do stosowania z chlorem opiera się na różnicy szybkości przenikania i jej-długoterminowych konsekwencjach dla całego systemu, a nie tylko samego wymiennika ciepła.
Streszczenie
Rury wymienników ciepła FEP mają współczynnik przenikania chloru 2-3 razy wyższy niż PTFE w temperaturze 100 stopni, ze względu na niższą krystaliczność FEP i bardziej otwartą strukturę molekularną. Wyższy stopień przenikania zwiększa wnikanie chloru do układu-kondensatu parowego, przyspieszając korozję dalszych elementów i zwiększając ryzyko bezpieczeństwa. Niższy współczynnik przenikania PTFE zapewnia doskonałą długoterminową ochronę systemu. W przypadku chloru powyżej 80 stopni preferowanym fluoropolimerem jest PTFE.
Wsparcie techniczne w zakresie doboru fluoropolimerów do stosowania z chlorem i halogenami jest dostępne po przedstawieniu składu gazu, temperatury i ciśnienia roboczego, materiałów znajdujących się na dalszym etapie instalacji oraz historii korozji.
