یک کارخانه شیمیایی یک بخاری غوطه وری PTFE را در حمام اسید هیدروفلوئوریک 20 درصد در دمای 50 درجه به مدت نزدیک به چهار سال راه اندازی کرد. بخاری به طور قابل اعتمادی عمل کرد، و هنگامی که در نهایت تعویض شد، خرابی مکانیکی بود-یک ترمینال آسیب دیده از یک خطای تعمیر و نگهداری{4}}نه شیمیایی. همین کارخانه یک بخاری مشابه را در حمام هیدروکسید سدیم 25 درصد در دمای 95 درجه نصب کرد. در پنج ماه شکست خورد. شیمی از یک افراطی به دیگری تغییر کرده بود و PTFE نمی توانست هر دو را اداره کند.
PTFE اغلب به عنوان بی اثر شیمیایی در کل محدوده pH توصیف می شود. این توصیف برای اکثر شرایط دقیق است، اما در موارد شدید-به ویژه محلول های سوزاننده داغ و متمرکز تجزیه می شود. درک اینکه چرا PTFE در برابر HF مقاومت می‌کند اما در سوزاننده داغ شکست می‌خورد، نیازمند بررسی شیمی پلیمر و مکانیسم‌هایی است که گونه‌های شیمیایی مختلف به آن حمله می‌کنند.
چرا PTFE در برابر هیدروفلوریک اسید مقاومت می کند؟
هیدروفلوریک اسید یکی از تهاجمی ترین مواد شیمیایی در مصارف صنعتی است. به شیشه، کوارتز و بیشتر فلزات حمله می کند. به پوست نفوذ می کند و به استخوان آسیب می رساند. با این حال PTFE آن را به راحتی اداره می کند.
دلیل آن پیوند کربن-فلورین است. PTFE زنجیره ای از اتم های کربن است که به طور کامل توسط اتم های فلوئور احاطه شده است. پیوند کربن{3}}فلوئور قوی‌ترین پیوند منفرد در شیمی آلی است، با انرژی پیوند تقریباً 485 کیلوژول بر مول. HF انرژی یا مکانیسم شیمیایی برای شکستن آن پیوند را ندارد.
HF همچنین PTFE را حل یا متورم نمی کند. زنجیره های پلیمری محکم بسته شده اند و اتم های فلوئور از ستون فقرات کربن در برابر حمله محافظت می کنند. مولکول های HF می توانند در طول زمان از طریق پلیمر نفوذ کنند، اما با آن واکنش نشان نمی دهند. سرعت نفوذ آهسته و وابسته به دما است، اما خود پلیمر دست نخورده باقی می ماند.
چرا سوزاننده متمرکز داغ به PTFE حمله می کند؟
هیدروکسید سدیم و سایر بازهای قوی از طریق مکانیسم متفاوتی به PTFE حمله می کنند. در غلظت‌های بالا و دماهای بالا، یون‌های هیدروکسید می‌توانند سطح پلیمر را فلوئور زدایی کنند. این واکنش اتم های فلوئور را از زنجیره کربن حذف می کند و پیوندهای غیر اشباع و مکان های واکنشی ایجاد می کند که در برابر حملات بیشتر آسیب پذیر هستند.
واکنش در دماهای متوسط کند است. در 60 درجه و 10 درصد NaOH، حمله ناچیز است. در 95 درجه و 25 درصد NaOH، نرخ فلوئوراسیون قابل اندازه گیری می شود. سطح پلیمر تغییر رنگ داده، زبر می شود و در نهایت ترک می خورد. تخریب در ابتدا به سطح محدود می شود، اما با گذشت زمان به عمق بیشتری نفوذ می کند.
| غلظت کاستیک | دما | نرخ حمله | زمان آسیب قابل مشاهده است | مناسب بودن PTFE |
|---|---|---|---|---|
| 5 درصد NaOH | 60 درجه | ناچیز | >5 سال | عالی |
| 10٪ NaOH | 80 درجه | کم | 2-4 سال | خوب |
| 20 درصد NaOH | 90 درجه | متوسط | 6-18 ماه | حاشیه ای |
| 25 درصد NaOH | 95 درجه | بالا | 3-8 ماه | توصیه نمی شود |
| 30٪ NaOH | 100 درجه + | خیلی بالا | 1-4 ماه | مناسب نیست |
نرخ حمله سوز آور در PTFE به عنوان تابعی از غلظت و دما
تفاوت نفوذ
HF و caustic همچنین در نحوه نفوذ آنها به PTFE متفاوت است. مولکول های HF کوچک و قطبی هستند و با سرعت متوسطی در پلیمر پخش می شوند. پس از عبور از غلاف، به عایق MgO می رسند و مقاومت عایق را کاهش می دهند. خود پلیمر دست نخورده باقی می ماند.
محلول های سوز آور حاوی یون های هیدروکسید و آب هستند. یون‌های هیدروکسید بزرگ‌تر و کمتر از HF حرکت می‌کنند، اما در هنگام نفوذ با سطح پلیمر واکنش می‌دهند. این واکنش یک لایه تخریب شده ایجاد می کند که نفوذپذیرتر از PTFE اصلی است و ورود بیشتر را تسریع می کند. ترکیبی از نفوذ و حمله سطحی باعث می شود سوزاننده بیشتر از HF در دماهای معادل آسیب رسان باشد.
چرا دما بیشتر از تمرکز اهمیت دارد؟
حمله کاستیک به PTFE از نظر حرارتی فعال می شود. هر 10 درجه افزایش دما تقریباً سرعت واکنش را دو برابر می کند. حمام در دمای 95 درجه تقریباً چهار برابر تهاجمی تر از حمام در دمای 75 درجه و هشت برابر تهاجمی تر از حمام در دمای 65 درجه است.
به همین دلیل است که یک بخاری PTFE که سالها در 20٪ NaOH در دمای 60 درجه دوام می آورد ممکن است در چند ماه در 20٪ NaOH در دمای 95 درجه خراب شود. غلظت مهم است، اما دما متغیر غالب است.
دمای غلاف حتی مهمتر از دمای توده است. یک بخاری که در حجم 95 درجه با دمای غلاف 110 تا 120 درجه کار می کند، پلیمر را در معرض سرعت حمله دو تا چهار برابر بیشتر از دمای توده ای قرار می دهد. کاهش چگالی وات برای کاهش دمای غلاف موثرترین راه برای افزایش عمر مفید در سوزاننده داغ است.
دستورالعمل های عملی برای خدمات سوزاننده
PTFE برای سرویس سوزاننده در دماهای متوسط مناسب است. برای حمام های زیر 70 درجه و غلظت های زیر 15 درصد، یک بخاری غوطه ور PTFE عملکرد خوبی دارد و عمر طولانی را ارائه می دهد. برای حمام های بالاتر از 80 درجه یا غلظت های بالای 20٪، عمر مفید کوتاه می شود و باید مواد جایگزین در نظر گرفته شود.
برای سوزاننده غلیظ داغ، فولاد ضد زنگ 316L یا تیتانیوم ممکن است مناسب تر از PTFE باشد، مشروط بر اینکه حمام حاوی کلریدی نباشد که باعث ایجاد حفره شود. در کلرید-حاوی مواد سوزاننده، گزینه‌های مواد بیشتر باریک می‌شوند و ممکن است آلیاژ خاصی مورد نیاز باشد.
| وضعیت خدمات | مواد توصیه شده | مناسب بودن PTFE | یادداشت ها |
|---|---|---|---|
| <10% NaOH, <60°C | PTFE | عالی | عمر طولانی |
| 10-15٪ NaOH، 60-75 درجه | PTFE | خوب | وضعیت غلاف مانیتور |
| 15-20٪ NaOH، 75-85 درجه | PTFE یا تیتانیوم | حاشیه ای | جایگزین را در نظر بگیرید |
| 20-25٪ NaOH، 85-95 درجه | تیتانیوم یا 316 لیتر | توصیه نمی شود | PTFE تخریب می شود |
| >25% NaOH, >95 درجه | آلیاژ تخصصی | مناسب نیست | با متخصص مواد مشورت کنید |
توصیه های مواد برای خدمات سوزاننده در غلظت ها و دماهای مختلف
وقتی PTFE انتخاب درستی است
PTFE برای خدمات سوزاننده در دماهای متوسط، برای حمام هایی که ترکیب شیمیایی بین اسید و قلیایی متناوب است و برای کاربردهایی که HF یا اسیدهای مخلوط وجود دارد، انتخاب مناسبی است. مقاومت شیمیایی گسترده آن باعث می شود زمانی که شیمی نامشخص یا متغیر باشد، ایمن ترین انتخاب باشد.
در سوزاننده غلیظ داغ، PTFE به حد خود می رسد. پلیمر تجزیه می شود، غلاف از کار می افتد و بخاری باید تعویض شود. یک پیکربندی سفارشی بخاری غوطه‌وری PTFE با چگالی وات کمتر، غلاف ضخیم‌تر و دسترسی جریان بهتر می‌تواند عمر مفید را در شرایط حاشیه‌ای افزایش دهد، اما نمی‌تواند بر ناسازگاری اساسی در انتهای طیف سوزاننده غلبه کند. فرآیند مشخصات به شیمی حمام، غلظت، دما و تاریخچه خرابی بخاری های قبلی نیاز دارد.
