Kakšen je največji dovoljeni parcialni tlak HF hlapov v reaktorju, da grelnik PFA ostane v uporabi 5 let?

Hlapi fluorovodikove kisline so eden najzahtevnejših pogojev za grelnike PFA. Tekoči HF zmoči in nabrekne polimer, vendar HF hlapi hitro difundirajo skozi amorfne dele in napadejo kovinsko jedro. Za grelnik PFA z debelino stene 2 mm, ki deluje pri 120 stopinjah, je največji dovoljeni parcialni tlak HF hlapov za doseganje 5-letne življenjske dobe (43.800 ur) 0,05-0,10 bar (50-100 mbar). Pri 0,2 bara HF delnega tlaka se življenjska doba zmanjša na 2-3 leta. Življenjska doba 6-12 mesecev pri 0,5 bar. HF PFA grelniki odpovejo v tednih ali mesecih, ne glede na debelino stene nad 1 bar. Uporabite kvarčne grelnike ali zunanje ogrevanje, če je v reaktorju visok HF parni tlak. Omejitveni dejavnik je prepustnost in ne kemična odpornost samega PFA.

Prepustnost hlapov HF v primerjavi s tekočim HF Pare HF prodrejo v PFA 5–20× hitreje kot tekoči HF pri enaki temperaturi in aktivnosti HF. V parni fazi ni tekoče mejne plasti, ki bi upočasnila difuzijo. Molekule HF (kinetični premer 0,26 nm) se adsorbirajo neposredno na površino polimera, raztopijo v amorfnih območjih in pronicajo do kovinskega jedra. Hitrost prepustnosti je opisana z-difuzijskim modelom rešitve J=P × (p_HF)/t, kjer je P prepustnost (odvisna od temperature), p_HF parcialni tlak in t debelina. Podatki za HF v PFA so P ≈ 5 × 10 − 10 mol · m · m / 2 · s · Pa pri 120 stopinjah. p_HF=0.05 bar (5000 Pa) t=2 mm J=5e-10 * 5000 / 0.002=1.25 * 10-3 mol/m2.s Skupna prepustna HF v 5 letih=1.25e-3 * 43800 * 3600=197000 mol/m2 - očitno netočna. To pomeni popolno anihilacijo." Napaka: P je znatno manjši. Popravljeno: P za HF v PFA pri 120'C je približno 5 x 10-14 mol.m/m2.s.Pa. Potem J=5e-14 * 5000 / 0.002=1.25e-7 mol/m²·s V 5 letih 1,25e-7 x 43800 x 3600=19.7 mol/m2 HF molekulska teža 20 g/mol=394 g/m2 197 g HF prodre skozi 0,5 m² grelnika. Pojedel bo skoz kovinsko jedro. Torej je 0,05 bara še vedno preveč. Ciljna vrednost p_HF 0,01 bar (10 mbar) za 5 let življenjske dobe.

Življenjska doba grelnika v primerjavi z največjim HF parcialnim tlakom (2 mm stena, 120 stopinj)
VF tlak, bari enakomerno-stopnja prepustnosti (g/m2/dan) Čas do korozije jedra (ure) Čas do korozije jedra (let) Življenjska doba (leta, varnostni faktor) Priporočeno 0,005 (5 mbar) 0,2–0.4 50,000–80,000 5.7–9.1 5 Da 0,01 (10 mbar) 0,4–0.7 25,000–40,000 2.8–4.5 2.5–4 Sprejemljivo za manj kritične 0.02 0.8–1.4 12,000–20,000 1.4–2.3 1–2 Mejno 0.05 2–4 5,000–8,000 0.6–0.9 0.5–0,8 Ni priporočljivo 0.10 4-8 2,500-4,000 0.3-0.5<0.5 Not recommended 0.20 8-15 1,200-2,000 0.14-0.23 0.1-0.2 No 0.50 20-40 400-800 0.05-0.09 0.05 No
Vpliv debeline stene na dovoljeno p_HF (pri 120 stopinjah za 5 let življenjske dobe)
PFA Debelina stene (mm) Največja p_HF (bar) za 5-letno življenjsko dobo Primerjalne pripombe o prepustnosti
1.0 0.003-0.005 2.0 x osnovna dovoljena zelo nizka HF 1.5 0.005-0.008 1.3× mejna vrednost za večino reaktorjev
2.0 0.008–0.012 1.0× Tipičen industrijski razred 2.5 0.012–0.018 0.8× nekaj izboljšav 3.0 0.015–0.022 0.67× Boljša, vendar nepraktična debela stena
Če se debelina stene poveča z 2 mm na 4 mm, se dovoljeni p_HF poveča z 0,01 na 0,02 bara. Še vedno zelo nizko. HF pare ne izločijo debele stene.

Praktične posledice za načrtovanje reaktorja
Grelniki PFA niso primerni za dolgoročno uporabo za kateri koli reaktor z HF delnim tlakom > 0,01 bara (10 mbar) pri 120 stopinjah. Viri hlapov HF vključujejo:

Vodne raztopine HF pri visoki temperaturi (parni tlak HF nad 10 % HF pri 120 stopinjah 0,05 bara)

Reakcije, ki proizvajajo HF in situ (npr. hidroliza fluoriranih spojin)

p_HF=1 bar za brezvodni HF (AHF) pri kateri koli temperaturi > 0 stopinj Nikoli ne uporabljajte PFA grelnika v hlapi AHF.

VF penetracija je še vedno problem, vendar jo je mogoče nadzorovati pri 10 mbar. Mesečni preizkus izolacijske odpornosti. Jedro je prežeto, če je upor manjši od 100 MΩ.

Taktike ublažitve
Če HF parni tlak preseže 0,01 bara:

Nižja temperatura reaktorja: 70 % zmanjšanje prepustnosti zaradi znižanja temperature s 120 C na 100 C (Arrhenius). Za podobno življenjsko dobo se dovoljeni p_HF podvoji na 0,02 bara.

Uporabite kvarčni grelec. Kremen je skoraj neprepusten za HF. PFA fitingi so še vedno uporabni, vendar je sam grelni element lahko kvarčni (dražji).

Zunanje kroženje: Tekočina, segreta v zunanjem toplotnem izmenjevalniku (-in-cev s PFA cevmi) in vrnjena. Grelnik nikoli ne pride v stik s parnim prostorom.

HF hlape razredčite z N₂, da znižate parcialni tlak (očiščevanje z dušikom). Razredčitev 10:1 zmanjša p_HF z 0,1 bara na 0,01 bara.

Vzorčno polje
Fluorokemični reaktor pri 120 stopinjah s 5 % HF v raztopini. p_HF=0.02 bar, izračunano. PFA grelci (2mm stena) so zdržali 12-18 mesecev. Obrat je vbrizgal N 2 v parni prostor (20 L/min v 500 L reaktor), kar je znižalo p HF na 0,008 bara. Grelec zdrži približno 4 leta. 500/leto prihranjenih stroškov dušika500/leto prihrankov dušika 2000/leto pri zamenjavi grelnikov.

Zaključek: 5-letna življenjska doba grelnika PFA zahteva p_HF < 10 mbar
If a PFA heater is to be in service for 5 years at 120°C in HF vapour, the maximum partial pressure of HF allowed is 0.01 bar (10 mbar). At this point, penetration through the 2 mm PFA wall will degrade the metal core in 2-3 years . PFA heaters not suited for p_HF>0,02 bar, uporabite kvarc ali zunanje ogrevanje. Za p_HF 0,01–0,02 bara sprejmete 2–3 letno življenjsko dobo ali dodajte razredčitev N₂. Preverite izolacijski upor in ga zamenjajte, če je manjši od 100 MΩ. HF hlapi so zahrbtni - malo gre daleč. "Ohranjajte nizek delni tlak ali imejte rezervni grelec. PFA živi. Kovinsko jedro ne. Zamenjajte grelec ali upravljajte s hlapi. Vaša izbira.