מצב הקיטור המועשר-חמצן
מערכות קיטור תעשייתיות מכילות בדרך כלל חמצן מומס ברמות חלקים-ל-מיליארד, הנשלטות על ידי איוורור מכני וניקוי חמצן כימי. כאשר ציוד ההתאוורור מתקלקל או הזנת סופח חמצן מופסקת, החמצן המומס עלול לעלות לרמות של חלקים-ל-מיליון. בכמה תהליכים מיוחדים, חמצן מתווסף בכוונה לקיטור למטרות ניקוי או פסיביות.
חמצן זה, בטמפרטורות גבוהות של קיטור-130-200 מעלות בהתאם ללחץ יוצר סביבה חמצונית. פולימרים יציבים תרמית באטמוספרות אינרטיות עלולים לעבור פירוק חמצוני בנוכחות חמצן. טמפרטורת תחילת הפירוק, וקצב הפירוק מעל טמפרטורה זו, תלויים במבנה המולקולרי של הפולימר.
PTFE ו-FEP הם שניהם פולימרים פרפלואורינים וחולקים עמידות כימית מעולה. התגובה שלהם לטמפרטורה מוגברת בנוכחות חמצן, לעומת זאת, שונה עקב הבדלים בארכיטקטורת השרשרת ובגבישיות. הבנת ההבדל הזה חשובה ליישומי מחליפי חום שבהם בקרת איכות הקיטור אינה מושלמת.
ההבדל בכימיה של חמצון
PTFE מורכב מיחידות חוזרות של -CF₂-CF₂-. שרשרת הפולימר רוויה במלואה בפלואור. אין קשרי C-H, אין קשרי C-Cl ואין אי רוויה. אנרגיית ניתוק הקשר C-F היא כ-485 קילו ג'ל/מול. עמוד השדרה של הפחמן מוגן לחלוטין על ידי אטומי הפלואור, היוצרים מעטה סליל הדוק סביב השרשרת.
בנוכחות חמצן בטמפרטורה גבוהה, PTFE עובר פירוק חמצוני רק בטמפרטורות שבהן קשרי עמוד השדרה C-C מתחילים להישבר-מעל 300 מעלות בערך באוויר. תוצרי החמצון הם קרבוניל פלואוריד (COF₂) וטריפלואורואצטיל פלואוריד (CF₃COF), אשר עוברים הידרוליזה ל-HF ו-CO₂. מתחת ל-260 מעלות, התעריף זניח עבור חיי ציוד מעשי.
FEP הוא קופולימר של טטרפלואורואתילן והקספלואורופרופילן. הקומונומר HFP מציג יחידות -CF(CF₃)-CF₂-, היוצרות אתרי פחמן שלישוניים שבהם הפחמן קשור לשלושה פחמנים אחרים ולקבוצת צד אחת של CF₃. אתרי פחמן שלישוניים אלו רגישים יותר להתקפה תרמית וחמצונית מאשר הפחמנים המשניים בשרשרת ה-PTFE. לקשר C-C בנקודת ההסתעפות יש אנרגיית ניתוק קשר מעט נמוכה יותר. מבנה השרשרת הלא סדיר מפחית גם את הגבישיות, ומגביר את חדירת החמצן לאזורים האמורפיים.
| פרמטר פירוק תרמי | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| מבנה שרשרת | ליניארי -CF₂-CF₂- | מסועף עם -CF(CF₃)-CF₂- יחידות |
| גבישיות (%) | 50-70 | 30-45 |
| תחילתה של ירידה ניתנת למדידה במשקל באוויר (מעלה) | ~350 | ~300 |
| טמפרטורת שירות רציפה באוויר (מעלה) | 260 | 204 |
| קצב הפירוק בקיטור עם 1 ppm O₂ ב-200 מעלות (% אובדן מסה/1,000 שעות) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| קצב הפירוק בקיטור עם 10 ppm O₂ ב-200 מעלות (% אובדן מסה/1,000 שעות) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| חיי שירות מעשיים בקיטור-מועשר בחמצן ב-180 מעלות (שנים) | 15+ | 5-10 |
פגיעות השלב האמורפי
הגבישיות הנמוכה יותר של FEP פירושה שחלק גדול יותר מהפולימר קיים כשרשראות שלב אמורפי-לא מסודר עם נפח חופשי גבוה יותר. החמצן חודר בקלות רבה יותר דרך האזורים האמורפיים. השילוב של ריכוז חמצן גבוה יותר בפולימר ואתרי הפחמן השלישוני התגובתיים יותר מייצר קצב פירוק חמצוני מהיר יותר למדידה.
בקיטור עם חמצן מומס רגיל (<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.
ב-200 מעלות עם חמצן מומס של 10 עמודים לדקה, FEP מאבד 0.2-0.5% מהמסה שלו לכל 1,000 שעות באמצעות פיסורה של שרשרת חמצונית והתפתחות מוצר נדיף. במהלך שנת פעילות של 10,000 שעות, זה מייצג 2-5% אובדן מסה. PTFE בתנאים זהים מאבד פחות מ-0.02% ל-1,000 שעות - קצב פירוק איטי יותר ב-10-25×.
ההשלכה העיצובית
עבור מערכות קיטור עם איוורור אמין וניקוי חמצן-הנורמה במפעלים תעשייתיים-מתופעלים היטב-מספקים חיי שירות נאותים, גם PTFE וגם FEP. העלות הנמוכה יותר ויכולת הריתוך של FEP עשויים להעדיף אותו ביישומים אלה.
עבור מערכות קיטור עם יציאות חמצן ידועות, עבור תהליכים שבהם חמצן נוכח בכוונה בקיטור, או עבור יישומים שבהם איכות הקיטור אינה נשלטת באופן הדוק, היציבות החמצונית המעולה של PTFE הופכת אותו לבחירה-ת בסיכון הנמוך יותר. מגבלת הטמפרטורה של PTFE בקיטור מועשר- בחמצן יכולה להישמר ב-260 מעלות; יש להוריד את המגבלה המעשית של FEP לכ-180 מעלות.
תַקצִיר
צינורות מחליפי חום PTFE מציגים עמידות טובה יותר לפירוק תרמי חמצוני מאשר FEP בקיטור מועשר בחמצן-, בשל היעדר אתרי פחמן שלישוני, המיגון החזק יותר של עמוד השדרה של הפחמן על ידי מעטפת הפלואור, וגבישיות גבוהה יותר שמפחיתה את חדירת החמצן. בקיטור רגיל עם חמצן מומס נמוך, שני הפולימרים מתפקדים כראוי. בקיטור מועשר- בחמצן, PTFE מתפרק פי 10-25 פעמים יותר מ-FEP ושומר על דירוג הטמפרטורה המלא שלו, בעוד שיש להפחית את מגבלת הטמפרטורה המעשית של FEP.
תמיכה הנדסית לבחירת חומרי פלואורפולימר בתנאי איכות קיטור ספציפיים זמינה עם הגשת לחץ קיטור, ריכוז חמצן מומס (רגיל ויציאה) וחיי השירות הנדרשים של הציוד.
