Как правилно да намалите ватовата плътност на корпус от PFA, когато работите над 140 градуса в концентрирана сярна киселина?

Концентрираната сярна киселина (H2SO4) над 140 градуса е една от най-лошите настройки за потопяем нагревател на базата на полимер-. PFA (перфлуороалкокси алкан) проявява отлична химическа устойчивост до 180 градуса в много среди. Въпреки това, комбинираният ефект на високотемпературна концентрирана сярна киселина води до два различни механизма на разграждане, т.е. сулфониране на повърхността на границата на полимер-киселина и засилено проникване на вода и киселинни пари през флуорополимерната матрица. Обичайните данни за плътност във ватове за PFA тръби в неутрална или леко корозивна среда - 8 до 12 W/cm2 - са подвеждащо оптимистични, когато температурата в сярна киселина надвишава 140 градуса. По този начин работата на некоригирани нива води до бързо образуване на мехури и разслояване от вътрешната нагревателна сърцевина и окончателно разкъсване. Точното намаляване на плътността на ватовете изисква използването на зависими от температурата данни за химическа устойчивост, моделиране на проникването и разбиране на влиянието на концентрацията на киселина върху набъбването на PFA.

Термична и химическа устойчивост на PFA във висока концентрация на сярна киселина
Химическата стабилност на PFA е резултат от силата на връзката въглерод-флуор и екраниращия ефект на флуорните атоми по полимерния скелет. Концентрираната сярна киселина (над 90% от теглото) е силен дехидратиращ агент и лек окислител. При 140-160 градуса сярната киселина бавно разцепва етерните връзки в перфлуороалкокси страничните вериги, давайки малки количества карбоксилатни крайни групи и освобождавайки следи от флуороводород. Повърхностното разграждане не е достатъчно бързо, за да причини незабавна повреда, но увеличава пропускливостта на полимера както за вода, така и за киселина. Данните от дългосрочен тест за потапяне (5000 часа) показват, че PFA, подложен на 98% H 2 SO 4 при 150 градуса, има 40-60% увеличение на коефициента на проникване за влага върху неизложен материал. По този начин, за дизайна на нагревателя, максимално допустимата повърхностна температура трябва да бъде намалена, когато съдържанието на киселина се увеличи. Безопасната непрекъсната температура на повърхността на PFA корпуса с 96-98% H2SO4 при 140C е около 165C, така че само 25C разлика между повърхността на нагревателя и насипната киселина. При обемна температура от 150 градуса тази делта се свива до 15 градуса, като по този начин драстично ограничава възможния топлинен поток.

Над 140 градуса проникване-Механизми, предизвикани от повреда
Когато се използва нагревател в корпус от PFA- в концентрирана гореща сярна киселина, преобладаващият начин на повреда не е топенето или химическото разтваряне на насипния полимер, а натрупването на налягане в полимерната стена. Водата, присъстваща в киселината (дори концентрираната H2SO4 включва 2-4% вода спрямо теглото) дифундира през PFA и достига границата между полимера и вътрешния метален нагревателен елемент. Тези водни молекули бързо се превръщат в пара при повече от 140 градуса. В същото време малки количества сярна киселина, които са преминали през PFA, могат да ерозират в металното ядро, генерирайки водороден газ. Парата и водородът се събират в микроскопични пролуки или при контакта с полимер-метал. PFA обвивката започва да образува мехури, когато вътрешното газово налягане се повиши. Локалното изтъняване на полимерната стена се ускорява, когато започне образуването на мехури и температурата на повърхността на блистера се повишава допълнително чрез намален пренос на топлина през пълната с газ кухина. Тази верига на положителна обратна връзка обикновено води до катастрофално разкъсване за 200-500 часа при плътност на вата над 3,5 W/cm 2 при 150 градуса в 96% H 2 SO 4 . За разлика от това, работата на същия нагревател в разредена сярна киселина при същата обемна температура може да издържи 7-8 W/cm 2 без изгаряне.

Измерване на необходимото намаление на плътността на ватовете
Производителите на флуорополимерни нагреватели са провели систематични тестове, за да установят емпирични криви на намаляване на мощността за обвивките на PFA в концентрирана сярна киселина. Максималната устойчива плътност на вата показва грубо експоненциална тенденция на затихване с обща температура над 130 градуса. Безопасната ватова плътност при насипна температура от 140 градуса с 96% H2SO4 е 4,5–5,0 W/cm2, ако дебелината на стената на PFA е 1,5–2,0 mm и повърхността е чиста и незамърсена. Увеличаването на обемната температура до 150 градуса намалява приемливата граница до 2,8–3,2 W/cm². При насипна температура 160 градуса макс. ватовата плътност е намалена до 1,5–2,0 W/cm². Непрекъсната работа в 96% H2SO4 при насипна температура от 170 градуса не се препоръчва за никаква плътност във вата, тъй като механичната якост на PFA се влошава до степен, че наляганията на топлинно разширение сами по себе си могат да предизвикат счупване. Тези ограничения са около 15 – 20 % по-ниски в целия температурен диапазон за 98 % киселина. Намаляването на мощността се дължи най-вече на температурата на повърхността на самия PFA, която за дадена плътност на вата и коефициент на топлопреминаване ще бъде около 8 до 12 градуса над температурата на киселинната маса в добре -разбърквани системи и 20 до 30 градуса по-висока в резервоари в покой. Консервативният метод предполага по-високата делта, освен ако не е установена принудителна циркулация.

Ефекти от концентрацията: Защо 90% киселина не действа като 96% киселина
Един фактор, който рядко се взема предвид, е точната концентрация на сярна киселина в диапазона 90-100%. При 90-93% H2SO4 окислителният потенциал на киселината е по-нисък и равновесното съдържание на вода е по-високо. В този диапазон на концентрация, PFA показва около 50% по-ниска степен на водопоглъщане, отколкото за 96% киселина и набъбването на полимера е намалено при 140 градуса. По този начин безопасната ватова плътност при 140 градуса в 93% киселина се увеличава до 6,0–7,0 W/cm². При 98,5% и повече (димяща сярна киселина или олеум с разтворен SO₃) механизмът на разграждане се променя към директна електрофилна атака върху гръбнака на PFA. Нито един клас PFA не е подходящ за потапяне в олеум над 100 градуса при всякаква плътност на вата. Границата между "приемливо" и "неприемливо" е доста рязка и е установено, че е между 98,0% и 98,5% при високи температури. Следователно инженерите трябва да изискват проверено изследване на концентрацията на киселина, преди да изградят PFA нагревател за работа с почти концентрирана сярна киселина.

Приложение-Специфично ръководство за намаляване на мощността за обвивки от PFA в гореща сярна киселина
Максимално приемливите плътности във ватове като функция от температурата на насипната киселина, диапазона на концентрация и интензитета на разбъркване са обобщени в следващата таблица. Всички стойности са базирани на PFA стена с минимална дебелина от 1,5 mm и повърхност на нагревателя без отлагания или котлен камък.

Масова киселинна температура H₂SO₄ Концентрация Условия на разбъркване Макс. непрекъсната плътност във ватове Критичен ограничаващ фактор
130–140 градуса 90–93% Умерено до високо (Re > 10 000) 6,5–7,5 W/cm2 Степента на проникване все още е умерена; повърхностно сулфониране ниско 130–140 градуса 96–98% Ниво на разбъркване 4,0–5,0 W/cm² Водопропускливостта се увеличава; 20% намаление за резервоари в покой
90-93% 141-150 градуса Само принудителна циркулация 4,5–5,5 W/cm² Трябва да се избягва естествената конвекция. Трябва да се използват прегради, за да се осигури поток през повърхността. 141–150 градуса 96–98%Всяко състояние 2,8–3,2 W/cm^2 Рискът от образуване на мехури преобладава; изискваща месечна проверка на дебелината 151–160 градуса 90–93% Принудителна циркулация, лека турбуленция 2,0–2,5 W/cm² Повърхностно сулфониране, откриваемо след 2000 часа
96-98% 151-160°CNot advised, < 1.5 W/cm 2Reliable life less than 500 hour Consider alternate materials (quartz or SiC) >160°C Any >90%Не използвайте PFA Не е приложимо Разкъсване поради несъответствие на топлинното разширение с металната сърцевина; загуба на механична цялост
Практическо изпълнение: Измерване и проверка на адекватно намаляване на номиналните стойности
Просто оценяването на намалена плътност на ватовете без мерки за потвърждение не е достатъчно. За стари инсталации инфрачервен термометър или термодвойка, монтирани към стената на резервоара, не могат директно да наблюдават повърхностната температура на PFA. Вместо това трябва да се монтира термодвойка с тънък калибър по време на производството на нагревател в-между PFA обвивката и металната нагревателна сърцевина. Този вграден-сензор показва точната вътрешна-температура на стената. Разликата в температурата на вътрешната стена от температурата на киселинната маса не трябва да бъде повече от стойността, посочена от коефициента на топлопреминаване при приложената плътност във вата. За нови дизайни изберете нагревател с разпределена по-ниска плътност на вата. Това се постига чрез увеличаване на общата площ на нагревателната повърхност, НЕ чрез просто намаляване на мощността. Например нагревател от 6 kW при 3 W/cm2 изисква 2000 cm2 повърхност. Увеличаването на повърхностната площ запазва необходимата входяща топлина, без да превишава топлинните ограничения на материала.

Заключение: Намаляването на мощността е изчисление за безопасност, а не препоръка
Пускането на потопяем нагревател в корпус от PFA- при над 140 градуса в концентрирана сярна киселина без подходящо намалена плътност във вата крие риск от внезапна, непредвидена повреда. Регулиращите механизми – водопропускливост, парни мехурчета и повърхностно сулфониране – са добре-разбрани и количествено определени. Три точки от данни са необходими на инженерите, преди да могат да дефинират такъв нагревател: действителното киселинно съдържание (чрез титруване, а не по табелката), максималната очаквана обемна температура (включително смущения в процеса) и най-ниската очаквана скорост на течността през повърхността на нагревателя. От тези входове може да се избере подходящият коефициент на понижаване от публикувани таблици или да се провери с производителя на нагревателя. За плътност на вата по-малка от 2,5 W/cm^2 реалистична алтернатива на един голям нагревателен елемент е да се използват редица нагревателни елементи, които споделят термичното натоварване и осигуряват излишък.