The Chlorine Permeation Challenge
I klor-alkalianläggningar hanterar värmeväxlare våt klorgas vid temperaturer på 80-100 grader. Kloret är frätande och giftigt. Värmeväxlarmaterialet måste motstå kemiska angrepp och måste också minimera genomträngning av klor genom rörväggen. Klor som tränger igenom rören kommer in i ångkondensatsystemet, där det bildar saltsyra och underklorsyra, korroderar nedströms metalliska komponenter och skapar en säkerhetsrisk.
PTFE och FEP är båda helt fluorerade polymerer med utmärkt kemisk beständighet mot klor. Båda är kandidater för denna tjänst. Deras genomträngningshastigheter för klor skiljer sig markant på grund av skillnader i kristallinitet, fri volym och molekylstruktur. Skillnaden kan avgöra vilket material som ger acceptabel livslängd och säkerhet.
Kristallinitet-permeationsförhållandet
Gasgenomträngning genom en polymer sker endast genom de amorfa regionerna. De kristallina områdena är ogenomträngliga-kedjorna är packade för hårt för att gasmolekyler ska kunna passera. Den totala permeationshastigheten är proportionell mot den amorfa fraktionen och diffusionskoefficienten genom den fraktionen.
PTFE har en kristallinitet på 50-70%. FEP har en kristallinitet på 30-45%. Den amorfa andelen av FEP är 50-70 % högre än den för PTFE. Diffusionsvägen för klormolekyler är motsvarande större.
Klorgas (Cl2) är en relativt stor molekyl med en kinetisk diameter på ungefär 4,2 Å. Det diffunderar långsamt genom den begränsade fria volymen av den amorfa fasen. I FEP resulterar den större amorfa fraktionen och den något öppnare strukturen (på grund av -CF3-sidogrupperna på polymerkedjan) i en högre diffusionskoefficient än i PTFE.
Kombinationen av större amorf fraktion och högre diffusionskoefficient ger FEP en permeationshastighet som är ungefär 2-3 gånger högre än PTFE vid samma temperatur.
| Permeationsparameter | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Kristallinitet (%) | 55-65 (vanligt) | 35-42 (vanligt) |
| Amorf fraktion (%) | 35-45 | 58-65 |
| Relativ Cl2-diffusionskoefficient | 1.0 (baslinje) | 1.3-1.6 |
| Relativ Cl2-permeationshastighet vid 100 grader | 1.0 (baslinje) | 2.0-3.0 |
| Permeationshastighet vid 100 grader, 1 bar ΔP (cm³·mm/m²·day·bar) | 0.8-1.5 | 2.0-4.5 |
| Effekt av 20 graders temperaturhöjning | Permeation ~2× | Permeation ~2× |
Temperaturaccelerationen
Permeationshastigheten ökar exponentiellt med temperaturen. Aktiveringsenergin för klorpermeation genom PTFE och FEP är cirka 30-40 kJ/mol. Hastigheten fördubblas ungefär för varje 20 graders temperaturökning. Vid 80 grader är permeationshastigheterna ungefär hälften av värdena vid 100 grader. Vid 120 grader är de ungefär dubbla.
För processer som arbetar nära den övre änden av temperaturområdet kan den högre permeationshastigheten för FEP bli oacceptabel. Klorkoncentrationen i ånga-kondensatsystemet kan överskrida säkra gränser, eller graden av nedströms korrosion kan bli för hög. PTFE:s lägre permeationshastighet ger en säkerhetsmarginal.
Innebörden av säkerhet och underhåll
Klor som tränger igenom rörväggen orsakar inte omedelbart fel. Det ackumuleras i ång-kondensatsystemet med tiden. Den första indikationen på ett problem kan vara korrosion av ett kondensatreturrör eller en ångfälla, eller en klorlukt under underhåll. Då är skadan skedd.
Den lägre permeationshastigheten för PTFE minskar det kumulativa klorinträngningen under utrustningens livslängd. Komponenterna i ånga-kondensatsystemet håller längre. Underhållsbördan är lägre. Säkerhetsrisken från klorexponering minskar.
Valet av PTFE framför FEP för klorservice baseras på skillnaden i genomträngningshastighet och dess långsiktiga-konsekvenser för hela systemet, inte bara själva värmeväxlaren.
Sammanfattning
FEP värmeväxlarrör har en klorpermeationshastighet som är 2-3 gånger högre än PTFE vid 100 grader, på grund av FEP:s lägre kristallinitet och öppnare molekylstruktur. Den högre permeationshastigheten ökar klorinträngningen i ång-kondensatsystemet, accelererar korrosion av nedströmskomponenter och ökar säkerhetsrisken. PTFE:s lägre permeationshastighet ger överlägset långsiktigt systemskydd. För klordrift över 80 grader är PTFE den föredragna fluorpolymeren.
Tekniskt stöd för val av fluorpolymer i klor- och halogenservice är tillgängligt efter inlämnande av gassammansättning, driftstemperatur och tryck, och nedströms systemmaterial och korrosionshistorik.
