Как да сравним дългосрочната-хидролитична стабилност на PFA спрямо FEP нагреватели за-нагрети с пара киселинни смеси?

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 градуса, PFA е 3-5 пъти по-добър от FEP. И двете са доста под 130 градуса. Основната разлика между полимерите е тяхната устойчивост на хидролитично разкъсване на веригата при повишени температури, където увеличеното молекулно тегло на PFA и по-стабилните перфлуороалкокси странични вериги имат предимство в издръжливостта.

Пътища на хидролитично разграждане
В загряти с пара киселинни смеси са активни три пътя на разграждане. Първият е директната хидролиза на полимерната верига. Над 140 градуса и в присъствието на вода и киселина, атаката на краищата на веригата при C-F връзките е предпочитана. Водните молекули катализират създаването на крайни групи на карбоксилна киселина (CF2-COOH), които допълнително катализират разграждането-автокаталитичен процес. FEP има по-уязвими верижни окончания на единица обем от PFA, като има -O-CF2-CF2-O- странични вериги, които са по-стабилни, поради -CF3 страничните групи. Проучванията за ускорено стареене при 160 градуса в 20% H₂SO₄ + пара показват, че FEP губи 15–25% от якостта на опън след 2000 часа, а PFA губи 5–10%.

Вторият механизъм е корозия, ускорена от пропускливостта. Полимерната стена е по-пропусклива за пара, отколкото за течна вода. Степента на проникване на пара през FEP (1,0-2,0 g/m2 ден за 2 mm стена) е 2-3 пъти по-висока от PFA (0,4-0,8 g/m2 ден) при 150 градуса. Повишеното проникване носи повече пара към металната сърцевина и ускорява корозията на сърцевината. Продуктите от корозията на металното ядро ​​(сулфати на желязо в H 2 SO 4 , хлориди на желязо в HCl) имат по-голям обем от оригиналния метал. Това генерира вътрешно налягане и причинява образуване на мехури и напукване на полимера отвътре навън. По-високото проникване на FEP причинява по-ранно образуване на мехури.

Третият механизъм е крекинг под въздействието на околната среда (ESC). Парата и киселината са агенти за напукване под напрежение, особено при температури, близки до точката на топене на полимера. FEP има по-ниска точка на топене (255 градуса спрямо . 305 градуса за PFA), което означава, че при 180 градуса FEP е при 70% от температурата на топене (Tm) в сравнение с 59% за PFA. Пълзенето и релаксацията на напрежението са по-забележими при FEP при повишени температури, докато ESC възниква при по-ниски приложени напрежения. Нагревател с 3–4 MPa остатъчни напрежения от производството може да се спука във FEP в рамките на една година при 170 градуса, но въпреки това да издържи 5+ години в PFA.

Данни, сравняващи хидролитичната стабилност
Параметър FEP PFA Предимство
Температура на непрекъсната употреба (въздух) 200 градуса 180 градуса PFA +20 градуса
Точка на топене (Tm) 305 – 315 градуса 255 – 265 градуса PFA +50 градуса
Скорост на проникване на водни пари при 150 градуса, 2 mm стена (g/m2/ден) 0,4–0.8 1.0–2,0 PFA 2–3× по-ниска
Запазване на якостта на опън след 2000 часа в пара + 20 % H₂SO₄ 160 градуса 85–92% 70–78% PFA 15–20% по-добре
Удължението при идентична експозиция се запазва 80–85 % 55–65 %PFA 25-30% по-добро
Време за образуване на мехури (2 mm стена, пара + 30% H2SO4, 160 градуса ) 3000-5000 часа 800-1500 часа PFA 2-3× по-дълго
Степен на хидролитична стабилност (ASTM D543) при 150 градуса в киселина/пара 9/10 (отличен) 6/10 (добър) PFA по-добър
Steam stress crack resistance 170°C (hours to failure 5 MPa applied stress) >10,000 1,500-3000 PFA 3-5 пъти по-добре
Максимална работна температура за 5-годишен живот в пара + 50% H2SO4 170 градуса 140 градуса PFA +30 градуса
Ръководство за избор на конкретно приложение
Киселинна смес, нагрята-на пара. Препоръчителен температурен диапазон на материала Обосновка
H₂SO₄, разредена (5–20%) + пара<130°C PFA or FEP (both OK)Cost may dictate FEP choice
Разреден H₂SO₄ (5–20 %) + пара 130–160 градуса PFA FEP се разгражда след 1–2 години
50-80% концентрирана H2SO4 + пара<120°C PFA or FEPLimited by acid compatibility
Концентрирана H2SO4 (50-80%) + пара 120-150 C PFA само FEP се проваля за месеци
HNO₃ (10–30%) + пара<140°C PFA FEP degrades from oxidation
HCl (10-30%) + пара<150°C PFA FEP penetration causes core corrosion
Смесена киселина (H₂SO₄ + HNO3 + H2O) + пара < 160 градуса само PFA Екстремен климат, FEP неподходящ
Дигестер (H2SO4 + органични) + пара 160–180 градуса PFA дебела стена (2,5–3,0 mm) PFA на границата; FEP ще се срине бързо
Автоклав (киселина + пара, партида) 200 градуса (преходно) Няма; използвайте кварц или метал Над дългосрочните-лимити на PFA
Полеви данни за хидролизен реактор
Едно химическо съоръжение използва два идентични реактора за хидролиза, работещи при 150 градуса с инжектиране на пара върху 30% H2SO4. Реактор А използва PFA нагревател (2,0 mm стена). В реактор Б беше използван FEP нагревател (2,0 mm стена) . 18 месеца непрекъсната работа на:

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

Реактор B (FEP): Нагревателят имаше няколко периферни пукнатини на фланеца (напукване от напрежение), изолационното съпротивление намаля до 10 MΩ, заменено след 22 месеца. Нагревателят FEP също има 30% по-малко удължение при скъсване от новия.

The plant converted all reactors to PFA and took FEP heaters out of steam acid service >130 градуса. Първоначалната премия за разходите за PFA (15-25% над FEP) беше възстановена в първия цикъл на подмяна (22 месеца срещу . 36+ месеца).

Съображения за проектиране на услугата Steam{0}}Acid
За киселинни смеси, загряти с пара, използвайте PFA, ако температурата е по-висока от 130 градуса или ако съдържанието на киселина е по-високо от 20% и използвайте FEP в противен случай. За работа при температури над 150 градуса, допълнителните изисквания са: (1) По-дебела PFA стена (2,5-3,0 mm) за намаляване на пропускливостта и осигуряване на ерозия. (2) Инсталирайте влагоуловител или продухване с азот в студения край, за да предотвратите кондензация на пара в зоната на терминала. (3) Ограничете плътността на ватовете до По-малко или равно на 2,5 W/cm², за да поддържате температурата на вътрешната повърхност на 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 до<100 MΩ indicates penetration or breaking.

Гледайте FEP нагреватели, които вече работят с пара и киселина. Първоначалният индикатор за разграждане е загуба на повърхностен блясък (матово покритие), след това пожълтяване, след това напукване. FEP, който е станал кафяв, е близо до провал. Замяната на PFA се препоръчва при първата индикация за разграждане. Без чакане за изтичане.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: PFA показва по-добра хидролитична стабилност за киселини, загряти с пара
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 градуса със силни киселини. Премията за разходите (15–25%) за PFA е оправдана от намалената честота на смяна, по-малко време на престой и по-малко опасности от замърсяване. В леки киселини под 130 градуса FEP дава приемлива производителност на по-ниска цена. Инженерите, които определят нагреватели за биореактори, хидролизатори или парни-киселинни реактори във всяко приложение, където дългосрочната-надеждност е от съществено значение, трябва да посочат PFA. FEP е много подходящ за по-ниски температури или по-малко взискателни приложения, където е приемлив по-кратък живот. Когато се съмнявате, изберете PFA. Незначителните спестявания на материали са повече от компенсирани от повреда на FEP нагревател в реактор с гореща киселина-замърсяване на банята, непланирано спиране, труд за подмяна. PFA е нормата за киселинни смеси, нагрявани с пара. FEP е изключение за ниска температура или не-критична услуга.