Happi{0}}rikastettu höyry
Teolliset höyryjärjestelmät sisältävät tavallisesti liuennutta happea osissa -/-miljardia, ja niitä ohjataan mekaanisella ilmanpoistolla ja kemiallisella hapenpoistolla. Kun ilmanpoistolaitteistossa on toimintahäiriö tai hapenpoistoaineen syöttö keskeytyy, liuennut happi voi nousta miljoonasosaan -per-miljoonaa. Joissakin erikoisprosesseissa happea lisätään tarkoituksella höyryyn puhdistus- tai passivointitarkoituksiin.
Tämä happi, höyryn kohotetussa lämpötilassa-130-200 astetta paineesta riippuen, luo hapettavan ympäristön. Polymeerit, jotka ovat termisesti stabiileja inertissä ilmakehässä, voivat läpikäydä oksidatiivisen hajoamisen hapen läsnä ollessa. Hajoamisen alkamislämpötila ja tämän lämpötilan yläpuolella oleva hajoamisnopeus riippuvat polymeerin molekyylirakenteesta.
PTFE ja FEP ovat molemmat perfluorattuja polymeerejä ja niillä on erinomainen kemiallinen kestävyys. Niiden vaste kohonneeseen lämpötilaan hapen läsnä ollessa vaihtelee kuitenkin ketjun arkkitehtuurin ja kiteisyyden erojen vuoksi. Tämän eron ymmärtäminen on tärkeää lämmönvaihdinsovelluksissa, joissa höyryn laadunvalvonta on epätäydellinen.
Hapetuskemian ero
PTFE koostuu -CF₂-CF₂- toistoyksiköistä. Polymeeriketju on täysin kyllästetty fluorilla. Ei ole C-H-sidoksia, ei C-Cl-sidoksia eikä tyydyttymättömyyttä. C-F-sidoksen dissosiaatioenergia on noin 485 kJ/mol. Hiilen runko on täysin suojattu fluoriatomeilla, jotka muodostavat tiiviin kierteisen vaipan ketjun ympärille.
Hapen läsnä ollessa korotetussa lämpötilassa PTFE:ssä tapahtuu oksidatiivista hajoamista vain lämpötiloissa, joissa C-C-runkosidokset alkavat hajota-yli noin 300 asteen ilmassa. Hapetustuotteet ovat karbonyylifluoridi (COF2) ja trifluoriasetyylifluoridi (CF3COF), jotka hydrolysoituvat HF:ksi ja CO2:ksi. Alle 260 asteen nopeus on mitätön käytännön laitteiden käyttöiän kannalta.
FEP on tetrafluorietyleenin ja heksafluoripropeenin kopolymeeri. HFP-komonomeeri tuo mukanaan -CF(CF3)-CF₂--yksiköitä, jotka luovat tertiäärisiä hiilikohtia, joissa hiili on sitoutunut kolmeen muuhun hiileen ja yhteen CF3-sivuryhmään. Nämä tertiaariset hiilikohdat ovat alttiimpia termisille ja oksidatiivisille vaikutuksille kuin PTFE-ketjun sekundaariset hiilet. C-C-sidoksella haarautumispisteessä on hieman pienempi sidoksen dissosiaatioenergia. Epäsäännöllinen ketjurakenne vähentää myös kiteisyyttä, mikä lisää hapen läpäisyä amorfisille alueille.
| Terminen hajoamisparametri | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Ketjun rakenne | Lineaarinen -CF₂-CF₂- | Haaroittunut -CF(CF₃)-CF₂- yksiköillä |
| kiteisyys (%) | 50-70 | 30-45 |
| Mitattavissa olevan painonpudotuksen alkaminen ilmassa ( aste ) | ~350 | ~300 |
| Jatkuva käyttölämpötila ilmassa ( astetta ) | 260 | 204 |
| Hajoamisnopeus höyryssä, jossa on 1 ppm O₂ 200 asteessa (% massahäviö/1 000 h) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Hajoamisnopeus höyryssä, jossa on 10 ppm O₂ 200 asteessa (% massahäviö/1 000 h) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Käytännöllinen käyttöikä hapella{0}}rikastetussa höyryssä 180 asteessa (vuosia) | 15+ | 5-10 |
Amorfisen vaiheen haavoittuvuus
FEP:n alhaisempi kiteisyys tarkoittaa, että suurempi osa polymeeristä on amorfisen faasin{0}}häiriöketjuina, joilla on suurempi vapaa tilavuus. Happi tunkeutuu helpommin amorfisten alueiden läpi. Polymeerin korkeamman happipitoisuuden ja reaktiivisempien tertiääristen hiilikohtien yhdistelmä tuottaa mitattavasti nopeamman oksidatiivisen hajoamisnopeuden.
Höyryssä normaalin liuenneen hapen kanssa (<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.
200 asteessa 10 ppm liuenneen hapen kanssa FEP menettää 0,2-0,5 % massastaan 1 000 tunnissa oksidatiivisen ketjun katkeamisen ja haihtuvien tuotteiden kehittymisen kautta. Yli 10 000 käyttötunnin vuodessa tämä on 2-5 % massahäviö. PTFE menettää samoissa olosuhteissa alle 0,02 % 1 000 tuntia kohden - 10-25 kertaa hitaampi hajoamisnopeus.
Suunnittelun vaikutus
Höyryjärjestelmille, joissa on luotettava ilmanpoisto ja hapenpoisto, -normaali hyvin-toimivissa teollisuuslaitoksissa-sekä PTFE että FEP tarjoavat riittävän käyttöiän. FEP:n alhaisemmat kustannukset ja hitsattavuus voivat suosia sitä näissä sovelluksissa.
Höyryjärjestelmissä, joissa on tunnettuja happipoikkeamia, prosesseissa, joissa höyryssä on tarkoituksella happea, tai sovelluksiin, joissa höyryn laatua ei valvota tiukasti, PTFE:n ylivoimainen hapettumisstabiilisuus tekee siitä alhaisemman-riskin valinnan. PTFE:n lämpötilaraja happi{2}}rikastetussa höyryssä voidaan pitää 260 asteessa; FEP:n käytännön rajan tulisi olla noin 180 astetta.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihdinputket kestävät huomattavasti paremmin oksidatiivista lämpöhajoamista kuin FEP happi{0}}rikastetussa höyryssä, koska niissä ei ole tertiäärisiä hiilikohtia, fluorivaippa suojaa vahvempaa hiilirunkoa ja korkeampi kiteisyys, joka vähentää hapen läpäisyä. Normaalissa höyryssä, jossa on vähän liuennutta happea, molemmat polymeerit toimivat riittävästi. Happi-rikastetussa höyryssä PTFE hajoaa 10–25 kertaa hitaammin kuin FEP ja säilyttää täyden lämpötilaluokituksensa, kun taas FEP:n käytännön lämpötilarajaa tulisi alentaa.
Teknistä tukea fluoripolymeerimateriaalien valinnassa tietyissä höyryn laatuolosuhteissa on saatavilla, kun höyrynpaine, liuenneen hapen pitoisuus (normaali ja ekskursio) ja vaadittu laitteiden käyttöikä on ilmoitettu.
