จะเปรียบเทียบ-ความเสถียรทางไฮโดรไลติกในระยะยาวของ PFA กับเครื่องทำความร้อน FEP สำหรับส่วนผสมกรดที่ให้ความร้อนด้วยไอน้ำ-ได้อย่างไร

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 องศา PFA ดีกว่า FEP 3-5 เท่า ทั้งสองมีอุณหภูมิต่ำกว่า 130 องศามาก ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างโพลีเมอร์คือความต้านทานต่อการแตกตัวของโซ่ไฮโดรไลติกที่อุณหภูมิสูง ซึ่งน้ำหนักโมเลกุลที่เพิ่มขึ้นของ PFA และสายด้านข้างเพอร์ฟลูออโรอัลคอกซีที่เสถียรกว่ามีข้อได้เปรียบในด้านความทนทาน

เส้นทางการย่อยสลายไฮโดรไลติก
ในส่วนผสมของกรดที่ให้ความร้อนด้วยไอน้ำ มีวิถีการย่อยสลายสามวิถีที่ทำงานอยู่ ประการแรกคือการไฮโดรไลซิสโดยตรงของโซ่โพลีเมอร์ เหนือ 140 องศาและเมื่อมีน้ำและกรด การโจมตีของสายโซ่จะสิ้นสุดลงที่พันธะ C-F โมเลกุลของน้ำกระตุ้นการสร้างกลุ่มปลายกรดคาร์บอกซิลิก (CF2-COOH) ซึ่งเร่งการย่อยสลายเพิ่มเติม-กระบวนการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ FEP มีการสิ้นสุดสายโซ่ที่มีความเสี่ยงต่อหน่วยปริมาตรมากกว่า PFA โดยมีสายโซ่ด้านข้าง -O-CF2-CF2-O- ซึ่งมีความเสถียรมากกว่า เนื่องจากกลุ่มด้าน -CF3 การศึกษาการเร่งอายุที่ 160 องศาใน 20% H₂SO₄ + ไอน้ำ บ่งชี้ว่า FEP สูญเสียความต้านทานแรงดึง 15–25% หลังจาก 2000 ชั่วโมง และ PFA สูญเสีย 5–10%

กลไกที่สองคือการกัดกร่อนแบบเร่งการซึมผ่าน ผนังโพลีเมอร์สามารถซึมผ่านไอน้ำได้ดีกว่าน้ำของเหลว อัตราการซึมผ่านของไอน้ำผ่าน FEP (1.0-2.0 กรัม/ตารางเมตร วัน สำหรับผนัง 2 มม.) สูงกว่า PFA 2-3 เท่า (0.4-0.8 กรัม/ตารางเมตร วัน) ที่ 150 องศา การเจาะที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ไอน้ำเข้าสู่แกนโลหะมากขึ้น และเร่งการกัดกร่อนของแกนโลหะให้เร็วขึ้น ผลิตภัณฑ์ที่มีการกัดกร่อนของแกนโลหะ (ซัลเฟตของเหล็กใน H 2 SO 4 , คลอไรด์ของเหล็กใน HCl ) มีปริมาตรสูงกว่าโลหะดั้งเดิม สิ่งนี้จะสร้างแรงกดดันภายในและทำให้โพลีเมอร์พองและแตกร้าวจากภายในสู่ภายนอก การซึมผ่านของ FEP ที่สูงขึ้นทำให้เกิดพุพองเร็วขึ้น

กลไกที่สามคือการแตกความเครียดจากสิ่งแวดล้อม (ESC) ไอน้ำและกรดเป็นสารในการแตกร้าวจากความเค้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิใกล้จุดหลอมเหลวของโพลีเมอร์ FEP มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า (255 องศา เทียบกับ. 305 องศาสำหรับ PFA) ซึ่งหมายความว่าที่ 180 องศา FEP จะอยู่ที่ 70% ของอุณหภูมิหลอมเหลว (Tm) เทียบกับ 59% สำหรับ PFA การคืบคลานและการผ่อนคลายความเครียดมีความโดดเด่นมากกว่าใน FEP ที่อุณหภูมิสูง ในขณะที่ ESC เกิดขึ้นพร้อมกับความเครียดที่ลดลง เครื่องทำความร้อนที่มีความเค้นตกค้างจากการผลิต 3–4 MPa อาจแตกร้าวใน FEP ภายในหนึ่งปีที่ 170 องศา แต่ยังทนทานต่อ PFA ได้ 5+ ปี

ข้อมูลเปรียบเทียบความเสถียรของไฮโดรไลติก
พารามิเตอร์ FEP PFA ข้อได้เปรียบ
อุณหภูมิการใช้งานต่อเนื่อง (อากาศ) 200 องศา 180 องศา PFA +20 องศา
จุดหลอมเหลว (Tm) 305 – 315 องศา 255 – 265 องศา PFA +50 องศา
อัตราการซึมผ่านของไอน้ำที่ 150 องศา ผนัง 2 มม. (กรัม/ตารางเมตร/วัน) 0.4–0.8 1.0–2.0 PFA ต่ำกว่า 2–3 เท่า
การคงความต้านทานแรงดึงหลังจาก 2000 ชม. ในไอน้ำ + 20 % H₂SO₄ 160 องศา 85–92% 70–78% PFA ดีขึ้น 15–20%
การยืดตัวโดยได้รับแสงเท่ากันจะคงอยู่ 80–85 % 55–65 % PFA ดีขึ้น 25-30%
ระยะเวลาในการพองตัว (ผนัง 2 มม. ไอน้ำ + 30% H2SO4, 160 องศา ) 3,000-5,000 ชั่วโมง 800-1,500 ชั่วโมง PFA นานกว่า 2-3×
เกรดความคงตัวของไฮโดรไลติก (ASTM D543) ที่ 150 องศา ในกรด/ไอน้ำ 9/10 (ดีเยี่ยม) 6/10 (ดี) PFA ดีกว่า
Steam stress crack resistance 170°C (hours to failure 5 MPa applied stress) >10,000 1,500-3,000 PFA ดีกว่า 3-5 เท่า
อุณหภูมิการใช้งานสูงสุดสำหรับอายุการใช้งาน 5 ปีในไอน้ำ + 50% H2SO4 170 องศา 140 องศา PFA +30 องศา
คู่มือการเลือกใช้งานเฉพาะ
ส่วนผสมของกรด ไอน้ำ-การให้ความร้อนวัสดุที่แนะนำ ช่วงอุณหภูมิ การใช้เหตุผล
H₂SO₄, เจือจาง (5–20%) + ไอน้ำ<130°C PFA or FEP (both OK)Cost may dictate FEP choice
เจือจางH₂SO₄ (5–20 %) + ไอน้ำ 130–160 องศา PFA FEP จะลดลงหลังจาก 1–2 ปี
ไอน้ำ H2SO4 + เข้มข้น 50-80%<120°C PFA or FEPLimited by acid compatibility
H2SO4 แบบเข้มข้น (50-80%) + ไอน้ำ 120-150 C PFA เท่านั้น FEP ล้มเหลวในเดือน
HNO₃ (10–30%) + ไอน้ำ<140°C PFA FEP degrades from oxidation
HCl (10-30%) + ไอน้ำ<150°C PFA FEP penetration causes core corrosion
กรดผสม (H₂SO₄ + HNO₃ + H₂O) + ไอน้ำ < 160 องศา PFA เท่านั้น สภาพภูมิอากาศที่รุนแรง, FEP ไม่เหมาะสม
เครื่องย่อย (H2SO4 + สารอินทรีย์) + ไอน้ำ ผนังหนา PFA 160–180 องศา (2.5–3.0 มม.) PFA ที่ขีดจำกัด; FEP จะล่มสลายอย่างรวดเร็ว
หม้อนึ่งความดัน (กรด + ไอน้ำ ชุด) 200 องศา (ชั่วคราว) ไม่มี; ใช้ควอตซ์หรือโลหะเกินขีดจำกัด- PFA ระยะยาว
ข้อมูลภาคสนามสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรไลซิส
โรงงานเคมีแห่งหนึ่งใช้เครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรไลซิสที่เหมือนกันสองตัวที่ทำงานที่ 150 องศา โดยมีการฉีดไอน้ำที่ 30% H2SO4 เครื่องปฏิกรณ์ A ใช้เครื่องทำความร้อน PFA (ผนัง 2.0 มม.) ในเครื่องปฏิกรณ์ B เครื่องทำความร้อน FEP (ผนัง 2.0 มม.) ถูกใช้ไป . 18 เดือนของการทำงานต่อเนื่องของ:

Reactor A (PFA): Heater surface showed slight yellowing, no cracking, insulation resistance >200 MΩ ใช้งานได้ 36 เดือน

เครื่องปฏิกรณ์ B (FEP): เครื่องทำความร้อนมีรอยแตกตามเส้นรอบวงหลายเส้นที่หน้าแปลน (การแตกร้าวจากความเค้น) ความต้านทานของฉนวนลดลงเหลือ 10 MΩ เปลี่ยนใหม่หลังจากผ่านไป 22 เดือน เครื่องทำความร้อน FEP ยังมีการยืดตัวเมื่อขาดน้อยกว่าเครื่องทำความร้อนใหม่ถึง 30%

The plant converted all reactors to PFA and took FEP heaters out of steam acid service >130 องศา . เบี้ยประกันภัยต้นทุนเริ่มต้นสำหรับ PFA (15-25% มากกว่า FEP) ได้รับการกู้คืนในรอบการเปลี่ยนครั้งแรก (22 เดือนเทียบกับ. 36+ เดือน)

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบสำหรับ Steam-Acid Service
สำหรับกรดผสมที่ให้ความร้อนด้วยไอน้ำ ให้ใช้ PFA หากอุณหภูมิสูงกว่า 130 องศา หรือหากปริมาณกรดสูงกว่า 20% และใช้ FEP อย่างอื่น สำหรับการให้บริการที่อุณหภูมิสูงกว่า 150 องศา ข้อกำหนดเพิ่มเติมคือ: (1) ผนัง PFA ที่หนาขึ้น (2.5-3.0 มม.) เพื่อลดการซึมผ่านและเผื่อการพังทลาย (2) ติดตั้งเครื่องดูดความชื้นหรือไนโตรเจนที่ส่วนเย็นเพื่อป้องกันการควบแน่นของไอน้ำในบริเวณปลายทาง (3) จำกัดความหนาแน่นของวัตต์ให้น้อยกว่าหรือเท่ากับ 2.5 วัตต์/ซม.² เพื่อรักษาอุณหภูมิพื้นผิวด้านในของ 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 >1,000 MΩ ถึง<100 MΩ indicates penetration or breaking.

ดูเครื่องทำความร้อน FEP ในบริการไอน้ำและกรดแล้ว ตัวบ่งชี้เบื้องต้นของการเสื่อมสภาพคือการสูญเสียความมันเงาของพื้นผิว (ผิวด้าน) จากนั้นเปลี่ยนเป็นสีเหลือง จากนั้นจึงแตกร้าว FEP ที่กลายเป็นสีน้ำตาลใกล้จะล้มเหลว แนะนำให้เปลี่ยน PFA ในข้อบ่งชี้แรกของการเสื่อมสภาพ ไม่ต้องรอหลุด

สรุป: PFA แสดงความเสถียรทางไฮโดรไลติกที่ดีขึ้นสำหรับกรดที่ได้รับความร้อนด้วยไอน้ำ
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 องศา ด้วยกรดแก่ ค่าใช้จ่ายพรีเมียม (15–25%) สำหรับ PFA นั้นสมเหตุสมผลด้วยความถี่ในการเปลี่ยนที่ลดลง เวลาหยุดทำงานที่ลดลง และอันตรายจากการปนเปื้อนน้อยลง ในกรดอ่อนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 130 องศา FEP ให้ประสิทธิภาพที่ยอมรับได้ในราคาที่ถูกกว่า วิศวกรที่ระบุเครื่องทำความร้อนสำหรับเครื่องย่อย เครื่องไฮโดรไลเซอร์ หรือเครื่องปฏิกรณ์กรดไอน้ำ-ในการใช้งานใดๆ ที่จำเป็นต้องมีความน่าเชื่อถือในระยะยาว- ควรระบุ PFA FEP เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุณหภูมิที่ต่ำกว่าหรือการใช้งานที่มีความต้องการน้อยกว่า โดยที่อายุการใช้งานสั้นลงเป็นที่ยอมรับได้ หากมีข้อสงสัย ให้เลือก PFA การประหยัดวัสดุเพียงเล็กน้อยนั้นมากกว่าการชดเชยความล้มเหลวของเครื่องทำความร้อน FEP ในเครื่องปฏิกรณ์กรดร้อน-การปนเปื้อนในอ่าง การหยุดทำงานที่ไม่ได้กำหนดไว้ การเปลี่ยนแรงงาน PFA เป็นบรรทัดฐานสำหรับการผสมกรดที่ให้ความร้อนด้วยไอน้ำ FEP เป็นข้อยกเว้นสำหรับบริการที่มีอุณหภูมิต่ำหรือ-ไม่สำคัญ