Làm cách nào để so sánh độ ổn định thủy phân lâu dài-của PFA với bộ gia nhiệt FEP cho hỗn hợp axit đun nóng- bằng hơi nước?

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 độ, PFA tốt hơn 3-5 lần so với FEP. Cả hai đều dưới 130 độ. Sự khác biệt cơ bản giữa các polyme là khả năng chống phân mảnh chuỗi thủy phân ở nhiệt độ cao, trong đó trọng lượng phân tử tăng của PFA và chuỗi bên perfluoroalkoxy ổn định hơn có lợi thế về độ bền.

Các con đường phân hủy thủy phân
Trong hỗn hợp axit được đun nóng bằng hơi nước, có ba con đường phân hủy hoạt động. Đầu tiên là quá trình thủy phân trực tiếp chuỗi polymer. Trên 140 độ và khi có mặt nước và axit, sự tấn công của các đầu chuỗi ở liên kết C-F được ưa chuộng hơn. Các phân tử nước xúc tác cho việc tạo ra các nhóm cuối axit cacboxylic (CF2-COOH), nhóm này tiếp tục xúc tác cho quá trình phân hủy-một quá trình tự xúc tác. FEP có nhiều đầu chuỗi dễ bị tổn thương trên mỗi đơn vị thể tích hơn PFA, có chuỗi bên -O-CF2-CF2-O- ổn định hơn do có nhóm bên -CF3. Các nghiên cứu lão hóa tăng tốc ở 160 độ trong hơi nước 20% H₂SO₄ + cho thấy FEP mất 15–25% độ bền kéo sau 2000 giờ và PFA mất 5–10%.

Cơ chế thứ hai là sự ăn mòn tăng tốc tính thấm. Thành polyme dễ thấm hơi nước hơn so với nước lỏng. Tốc độ thâm nhập hơi nước qua FEP (1,0-2,0 g/m2 ngày đối với tường 2 mm) cao hơn 2-3 lần so với PFA (0,4-0,8 g/m2 ngày) ở 150 độ. Sự thâm nhập ngày càng tăng mang lại nhiều hơi nước hơn cho lõi kim loại và tăng tốc độ ăn mòn của lõi. Sản phẩm ăn mòn của lõi kim loại (sắt sunfat trong H 2 SO 4, clorua sắt trong HCl) có thể tích lớn hơn kim loại ban đầu. Điều này tạo ra áp suất bên trong và gây ra hiện tượng phồng rộp và nứt polyme từ trong ra ngoài. Độ thẩm thấu FEP cao hơn gây ra hiện tượng phồng rộp sớm hơn.

Cơ chế thứ ba là nứt ứng suất môi trường (ESC). Hơi nước và axit là tác nhân gây nứt do ứng suất, đặc biệt ở nhiệt độ gần đến điểm nóng chảy của polyme. FEP có điểm nóng chảy thấp hơn (255 độ so với . 305 độ đối với PFA), nghĩa là ở 180 độ FEP ở mức 70% nhiệt độ nóng chảy (Tm) so với 59% đối với PFA. Độ rão và giảm ứng suất nổi bật hơn trong FEP ở nhiệt độ cao trong khi ESC xảy ra với ứng suất thấp hơn. Một lò sưởi có ứng suất dư 3–4 MPa do quá trình sản xuất có thể bị nứt ở FEP trong vòng một năm ở 170 độ, nhưng vẫn chịu được 5+ năm trong PFA.

Dữ liệu so sánh độ ổn định thủy phân
Thông số FEP PFA Ưu điểm
Nhiệt độ sử dụng liên tục (không khí) 200 độ 180 độ PFA +20 độ
Điểm nóng chảy (Tm) 305 – 315 độ 255 – 265 độ PFA +50 độ
Tốc độ thấm hơi nước ở 150 độ, tường dày 2 mm (g/m2/ngày) 0,4–0.8 1.0–2,0 PFA Thấp hơn 2–3×
Duy trì độ bền kéo sau 2000 giờ trong hơi nước + 20 % H₂SO₄ 160 độ 85–92% 70–78% PFA tốt hơn 15–20%
Độ giãn dài với độ phơi sáng giống hệt được giữ lại 80–85 % 55–65 %PFA tốt hơn 25-30%
Thời gian phồng rộp (tường 2 mm, hơi nước + 30% H2SO4, 160 độ ) 3.000-5.000 giờ 800-1.500 giờ PFA dài hơn 2-3×
Cấp độ ổn định thủy phân (ASTM D543) ở 150 độ trong axit/hơi nước 9/10 (xuất sắc) 6/10 (tốt) PFA tốt hơn
Steam stress crack resistance 170°C (hours to failure 5 MPa applied stress) >Tốt hơn 10,000 1,500-3.000 PFA 3-5×
Nhiệt độ sử dụng tối đa cho tuổi thọ 5 năm trong hơi nước + 50% H2SO4 170 độ 140 độ PFA +30 độ
Hướng dẫn lựa chọn ứng dụng cụ thể
Hỗn hợp axit, làm nóng bằng hơi nước-Lý do về phạm vi nhiệt độ vật liệu được đề xuất
H₂SO₄, pha loãng (5–20%) + hơi nước<130°C PFA or FEP (both OK)Cost may dictate FEP choice
Pha loãng H₂SO₄ (5–20 %) + hơi nước 130–160 độ PFA FEP phân hủy sau 1–2 năm
50-80% hơi nước H2SO{2}} đậm đặc<120°C PFA or FEPLimited by acid compatibility
H2SO4 đậm đặc (50-80%) + hơi nước 120-150 C PFA chỉ FEP không hoạt động trong nhiều tháng
HNO₃ (10–30%) + hơi nước<140°C PFA FEP degrades from oxidation
HCl (10-30%) + hơi nước<150°C PFA FEP penetration causes core corrosion
Axit hỗn hợp (H₂SO₄ + HNO₃ + H₂O) + hơi nước < 160 độ Chỉ PFA Khí hậu khắc nghiệt, FEP không phù hợp
Nồi phân hủy (H2SO4 + chất hữu cơ) + hơi nước 160–180 độ thành dày PFA (2,5–3,0 mm) PFA ở giới hạn; FEP sẽ sụp đổ nhanh chóng
Nồi hấp (axit + hơi nước, mẻ) 200 độ (tạm thời) Không có; sử dụng thạch anh hoặc kim loại Trong các giới hạn PFA dài hạn{2}}
Dữ liệu thực địa cho lò phản ứng thủy phân
Một cơ sở hóa chất sử dụng hai lò phản ứng thủy phân giống hệt nhau làm việc ở 150 độ với phun hơi nước trên 30% H2SO4. Lò phản ứng A sử dụng bộ gia nhiệt PFA (tường 2,0 mm). Trong lò phản ứng B, bộ gia nhiệt FEP (tường 2,0 mm) đã được sử dụng trong . 18 tháng hoạt động liên tục của:

Reactor A (PFA): Heater surface showed slight yellowing, no cracking, insulation resistance >200 MΩ, sử dụng được 36 tháng.

Lò phản ứng B (FEP): Lò sưởi có vài vết nứt chu vi ở mặt bích (nứt do ứng suất), điện trở cách điện giảm xuống còn 10 MΩ, được thay thế sau 22 tháng. Bộ sưởi FEP cũng có độ giãn dài khi đứt ít hơn 30% so với bộ sưởi mới.

The plant converted all reactors to PFA and took FEP heaters out of steam acid service >130 độ. Phí bảo hiểm ban đầu cho PFA (15-25% so với FEP) đã được thu hồi trong chu kỳ thay thế đầu tiên (22 tháng so với . 36+ tháng).

Những cân nhắc về thiết kế cho dịch vụ axit-hơi nước
Đối với hỗn hợp axit, được làm nóng bằng hơi nước, sử dụng PFA nếu nhiệt độ cao hơn 130 độ hoặc nếu hàm lượng axit cao hơn 20% và sử dụng FEP nếu không. Đối với dịch vụ ở nhiệt độ trên 150 độ, các yêu cầu bổ sung là: (1) Tường PFA dày hơn (2,5-3,0 mm) để giảm tính thấm và cung cấp khả năng chống xói mòn. (2) Lắp đặt thiết bị hút ẩm hoặc lọc nitơ ở đầu lạnh để tránh sự ngưng tụ hơi nước ở khu vực đầu cuối. (3) Giới hạn mật độ watt ở mức Nhỏ hơn hoặc bằng 2,5 W/cm2 để giữ nhiệt độ bề mặt bên trong 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 đến<100 MΩ indicates penetration or breaking.

Xem máy sưởi FEP đã được sử dụng trong dịch vụ hơi nước và axit. Dấu hiệu ban đầu của sự xuống cấp là mất độ bóng bề mặt (lớp hoàn thiện mờ), sau đó chuyển sang màu vàng và nứt. FEP đã chuyển sang màu nâu gần như thất bại. Nên thay thế PFA khi có dấu hiệu xuống cấp đầu tiên. Không chờ đợi rò rỉ.

KẾT LUẬN: PFA cho thấy độ ổn định thủy phân tốt hơn đối với axit được đun nóng bằng hơi nước
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 độ với axit mạnh. Chi phí tăng thêm (15–25%) cho PFA được chứng minh bằng tần suất thay thế giảm, thời gian ngừng hoạt động thấp hơn và ít nguy cơ ô nhiễm hơn. Trong axit nhẹ dưới 130 độ FEP cho hiệu suất chấp nhận được với chi phí thấp hơn. Các kỹ sư chỉ định bộ gia nhiệt cho thiết bị phân hủy, thiết bị thủy phân hoặc lò phản ứng axit-hơi nước trong bất kỳ ứng dụng nào cần độ tin cậy lâu dài-nên chỉ định PFA. FEP rất phù hợp cho các ứng dụng có nhiệt độ thấp hơn hoặc ít đòi hỏi hơn, nơi có thể chấp nhận được tuổi thọ ngắn hơn. Khi nghi ngờ, hãy chọn PFA. Khoản tiết kiệm vật liệu nhỏ được bù đắp nhiều hơn do lỗi bộ gia nhiệt FEP trong lò phản ứng axit nóng{12}}ô nhiễm bể, ngừng hoạt động đột xuất, nhân công thay thế. PFA là tiêu chuẩn cho hỗn hợp axit được đun nóng bằng hơi nước. FEP là ngoại lệ đối với dịch vụ có nhiệt độ thấp hoặc không quan trọng.