Den syreberikade ångkonditionen-
Industriella ångsystem innehåller normalt löst syre i delar-per-miljardnivåer, kontrollerade av mekanisk avluftning och kemisk syrerening. När avluftningsutrustningen inte fungerar eller tillförseln av syrgasrenare avbryts, kan löst syre stiga till nivåer-per-miljoner. I vissa specialiserade processer tillsätts syre avsiktligt till ånga för rengöring eller passiveringsändamål.
Detta syre, vid de förhöjda ångtemperaturerna-130-200 grader beroende på trycket skapar en oxidativ miljö. Polymerer som är termiskt stabila i inerta atmosfärer kan genomgå oxidativ nedbrytning i närvaro av syre. Nedbrytningsstarttemperaturen och nedbrytningshastigheten över denna temperatur beror på polymerens molekylära struktur.
PTFE och FEP är båda perfluorerade polymerer och delar utmärkt kemisk resistens. Deras svar på förhöjd temperatur i närvaro av syre skiljer sig dock på grund av skillnader i kedjearkitektur och kristallinitet. Att förstå denna skillnad är viktigt för värmeväxlarapplikationer där ångkvalitetskontrollen är ofullständig.
Skillnaden i oxidationskemi
PTFE består av -CF₂-CF₂- upprepade enheter. Polymerkedjan är helt mättad med fluor. Det finns inga C-H-bindningar, inga C-Cl-bindningar och ingen omättnad. C-F-bindningsdissociationsenergin är ungefär 485 kJ/mol. Kolstommen är helt avskärmad av fluoratomerna, som bildar en tät spiralformad mantel runt kedjan.
I närvaro av syre vid förhöjd temperatur genomgår PTFE oxidativ nedbrytning endast vid temperaturer där C-C-ryggradsbindningarna börjar brytas-över cirka 300 grader i luft. Oxidationsprodukterna är karbonylfluorid (COF2) och trifluoracetylfluorid (CF3COF), som hydrolyserar till HF och CO2. Under 260 grader är hastigheten försumbar för praktisk utrustnings livstid.
FEP är en sampolymer av tetrafluoreten och hexafluorpropen. HFP-sammonomeren introducerar -CF(CF₃)-CF₂--enheter, som skapar tertiära kolställen där kolet är bundet till tre andra kol och en CF₃-sidogrupp. Dessa tertiära kolställen är mer mottagliga för termisk och oxidativ attack än de sekundära kolen i PTFE-kedjan. C-C-bindningen vid grenpunkten har något lägre bindningsdissociationsenergi. Den oregelbundna kedjestrukturen minskar också kristalliniteten, vilket ökar syregenomträngningen i de amorfa regionerna.
| Parameter för termisk nedbrytning | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Kedjestruktur | Linjär -CF₂-CF₂- | Förgrenad med -CF(CF₃)-CF₂- enheter |
| Kristallinitet (%) | 50-70 | 30-45 |
| Början av mätbar viktminskning i luft (grad) | ~350 | ~300 |
| Kontinuerlig drifttemperatur i luft (grad) | 260 | 204 |
| Nedbrytningshastighet i ånga med 1 ppm O₂ vid 200 grader (% massförlust/1 000 timmar) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Nedbrytningshastighet i ånga med 10 ppm O₂ vid 200 grader (% massförlust/1 000 timmar) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Praktisk livslängd i-syreberikad ånga vid 180 grader (år) | 15+ | 5-10 |
Den amorfa fasens sårbarhet
Den lägre kristalliniteten hos FEP betyder att en större del av polymeren existerar som amorfa fas-störda kedjor med högre fri volym. Syre tränger lättare igenom de amorfa regionerna. Kombinationen av högre syrekoncentration i polymeren och de mer reaktiva tertiära kolställena ger en mätbart snabbare oxidativ nedbrytningshastighet.
I ånga med normalt löst syre (<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.
Vid 200 grader med 10 ppm löst syre förlorar FEP 0,2-0,5 % av sin massa per 1 000 timmar genom oxidativ kedjeklyvning och utveckling av flyktiga produkter. Under ett 10 000-timmars verksamhetsår motsvarar detta 2-5 % massförlust. PTFE under identiska förhållanden förlorar mindre än 0,02 % per 1 000 timmar - en 10-25 gånger långsammare nedbrytningshastighet.
Designkonsekvensen
För ångsystem med pålitlig avluftning och syrerening ger -normen i väl-industriella anläggningar- både PTFE och FEP tillräcklig livslängd. FEP:s lägre kostnad och svetsbarhet kan gynna den i dessa applikationer.
För ångsystem med kända syreavvikelser, för processer där syre avsiktligt förekommer i ångan, eller för applikationer där ångkvaliteten inte är noggrant kontrollerad, gör PTFE:s överlägsna oxidativa stabilitet det till det lägre-riskvalet. Temperaturgränsen för PTFE i syreberikad ånga- kan hållas vid 260 grader; FEP:s praktiska gräns bör sänkas till cirka 180 grader.
Sammanfattning
PTFE-värmeväxlarrör uppvisar betydligt bättre motstånd mot oxidativ termisk nedbrytning än FEP i syreberikad ånga, på grund av frånvaron av tertiära kolplatser, den starkare avskärmningen av kolstommen av fluormanteln och högre kristallinitet som minskar syregenomträngningen. I normal ånga med lågt löst syre fungerar båda polymererna adekvat. I syreberikad ånga bryts PTFE ned 10-25 gånger långsammare än FEP och bibehåller sin fulla temperaturklassning, medan FEP:s praktiska temperaturgräns bör reduceras.
Tekniskt stöd för val av fluorpolymermaterial under specifika ångkvalitetsförhållanden är tillgängligt vid inlämnande av ångtryck, koncentration av löst syre (normal och exkursion) och nödvändig utrustnings livslängd.
