Para,-obogatena s kisikom
Industrijski parni sistemi običajno vsebujejo raztopljeni kisik v količinah-na-milijardo, kar je nadzorovano z mehanskim odzračevanjem in kemičnim odstranjevanjem kisika. Ob okvari opreme za odzračevanje ali prekinitvi dovoda lovilca kisika lahko raztopljeni kisik naraste na ravni-na-milijon. V nekaterih specializiranih postopkih se pari namenoma dodaja kisik za namene čiščenja ali pasivizacije.
Ta kisik pri povišanih temperaturah pare-130-200 stopinj, odvisno od tlaka, ustvarja oksidativno okolje. Polimeri, ki so toplotno stabilni v inertni atmosferi, so lahko podvrženi oksidativni razgradnji v prisotnosti kisika. Temperatura začetka razgradnje in hitrost razgradnje nad to temperaturo sta odvisni od molekularne strukture polimera.
PTFE in FEP sta perfluorirana polimera in imata odlično kemično odpornost. Njihov odziv na povišano temperaturo v prisotnosti kisika pa se razlikuje zaradi razlik v verižni arhitekturi in kristaliničnosti. Razumevanje te razlike je pomembno za aplikacije toplotnih izmenjevalcev, kjer je nadzor kakovosti pare nepopoln.
Razlika v kemiji oksidacije
PTFE je sestavljen iz ponavljajočih se enot -CF₂-CF₂-. Polimerna veriga je popolnoma nasičena s fluorom. Ni C-H vezi, ni C-Cl vezi in ni nenasičenosti. Energija disociacije vezi C-F je približno 485 kJ/mol. Ogljikovo ogrodje je popolnoma zaščiteno z atomi fluora, ki tvorijo tesen vijačni ovoj okoli verige.
V prisotnosti kisika pri povišani temperaturi je PTFE podvržen oksidativni razgradnji le pri temperaturah, kjer se začnejo hrbtenične vezi C-C zlomiti-nad približno 300 stopinj na zraku. Produkta oksidacije sta karbonil fluorid (COF₂) in trifluoroacetil fluorid (CF3COF), ki hidrolizirata v HF in CO₂. Pod 260 stopinjami je stopnja zanemarljiva za praktično življenjsko dobo opreme.
FEP je kopolimer tetrafluoroetilena in heksafluoropropilena. Komonomer HFP uvaja enote -CF(CF3)-CF₂-, ki ustvarjajo terciarna ogljikova mesta, kjer je ogljik vezan na tri druge ogljike in eno stransko skupino CF3. Ta mesta terciarnega ogljika so bolj dovzetna za toplotne in oksidativne napade kot sekundarni ogljiki v verigi PTFE. Vez C-C na razcepu ima nekoliko nižjo disociacijsko energijo vezi. Nepravilna verižna struktura prav tako zmanjša kristaliničnost in poveča prepustnost kisika v amorfna področja.
| Parameter toplotne razgradnje | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Struktura verige | Linearni -CF₂-CF₂- | Razvejan z enotami -CF(CF₃)-CF₂- |
| Kristaličnost (%) | 50-70 | 30-45 |
| Začetek merljive izgube teže na zraku (stopnja) | ~350 | ~300 |
| Stalna delovna temperatura v zraku (stopinj) | 260 | 204 |
| Stopnja razgradnje v pari z 1 ppm O₂ pri 200 stopinjah (% izgube mase/1000 ur) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Stopnja razgradnje v pari z 10 ppm O₂ pri 200 stopinjah (% izgube mase/1000 ur) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Praktična življenjska doba v pari-obogateni s kisikom pri 180 stopinjah (leta) | 15+ | 5-10 |
Ranljivost amorfne faze
Manjša kristaliničnost FEP pomeni, da večji delež polimera obstaja kot amorfna faza-neurejene verige z večjim prostim volumnom. Kisik lažje prehaja skozi amorfna področja. Kombinacija višje koncentracije kisika v polimeru in bolj reaktivnih terciarnih ogljikovih mest povzroči merljivo hitrejšo stopnjo oksidativne razgradnje.
V pari z normalno raztopljenim kisikom (<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.
Pri 200 stopinjah z 10 ppm raztopljenega kisika FEP izgubi 0,2-0,5 % svoje mase na 1000 ur z oksidativnim razpadom verige in razvojem hlapnih produktov. V 10.000-urnem obratovalnem letu to predstavlja 2–5 % izgube mase. PTFE pod enakimi pogoji izgubi manj kot 0,02 % na 1000 ur – 10-25× počasnejša stopnja razgradnje.
Oblikovalska implikacija
Za parne sisteme z zanesljivim odzračevanjem in lovljenjem kisika-ki je norma v dobro-upravljajočih se industrijskih obratih-tako PTFE kot FEP zagotavljata ustrezno življenjsko dobo. Nižji stroški in varivost FEP-a mu lahko dajejo prednost pri teh aplikacijah.
Za parne sisteme z znanimi odstopanji kisika, za postopke, pri katerih je kisik namerno prisoten v pari, ali za aplikacije, kjer kakovost pare ni strogo nadzorovana, je zaradi vrhunske oksidativne stabilnosti PTFE nižja-tvegana izbira. Temperaturna meja za PTFE v pari,-obogateni s kisikom, se lahko vzdržuje pri 260 stopinjah; Praktično mejo FEP je treba znižati na približno 180 stopinj.
Povzetek
Cevi PTFE toplotnega izmenjevalnika kažejo bistveno boljšo odpornost proti oksidativni toplotni razgradnji kot FEP v pari, obogateni s kisikom-, zaradi odsotnosti terciarnih ogljikovih mest, močnejše zaščite ogljikovega ogrodja s fluorovim plaščem in višje kristaliničnosti, ki zmanjša prepustnost kisika. V običajni pari z nizko vsebnostjo raztopljenega kisika oba polimera delujeta ustrezno. V pari,-obogateni s kisikom, se PTFE razgradi 10-25× počasneje kot FEP in ohranja svojo polno temperaturno oceno, medtem ko je treba praktično temperaturno mejo FEP znižati.
Inženirska podpora za izbiro fluoropolimernega materiala v posebnih pogojih kakovosti pare je na voljo ob predložitvi parnega tlaka, koncentracije raztopljenega kisika (normalne in ekskurzije) in zahtevane življenjske dobe opreme.
