Para obogaćena-kisikom
Industrijski parni sustavi obično sadrže otopljeni kisik u količinama-na-milijardi, što se kontrolira mehaničkim odzračivanjem i kemijskim uklanjanjem kisika. Kada dođe do kvara opreme za odzračivanje ili se prekine dovod hvatača kisika, otopljeni kisik može porasti na razine-na-milijun. U nekim specijaliziranim procesima, kisik se namjerno dodaje pari u svrhu čišćenja ili pasivizacije.
Ovaj kisik, na povišenim temperaturama pare-130-200 stupnjeva, ovisno o tlaku, stvara oksidativno okruženje. Polimeri koji su toplinski stabilni u inertnim atmosferama mogu biti podvrgnuti oksidativnoj degradaciji u prisutnosti kisika. Temperatura početka razgradnje i brzina razgradnje iznad te temperature ovise o molekularnoj strukturi polimera.
PTFE i FEP su perfluorirani polimeri i dijele izvrsnu kemijsku otpornost. Međutim, njihov odgovor na povišenu temperaturu u prisutnosti kisika razlikuje se zbog razlika u lančanoj arhitekturi i kristaliničnosti. Razumijevanje ove razlike važno je za aplikacije izmjenjivača topline gdje je kontrola kvalitete pare nesavršena.
Razlika u kemiji oksidacije
PTFE se sastoji od -CF₂-CF₂- ponavljajućih jedinica. Polimerni lanac je potpuno zasićen fluorom. Nema C-H veza, nema C-Cl veza i nema nezasićenosti. Energija disocijacije C-F veze je približno 485 kJ/mol. Ugljikova okosnica potpuno je zaštićena atomima fluora, koji tvore čvrsti spiralni omotač oko lanca.
U prisutnosti kisika na povišenoj temperaturi, PTFE se podvrgava oksidativnoj degradaciji samo na temperaturama na kojima C-C glavne veze počinju pucati-iznad približno 300 stupnjeva na zraku. Produkti oksidacije su karbonil fluorid (COF₂) i trifluoroacetil fluorid (CF3COF), koji se hidroliziraju u HF i CO2. Ispod 260 stupnjeva, stopa je zanemariva za praktični životni vijek opreme.
FEP je kopolimer tetrafluoretilena i heksafluorpropilena. HFP komonomer uvodi -CF(CF3)-CF₂- jedinice, koje stvaraju tercijarna ugljikova mjesta gdje je ugljik vezan na tri druga ugljika i jednu CF3 bočnu skupinu. Ova mjesta tercijarnog ugljika osjetljivija su na toplinski i oksidativni napad od sekundarnih ugljika u PTFE lancu. C-C veza na točki grananja ima nešto nižu energiju disocijacije veze. Nepravilna lančana struktura također smanjuje kristalnost, povećavajući prodiranje kisika u amorfna područja.
| Parametar toplinske degradacije | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Struktura lanca | Linearni -CF₂-CF₂- | Razgranat s -CF(CF₃)-CF₂- jedinicama |
| Kristalnost (%) | 50-70 | 30-45 |
| Početak mjerljivog gubitka težine u zraku ( stupanj ) | ~350 | ~300 |
| Kontinuirana radna temperatura u zraku (stupnjevi) | 260 | 204 |
| Stopa razgradnje u pari s 1 ppm O₂ na 200 stupnjeva (% gubitka mase/1000 sati) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Stopa razgradnje u pari s 10 ppm O₂ na 200 stupnjeva (% gubitka mase/1000 sati) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Praktični vijek trajanja u pari obogaćenoj kisikom-na 180 stupnjeva (godine) | 15+ | 5-10 |
Ranjivost amorfne faze
Niža kristalnost FEP-a znači da veći udio polimera postoji kao amorfna faza-neuređeni lanci s većim slobodnim volumenom. Kisik lakše prodire kroz amorfna područja. Kombinacija veće koncentracije kisika u polimeru i reaktivnijih mjesta tercijarnog ugljika proizvodi mjerljivo bržu stopu oksidativne razgradnje.
U pari s normalno otopljenim 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.
Na 200 stupnjeva s 10 ppm otopljenog kisika, FEP gubi 0,2-0,5% svoje mase po 1000 sati oksidativnim kidanjem lanca i razvojem hlapljivog proizvoda. Tijekom radne godine od 10 000 sati, to predstavlja gubitak mase od 2-5%. PTFE pod istim uvjetima gubi manje od 0,02% po 1000 sati - 10-25× sporija stopa razgradnje.
Implikacija dizajna
Za parne sustave s pouzdanim odzračivanjem i uklanjanjem kisika-što je norma u-industrijskim postrojenjima koja dobro rade-i PTFE i FEP pružaju odgovarajući vijek trajanja. Niža cijena i zavarljivost FEP-a mogu mu ići u prilog u ovim primjenama.
Za parne sustave s poznatim ekskurzijama kisika, za procese u kojima je kisik namjerno prisutan u pari ili za primjene u kojima kvaliteta pare nije strogo kontrolirana, vrhunska oksidacijska stabilnost PTFE-a čini ga izborom s manjim-rizikom. Ograničenje temperature za PTFE u pari obogaćenoj kisikom-može se održavati na 260 stupnjeva; Praktična granica FEP-a trebala bi se smanjiti na približno 180 stupnjeva.
Sažetak
PTFE cijevi izmjenjivača topline pokazuju značajno bolju otpornost na oksidativnu toplinsku degradaciju od FEP-a u pari obogaćenoj kisikom-zbog odsutnosti tercijarnih ugljikovih mjesta, jače zaštite ugljične okosnice fluornim omotačem i veće kristalnosti koja smanjuje prodiranje kisika. U normalnoj pari s niskim udjelom otopljenog kisika, oba polimera rade odgovarajuće. U pari obogaćenoj kisikom, PTFE se razgrađuje 10-25x sporije od FEP-a i održava svoju punu temperaturnu vrijednost, dok bi praktična temperaturna granica FEP-a trebala biti smanjena.
Inženjerska podrška za odabir fluoropolimernog materijala u specifičnim uvjetima kvalitete pare dostupna je nakon podnošenja tlaka pare, koncentracije otopljenog kisika (normalne i ekskurzije) i potrebnog vijeka trajanja opreme.
