Stanje pare obogaćene kiseonikom-
Industrijski parni sistemi obično sadrže otopljeni kiseonik na nivou -po-milijardi, kontrolisan mehaničkim odzračivanjem i hemijskim uklanjanjem kiseonika. Kada se oprema za odzračivanje pokvari ili se prekine dovod kiseonika, rastvoreni kiseonik može porasti na nivoe -na-milionske nivoe. U nekim specijaliziranim procesima, kisik se namjerno dodaje pari radi čišćenja ili pasivizacije.
Ovaj kiseonik, na povišenim temperaturama pare-130-200 stepeni u zavisnosti od pritiska – stvara oksidativno okruženje. Polimeri koji su termički stabilni u inertnoj atmosferi mogu biti podvrgnuti oksidativnoj degradaciji u prisustvu kiseonika. Temperatura početka razgradnje i brzina degradacije iznad te temperature zavise od molekularne strukture polimera.
PTFE i FEP su oboje perfluorirani polimeri i dijele odličnu hemijsku otpornost. Njihov odgovor na povišenu temperaturu u prisustvu kiseonika se, međutim, razlikuje zbog razlika u arhitekturi lanca i kristalnosti. Razumijevanje ove razlike važno je za primjene izmjenjivača topline gdje je kontrola kvaliteta pare nesavršena.
Razlika u oksidacionoj hemiji
PTFE se sastoji od -CF₂-CF₂- jedinica ponavljanja. Polimerni lanac je u potpunosti zasićen fluorom. Nema C-H veza, nema C-Cl veza i nema nezasićenosti. Energija disocijacije C-F veze je približno 485 kJ/mol. Ugljična kičma je potpuno zaštićena atomima fluora, koji formiraju čvrsti spiralni omotač oko lanca.
U prisustvu kiseonika na povišenoj temperaturi, PTFE se podvrgava oksidativnoj degradaciji samo na temperaturama na kojima C-C veze okosnice počinju da pucaju-iznad približno 300 stepeni u vazduhu. Oksidacijski proizvodi su karbonil fluorid (COF₂) i trifluoroacetil fluorid (CF₃COF), koji hidroliziraju u HF i CO2. Ispod 260 stepeni, stopa je zanemariva za vijek trajanja praktične opreme.
FEP je kopolimer tetrafluoroetilena i heksafluoropropilena. HFP komonomer uvodi -CF(CF₃)-CF₂- jedinice, koje stvaraju tercijarna ugljenikova mesta gde je ugljenik vezan za tri druga ugljenika i jednu CF₃ bočnu grupu. Ova tercijarna ugljična mjesta su podložnija termičkom i oksidativnom napadu od sekundarnih ugljika u PTFE lancu. C-C veza na tački grananja ima nešto nižu energiju disocijacije veze. Nepravilna struktura lanca također smanjuje kristalnost, povećavajući prodor kisika u amorfne regije.
| Parametar termičke degradacije | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Struktura lanca | Linearni -CF₂-CF₂- | Razgranat sa -CF(CF₃)-CF₂- jedinicama |
| Kristalnost (%) | 50-70 | 30-45 |
| Početak mjerljivog gubitka težine u zraku (stepen) | ~350 | ~300 |
| Kontinuirana radna temperatura u zraku (stepeni) | 260 | 204 |
| Brzina razgradnje u pari sa 1 ppm O₂ na 200 stepeni (% gubitka mase/1.000 sati) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Brzina razgradnje u pari sa 10 ppm O₂ na 200 stepeni (% gubitka mase/1.000 sati) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Praktični vijek trajanja u pari obogaćenoj kisikom-pri 180 stepeni (godine) | 15+ | 5-10 |
Ranjivost amorfne faze
Niža kristalnost FEP-a znači da veći dio polimera postoji kao amorfni lanci{0}}neuređenih faza s većim slobodnim volumenom. Kiseonik lakše prodire kroz amorfne regije. Kombinacija veće koncentracije kisika u polimeru i reaktivnijih tercijalnih ugljičnih mjesta proizvodi mjerljivo bržu stopu oksidativne razgradnje.
Na pari sa normalnim rastvorenim kiseonikom (<10 ppb), the oxygen concentration is too low to cause measurable degradation of either polymer. The difference between PTFE and FEP is irrelevant. In oxygen-enriched steam-from a deaerator malfunction, chemical cleaning with oxygenated water, or intentional oxygen addition-the difference becomes significant.
Na 200 stepeni sa 10 ppm rastvorenog kiseonika, FEP gubi 0,2-0,5% svoje mase na 1.000 sati kroz oksidativno rascep lanca i evoluciju isparljivih proizvoda. Tokom operativne godine od 10.000 sati, ovo predstavlja gubitak mase od 2-5%. PTFE pod identičnim uslovima gubi manje od 0,02% na 1.000 sati – što je 10-25 puta sporija stopa razgradnje.
Implikacija dizajna
Za parne sisteme sa pouzdanim odzračivanjem i uklanjanjem kiseonika-norma u-industrijskim postrojenjima sa dobrim upravljanjem-i PTFE i FEP obezbeđuju adekvatan radni vek. Niža cijena i zavarljivost FEP-a mogu mu dati prednost u ovim primjenama.
Za parne sisteme sa poznatim izletima kiseonika, za procese u kojima je kiseonik namerno prisutan u pari, ili za aplikacije gde kvalitet pare nije strogo kontrolisan, superiorna oksidaciona stabilnost PTFE čini ga izborom nižeg-rizika. Temperaturna granica za PTFE u pari obogaćenoj kiseonikom-može se održavati na 260 stepeni; Praktična granica FEP-a treba biti smanjena na približno 180 stepeni.
Rezime
PTFE cijevi izmjenjivača topline pokazuju znatno bolju otpornost na oksidativnu termičku degradaciju od FEP-a u pari obogaćenoj kisikom-, zbog odsustva tercijarnih ugljičnih mjesta, jače zaštite ugljične kičme fluornim omotačem i veće kristalnosti koja smanjuje permeaciju kisika. U normalnoj pari sa malo rastvorenog kiseonika, oba polimera imaju adekvatan učinak. U pari obogaćenoj kiseonikom-, PTFE se razgrađuje 10-25× sporije od FEP-a i održava svoju punu temperaturu, dok bi praktična temperaturna granica FEP-a trebala biti smanjena.
Inženjerska podrška za izbor fluoropolimernog materijala u specifičnim uslovima kvaliteta pare dostupna je nakon podnošenja pritiska pare, koncentracije rastvorenog kiseonika (normalne i ekskurzije) i potrebnog radnog veka opreme.
