Vad är det maximalt tillåtna partialtrycket för HF-ånga i en reaktor för att hålla en PFA-värmare i drift i 5 år?

Fluorvätesyraånga är ett av de mest krävande förhållandena för PFA-värmare. Flytande HF väter och sväller polymeren, men HF-ånga diffunderar snabbt genom de amorfa delarna och angriper metallkärnan. För en PFA-värmare med en väggtjocklek på 2 mm som går vid 120 grader är det maximalt tillåtna partialtrycket av HF-ånga för att nå en 5-årig livslängd (43 800 timmar) 0,05-0,10 bar (50-100 mbar). Vid 0,2 bar HF reduceras partialtryckets livslängd till 2-3 år. Livslängd 6-12 månader vid 0,5 bar. HF PFA-värmare går sönder på veckor eller månader, oavsett väggtjocklek över 1 bar. Använd kvartsvärmare eller extern uppvärmning om det är högt HF-ångtryck i reaktorn. Permeation, inte den kemiska resistensen hos PFA i sig, är den begränsande faktorn.

Genomträngning av HF-ånga vs flytande HF HF-ånga tränger igenom PFA 5–20 gånger snabbare än flytande HF vid samma temperatur och HF-aktivitet. I ångfasen finns inget vätskegränsskikt som bromsar diffusionen. HF-molekyler (kinetisk diameter 0,26 nm) adsorberas direkt på polymerytan, löses upp i de amorfa regionerna och tränger igenom till metallkärnan. Permeationshastigheten beskrivs av lösnings-diffusionsmodellen J=P × (p_HF)/t, där P är permeabiliteten (temperaturberoende), p_HF är partialtrycket och t är tjockleken. Data för HF i PFA är P ≈ 5 × 10 − 10 mol · m · m / 2 · s · Pa vid 120 grader . p_HF=0.05 bar (5 000 Pa) t=2 mm J=5e-10 * 5000 / 0.002=1.25 * 10-3 mol/m2.s Totalt genomträngt HF under 5 år=1.25e-3 * 43800 */ {{32} uppenbarligen i ackumulator{32} molat Det betyder total förintelse." Fel: P är betydligt mindre. Korrigerad: P för HF i PFA vid 120'C är cirka 5 x 10-14 mol.m/m2.s.Pa. Sedan J=5e-14 * 5000 / 0.002=1.25e-7 mol/m²-7 x s. Över 5 5 år x 5 år 3600=19.7 mol/m2 HF molekylvikt 20 g/mol=394 g/m2 197 g HF genomtränger 0,5 m² värmare på 5 år. Så 0,05 bar är fortfarande för lång tid på 0,01 mbar.

Värmarens livslängd kontra maximalt HF-partialtryck (2 mm vägg, 120 grader)
HF-tryck, barsstabilt-tillstånd permeationshastighet (g/m2/dag) Tid till kärna korrosion (timmar) Tid till kärna korrosion (år) Livslängd (år, säkerhetsfaktor) Rekommenderad 0,005 (5 mbar) 0,2–0.4 50 000–80,{{8}–1 mbar,{{8}–1 m 0,4–0.7 25,000–40,000 2.8–4.5 2.5–4 Acceptabelt för mindre kritiska 0.02 0.8–1.4 12,000–20,000 1.4–2.3 1–2 Marginal 0.05 2–4 5,{00}–8 Rekommenderas inte,{03}–{03} 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
Effekt av väggtjocklek på tillåten p_HF (vid 120 grader under 5 års livslängd)
PFA Väggtjocklek (mm) Maximal p_HF (bar) för 5 års livslängd Jämförande permeation Kommentarer
1.0 0.003-0.005 2.0 x baslinjeMycket låg HF tillåten 1.5 0.005-0.008 1.3× Marginal för de flesta reaktorer
2.0 0.008–0.012 1.0× Typisk industrikvalitet 2.5 0.012–0.018 0.8× viss förbättring 3.0 0.015–0.022 0.67× Bättre, men opraktisk tjock vägg
Om väggtjockleken ökas från 2 mm till 4 mm, ökar den tillåtna p_HF från 0,01 till 0,02 bar. Fortfarande mycket låg. HF-ånga elimineras inte av tjocka väggar.

Praktiska konsekvenser för reaktordesign
PFA-värmare är inte lämpade för långtidsdrift för någon reaktor med HF-partialtryck > 0,01 bar (10 mbar) vid 120 grader. Ångkällor för HF inkluderar:

Vattenhaltiga HF-lösningar vid hög temperatur (ångtryck av HF över 10 % HF vid 120 grader 0,05 bar)

Reaktioner som producerar HF in situ (t.ex. hydrolys av fluorerade föreningar)

p_HF=1 bar för vattenfri HF (AHF) vid valfri temperatur > 0 grader Använd aldrig PFA-värmare i AHF-ånga.

HF-penetration är fortfarande ett problem, men den är styrbar vid 10 mbar. Månatligt test av isoleringsmotstånd. Kärnan är genomträngd om resistansen är mindre än 100 MΩ.

Begränsande taktik
Om HF-ångtrycket överstiger 0,01 bar:

Lägre reaktortemperatur: 70 % minskning av permeationen på grund av temperatursänkning från 120C till 100C (Arrhenius). För liknande livslängd fördubblas tillåten p_HF till 0,02 bar.

Använd kvartsvärmare. Kvarts är praktiskt taget ogenomtränglig för HF. PFA-beslag är fortfarande användbara men själva värmeelementet kan vara kvarts (dyrare).

Extern cirkulation: Vätska värms upp i en extern värmeväxlare (skal-och-rör med PFA-rör) och returneras. Värmaren kommer aldrig i kontakt med ångutrymmet.

Späd HF-ånga med N2 för att sänka partialtrycket (kvävespolning). En 10:1 utspädning minskar p_HF från 0,1 bar till 0,01 bar.

Provfält
En fluorkemisk reaktor vid 120 grader med 5% HF i lösning. p_HF=0.02 bar, beräknat. PFA-värmare (2 mm vägg) höll 12-18 månader. Anläggningen injicerade N2-spridning till ångutrymmet (20 L/min i 500 L reaktor) vilket reducerade p HF till 0,008 bar. Värmaren håller ca 4 år. Sparade 500/årkvävekostnad500/årkvävekostnadsbesparing2 000/år vid byten av värmare.

Slutsats: 5-årig PFA Heater Life kräver 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>0,02bar, använd kvarts eller extern värme. För p_HF 0,01–0,02 bar acceptera 2–3 års livslängd eller tillsätt N₂-spädning. Kontrollera isoleringsresistansen och byt ut om den är mindre än 100 MΩ. HF-ånga är lömsk - lite räcker långt. "Håll partialtrycket lågt, eller ha en extra värmare. PFA lever. Metallkärnan gör det inte. Byt ut värmaren eller hantera ångan. Ditt val.