Izazov prodiranja hlora
U hlor{0}}alkalnim postrojenjima, izmjenjivači topline rade sa vlažnim plinom hlora na temperaturama od 80-100 stepeni. Klor je korozivan i toksičan. Materijal izmjenjivača topline mora izdržati hemijski napad i također mora minimalizirati prodiranje hlora kroz zid cijevi. Klor koji prodire kroz cijevi ulazi u parno-kondenzatni sistem, gdje stvara hlorovodoničnu kiselinu i hlorovodoničnu kiselinu, korodirajući nizvodne metalne komponente i stvarajući opasnost po bezbednost.
PTFE i FEP su potpuno fluorirani polimeri sa odličnom hemijskom otpornošću na hlor. Obojica su kandidati za ovu uslugu. Njihove stope permeacije do hlora značajno se razlikuju zbog razlika u kristaliničnosti, slobodnom volumenu i molekularnoj strukturi. Razlika može odrediti koji materijal pruža prihvatljiv vijek trajanja i sigurnost.
Odnos kristalnosti{0}}permeacije
Propuštanje gasa kroz polimer se dešava samo kroz amorfne oblasti. Kristalne regije su nepropusne-lanci su previše zbijeni da bi molekuli plina mogli proći. Ukupna brzina permeacije je proporcionalna amorfnoj frakciji i koeficijentu difuzije kroz tu frakciju.
PTFE ima kristalnost od 50-70%. FEP ima kristalinitet od 30-45%. Amorfna frakcija FEP-a je 50-70% veća od one u PTFE-u. Put difuzije za molekule hlora je shodno tome veći.
Plin hlor (Cl₂) je relativno veliki molekul sa kinetičkim prečnikom od približno 4,2 Å. Polako difundira kroz ograničeni slobodni volumen amorfne faze. U FEP-u, veća amorfna frakcija i nešto otvorenija struktura (zbog -CF₃ bočnih grupa na polimernom lancu) rezultiraju višim koeficijentom difuzije nego u PTFE.
Kombinacija veće amorfne frakcije i većeg koeficijenta difuzije daje FEP-u brzinu permeacije približno 2-3 puta veću od PTFE-a na istoj temperaturi.
| Parametar permeacije | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Kristalnost (%) | 55-65 (tipično) | 35-42 (tipično) |
| amorfna frakcija (%) | 35-45 | 58-65 |
| Relativni koeficijent difuzije Cl₂ | 1.0 (osnovna linija) | 1.3-1.6 |
| Relativna brzina propusnosti Cl₂ na 100 stepeni | 1.0 (osnovna linija) | 2.0-3.0 |
| Brzina propusnosti na 100 stepeni, 1 bar ΔP (cm³·mm/m²·dan·bar) | 0.8-1.5 | 2.0-4.5 |
| Efekat povećanja temperature za 20 stepeni | Permeacija ~2× | Permeacija ~2× |
Ubrzanje temperature
Brzina permeacije eksponencijalno raste s temperaturom. Energija aktivacije za prodiranje hlora kroz PTFE i FEP je približno 30-40 kJ/mol. Stopa se otprilike udvostručuje za svakih 20 stepeni povećanja temperature. Na 80 stepeni, stope permeacije su otprilike polovina vrednosti na 100 stepeni. Na 120 stepeni, oni su otprilike dupli.
Za procese koji rade blizu gornjeg kraja temperaturnog opsega, veća stopa propusnosti FEP-a može postati neprihvatljiva. Koncentracija hlora u sistemu-kondenzata pare može premašiti sigurne granice ili stopa korozije nizvodno može postati prevelika. Niža stopa propusnosti PTFE-a pruža marginu sigurnosti.
Implikacije za sigurnost i održavanje
Klor koji prodire kroz zid cijevi ne uzrokuje trenutni kvar. Vremenom se akumulira u sistemu-kondenzata pare. Prva indikacija problema može biti korozija povratne cijevi kondenzata ili sifona za paru, ili miris hlora tokom održavanja. Do tada je šteta učinjena.
Niža stopa propusnosti PTFE-a smanjuje kumulativni prodor hlora tokom radnog veka opreme. Komponente parnog{1}}kondenzatnog sistema traju duže. Opterećenje održavanja je manje. Sigurnosni rizik od izlaganja hloru je smanjen.
Odabir PTFE-a u odnosu na FEP za servis klora zasniva se na razlici u brzini propusnosti i njenim-dugoročnim posljedicama za cijeli sistem, a ne samo za sam izmjenjivač topline.
Rezime
FEP cijevi izmjenjivača topline imaju stopu prodiranja hlora 2-3 puta veću od PTFE na 100 stepeni, zbog manje kristalnosti FEP-a i otvorenije molekularne strukture. Veća brzina propusnosti povećava ulazak hlora u parni-kondenzatni sistem, ubrzavajući koroziju komponenti nizvodno i povećavajući sigurnosni rizik. Niža stopa propusnosti PTFE-a pruža vrhunsku dugoročnu zaštitu sistema. Za upotrebu hlora iznad 80 stepeni, PTFE je poželjni fluoropolimer.
Inženjerska podrška za odabir fluoropolimera u servisu hlora i halogena dostupna je nakon podnošenja sastava gasa, radne temperature i pritiska, kao i materijala nizvodnog sistema i istorije korozije.
