Aký je maximálny povolený parciálny tlak HF pár v reaktore na udržanie ohrievača PFA v prevádzke po dobu 5 rokov?

Para kyseliny fluorovodíkovej sú jednou z najnáročnejších podmienok pre ohrievače PFA. Kvapalné HF zmáča a napučiava polymér, ale HF para rýchlo difunduje cez amorfné časti a napáda kovové jadro. Pre ohrievač PFA s hrúbkou steny 2 mm pri 120 stupňoch je maximálny povolený parciálny tlak HF pár na dosiahnutie 5-ročnej životnosti (43 800 hodín) 0,05-0,10 bar (50-100 mbar). Pri parciálnom tlaku 0,2 bar HF sa životnosť zníži na 2-3 roky. Životnosť 6-12 mesiacov pri 0,5 baru. Ohrievače HF PFA zlyhajú v priebehu týždňov alebo mesiacov bez ohľadu na hrúbku steny nad 1 bar. Ak je v reaktore vysoký tlak pár HF, použite kremenné ohrievače alebo externý ohrev. Limitujúcim faktorom je permeácia, nie chemická odolnosť PFA.

Permeácia pár HF oproti kvapalnému HF Pary HF prenikajú PFA 5–20x rýchlejšie ako kvapalný HF pri rovnakej teplote a aktivite HF. V plynnej fáze neexistuje žiadna hraničná vrstva kvapaliny, ktorá by spomalila difúziu. Molekuly HF (kinetický priemer 0,26 nm) sa adsorbujú priamo na povrchu polyméru, rozpúšťajú sa v amorfných oblastiach a prenikajú do kovového jadra. Rýchlosť permeácie je opísaná -modelom difúzie roztoku J=P × (p_HF)/t, kde P je permeabilita (závislá od teploty), p_HF je parciálny tlak a t je hrúbka. Údaje pre HF v PFA sú P ≈ 5 × 10 - 10 mol · m · m / 2 · s · Pa pri 120 stupňoch. p_HF=0.05 bar (5 000 Pa) t=2 mm J=5e-10 * 5000 / 0.002=1.25 * 10-3 mol/m2.s Celkový preniknutý HF počas 5 rokov=1.25e-3 * 43 800 * {{32} nepresná mol. To znamená úplné zničenie." Chyba: P je výrazne menšie. Opravené: P pre HF v PFA pri 120°C je približne 5 x 10-14 mol.m/m2.s.Pa. Potom J=5e-14 * 5000 / 0.002=1.25e-7 mol/m²01 x 45e 5 rokov 3600=19.7 mol/m2 Molekulová hmotnosť HF 20 g/mol=394 g/m2 197 g HF prenikne cez 0,5 m² ohrievača za 5 rokov, takže 0,05 baru je stále príliš veľa.

Životnosť ohrievača vs. maximálny vysokofrekvenčný parciálny tlak (2 mm stena, 120 stupňov)
HF tlak, barssteady{0}}rýchlosť permeácie (g/m2/deň)Čas do korózie jadra (h) Čas do korózie jadra (roky)Životnosť (roky, bezpečnostný faktor)Odporúčané 0,005 (5 mbar) 0,2–0.4 50, 000–80,{01}Áno 0,{01}Áno 01}} 0,4–0.7 25,000–40,000 2.8–4.5 2.5–4 Prijateľné pre menej kritické 0.02 0.8–1.4 12,000–20,000 1.4–2.3 1–2 Marginálne 0.05 2–{27}}–{21}}–{030,{27}}–{30}–4 5–{30}– neodporúča sa 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
Vplyv hrúbky steny na prípustné p_HF (pri 120 stupňoch počas 5-ročnej životnosti)
PFA Hrúbka steny (mm) Maximálna p_HF (bar) počas 5-ročnej životnosti Porovnávacia permeácia Poznámky
1.0 0.003-0.005 2.0 x základná líniaVeľmi nízke povolené HF 1.5 0.005-0.008 1.3× marginálne pre väčšinu reaktorov
2.0 0.008–0.012 1.0× Typická priemyselná kvalita 2.5 0.012–0.018 0.8× určité zlepšenie 3.0 0.015–0.022 0.67× Lepšia, ale nepraktická hrubá stena
Ak sa hrúbka steny zväčší z 2 mm na 4 mm, prípustná hodnota p_HF sa zvýši z 0,01 na 0,02 baru. Stále veľmi nízka. VF pary nie sú eliminované hrubými stenami.

Praktické dôsledky pre návrh reaktora
Ohrievače PFA nie sú vhodné na dlhodobú prevádzku pre žiadny reaktor s parciálnym tlakom HF > 0,01 bar (10 mbar) pri 120 stupňoch. Zdroje pár HF zahŕňajú:

Vodné roztoky HF pri vysokej teplote (tlak pár HF nad 10 % HF pri 120 stupňoch 0,05 baru)

Reakcie produkujúce HF in situ (napr. hydrolýza fluórovaných zlúčenín)

p_HF=1 bar pre bezvodý HF (AHF) pri akejkoľvek teplote > 0 stupňov Nikdy nepoužívajte ohrievač PFA v pare AHF.

HF penetrácia je stále problém, ale je regulovateľná pri 10 mbar. Mesačný test izolačného odporu. Jadro je permeované, ak je odpor menší ako 100 MΩ.

Zmierňujúce taktiky
Ak tlak pár HF prekročí 0,01 baru:

Nižšia teplota reaktora: 70 % zníženie permeácie v dôsledku zníženia teploty zo 120 °C na 100 °C (Arrhenius). Pre podobnú životnosť sa p_HF prípustné zdvojnásobí na 0,02 bar.

Použite kremenný ohrievač. Kremeň je pre HF prakticky nepriepustný. Armatúry PFA sú stále použiteľné, avšak samotné vykurovacie teleso môže byť kremenné (drahšie).

Vonkajšia cirkulácia: Kvapalina ohrievaná v externom výmenníku tepla (plášť-a{1}}rúrka s PFA rúrkami) a vracaná späť. Ohrievač nikdy neprichádza do kontaktu s parným priestorom.

Pary HF zrieďte N2 na zníženie parciálneho tlaku (preplachovanie dusíkom). Zriedenie 10:1 znižuje p_HF z 0,1 bar na 0,01 bar.

Vzorové pole
Fluorochemický reaktor pri 120 stupňoch s 5 % HF v roztoku. p_HF=0.02 bar, vypočítané. Ohrievače PFA (2mm stena) vydržali 12-18 mesiacov. Zariadenie vstrekovalo N2 do parného priestoru (20 l/min do 500 1 reaktora), čo znížilo p HF na 0,008 bar. Ohrievač vydrží cca 4 roky. 500/rok ušetrené náklady na dusík500/rok ušetrené 2 000/rok pri výmene ohrievača.

Záver: 5-ročná životnosť ohrievača PFA vyžaduje 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, použite kremeň alebo externý ohrev. Pre p_HF 0,01–0,02 bar akceptujte životnosť 2–3 roky alebo pridajte riedenie N₂. Skontrolujte izolačný odpor a vymeňte ho, ak je menší ako 100 MΩ. Vysokofrekvenčné výpary sú záludné - trochu ďaleko. "Udržiavajte nízky parciálny tlak alebo majte náhradný ohrievač. PFA žije. Kovové jadro nie. Vymeňte ohrievač alebo spravujte pary. Vaša voľba."