Postrojenje za kemijsku preradu instaliralo je PTFE potopni grijač u kupku s 30% dušične kiseline na 92 stupnja. Grijač je ocijenjen za temperaturu i kemiju. Nije uspjelo nakon četiri mjeseca-ne samo zbog prožimanja, već zbog kombinacije prožimanja i oksidacije koja je razgradila polimer brže nego što bi bilo koji mehanizam učinio sam. Omotač je pokazao uzorak finih pukotina i izrazito žutilo koje je karakteristično za oksidativni napad.
Oksidirajuće kiseline-dušična kiselina, kromna kiselina, sumporna kiselina u visokim koncentracijama i smjese koje sadrže perokside ili persulfate-predstavljaju poseban izazov za PTFE uronjene grijače. Polimer je otporan na oksidaciju na umjerenim temperaturama. Iznad 90 stupnjeva, kombinacija oksidacije i toplinskog stresa premašuje otpornost polimera.
Oksidacijski mehanizam na PTFE
PTFE je otporan na oksidaciju jer su veze ugljika-fluora jake, a atomi fluora štite okosnicu ugljika. Međutim, na povišenim temperaturama, kisik ili oksidirajuće vrste mogu napasti polimer na slabim točkama-krajevima lanaca, zaostalim nečistoćama i strukturnim defektima unesenim tijekom proizvodnje.
Napad stvara karbonil fluorid i druge oksidirane vrste koje ometaju polimerni lanac. Rezultat je kidanje lanca, što smanjuje molekularnu težinu i mehaničku čvrstoću. Površina postaje krhka i razvija fine pukotine. Pukotine osiguravaju putove za daljnje prožimanje i napad.
Brzina oksidacije ovisi o temperaturi, koncentraciji oksidirajućih vrsta i prisutnosti katalizatora kao što su metalni ioni. Željezo, bakar i drugi prijelazni metali mogu katalizirati oksidaciju PTFE-a, ubrzavajući razgradnju.
| Oksidirajuća kiselina | Koncentracija | Temperatura | Stopa oksidacije | PTFE vijek trajanja |
|---|---|---|---|---|
| Dušična kiselina | 20% | 70 stupnjeva | Niska | 3–5 godina |
| Dušična kiselina | 30% | 90 stupnjeva | Umjereno | 6–14 mjeseci |
| Dušična kiselina | 30% | 95 stupnjeva | visoko | 3–8 mjeseci |
| Dušična kiselina | 50% | 90 stupnjeva | Vrlo visoko | 2–6 mjeseci |
| Kromna kiselina | 20% | 90 stupnjeva | visoko | 4–10 mjeseci |
| Sumporna kiselina | 70% | 95 stupnjeva | Umjereno–Visoko | 6–14 mjeseci |
| Sadrži-peroksid | 5% | 80 stupnjeva | visoko | 4–10 mjeseci |
Stope oksidacije i životni vijek PTFE-a u radu s oksidirajućom kiselinom iznad 90 stupnjeva
Kombinirani učinak oksidacije i prodiranja
Oksidacija i prožimanje nisu neovisni. Oksidacija stvara površinske pukotine i povećava propusnost polimera. Propuštanje dovodi vlagu i kemiju dublje u polimer, gdje mogu reagirati s oksidiranim mjestima. Dva mehanizma jačaju jedan drugog.
Grijač u oksidirajućoj kiselini iznad 90 stupnjeva može pokazivati postupni pad otpora izolacije tijekom tjedana, nakon čega slijedi nagli pad kada pukotina prodre kroz punu debljinu plašta. Nagli pad često je prvi pokazatelj da nešto nije u redu. Do tada se polimer razgrađuje tjednima.
Kombinacija je štetnija nego bilo koji mehanizam pojedinačno. Grijač u ne-kiselini koja ne oksidira na istoj temperaturi može trajati dvostruko dulje jer se polimer ne razgrađuje kemijski-samo propušta.
Temperatura: dominantna varijabla
Stopa oksidacije otprilike se udvostručuje za svakih 10 stupnjeva povećanja temperature. Grijač koji radi na 95 stupnjeva otprilike je četiri puta osjetljiviji na oksidaciju nego onaj na 75 stupnjeva, a osam puta osjetljiviji od onog na 65 stupnjeva.
Temperatura omotača čak je važnija od temperature mase. Grijač koji radi na 92 stupnja u rasutom stanju s temperaturom omotača od 110 stupnjeva izlaže polimer stopama oksidacije dva do četiri puta većim nego što sugerira skupna temperatura. Smanjenje gustoće vata radi snižavanja temperature plašta najučinkovitiji je način produljenja radnog vijeka.
Praktične smjernice za oksidirajuće kiseline iznad 90 stupnjeva
Za dušičnu kiselinu pri koncentracijama ispod 20% i temperaturama ispod 70 stupnjeva, PTFE uronjeni grijač radi dobro i ima prihvatljiv vijek trajanja. Iznad 30% koncentracije ili 90 stupnjeva, životni vijek je kratak, te treba razmotriti alternativne materijale.
Za kromnu kiselinu iznad 20% koncentracije ili 90 stupnjeva, stopa oksidacije je visoka, a grijač se može pokvariti u roku od nekoliko mjeseci. Silicijev karbid ili kvarc mogu biti prikladniji, ovisno o kemiji.
Za sumpornu kiselinu iznad 70% koncentracije i 95 stupnjeva, kombinacija visoke temperature, visoke koncentracije i oksidacijskih uvjeta gura polimer izvan njegovih praktičnih granica.
| Stanje usluge | PTFE prikladnost | Preporučena gustoća u vatima | Očekivani vijek trajanja |
|---|---|---|---|
| 10-20% dušične kiseline,<70°C | Izvrsno | 1,2–1,5 W/cm² | 3–5 godina |
| 20–30% dušične kiseline, 70–90 stupnjeva | Marginalni | 0,8–1,0 W/cm² | 8-18 mjeseci |
| 30–50% nitric acid, >90 stupnjeva | Nije prikladno | - | <6 months |
| 10–20% kromne kiseline, 70–90 stupnjeva | Marginalni | 0,8–1,0 W/cm² | 6–14 mjeseci |
| >20% chromic acid, >90 stupnjeva | Nije prikladno | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95 stupnjeva | Marginalni | 0,8–1,0 W/cm² | 6–14 mjeseci |
PTFE prikladnost i specifikacijski parametri za oksidirajuće kiseline iznad 90 stupnjeva
Kada PTFE dosegne svoje granice
PTFE doseže svoje granice u radu s oksidirajućom kiselinom kada temperatura prijeđe 90 stupnjeva i kada je koncentracija visoka. U tim uvjetima brzina oksidacije premašuje otpornost polimera, a životni vijek pada ispod jedne godine.
U ovim primjenama treba razmotriti alternativne materijale. Silicijev karbid nudi višu temperaturu i otpornost na oksidaciju. Kvarc je prikladan za dušičnu i kromnu kiselinu, ali ne i za alkalne uvjete. Titan se dobro ponaša u dušičnoj kiselini, ali ne i u redukcijskim kiselinama.
Kada prilagođena konfiguracija proširuje PTFE performanse
Prilagođena konfiguracija PTFE uronjenog grijača s vrlo niskom gustoćom u vatima, debelim omotačem i poboljšanim pristupom protoku smanjuje temperaturu omotača i brzinu oksidacije. Poboljšanje može produžiti životni vijek s mjeseci na više od godinu dana u uvjetima marginalne oksidacijske kiseline. Proces specifikacije zahtijeva kemijski sastav kiseline, koncentraciju, radnu temperaturu i potrebnu snagu u vatima. Za objekte s kupkama s oksidirajućom kiselinom iznad 90 stupnjeva, ovaj -pristup specifičan za primjenu pruža rješenje gdje standardni grijači možda nisu.
