На химическом заводе был установлен погружной нагреватель из ПТФЭ в ванне с 30% азотной кислотой при температуре 92 градуса. Нагреватель был рассчитан на температуру и химический состав. Через четыре месяца он вышел из строя-не только из-за проникновения, но и из-за сочетания проникновения и окисления, которое разлагало полимер быстрее, чем любой из механизмов в отдельности. На оболочке наблюдался узор из мелких трещин и отчетливое пожелтение, характерное для окислительного воздействия.
Окислительные кислоты-азотная кислота, хромовая кислота, серная кислота в высоких концентрациях и смеси, содержащие пероксиды или персульфаты-представляют особую проблему для погружных нагревателей из ПТФЭ. Полимер устойчив к окислению при умеренных температурах. При температуре выше 90 градусов сочетание окисления и термического напряжения превышает способность полимера сопротивляться.
Механизм окисления ПТФЭ
ПТФЭ устойчив к окислению, поскольку связи углерод-фтор сильны, а атомы фтора защищают углеродную основу. Однако при повышенных температурах кислород или окисляющие вещества могут атаковать полимер в слабых местах,-концах цепей, остаточных примесях и структурных дефектах, возникших во время производства.
В результате атаки образуются карбонилфторид и другие окисленные соединения, которые разрушают полимерную цепь. В результате происходит разрыв цепи, что снижает молекулярную массу и механическую прочность. Поверхность становится хрупкой и покрывается мелкими трещинами. Трещины обеспечивают пути для дальнейшего проникновения и атаки.
Скорость окисления зависит от температуры, концентрации окислителей и присутствия катализаторов, таких как ионы металлов. Железо, медь и другие переходные металлы могут катализировать окисление ПТФЭ, ускоряя его разложение.
| Окисляющая кислота | Концентрация | Температура | Скорость окисления | Срок службы ПТФЭ |
|---|---|---|---|---|
| Азотная кислота | 20% | 70 градусов | Низкий | 3–5 лет |
| Азотная кислота | 30% | 90 градусов | Умеренный | 6–14 месяцев |
| Азотная кислота | 30% | 95 градусов | Высокий | 3–8 месяцев |
| Азотная кислота | 50% | 90 градусов | Очень высокий | 2–6 месяцев |
| Хромовая кислота | 20% | 90 градусов | Высокий | 4–10 месяцев |
| Серная кислота | 70% | 95 градусов | Умеренный–высокий | 6–14 месяцев |
| Перекись-содержащая | 5% | 80 градусов | Высокий | 4–10 месяцев |
Скорость окисления и срок службы ПТФЭ в окислительной кислоте при температуре выше 90 градусов.
Комбинированный эффект окисления и проникновения
Окисление и проницаемость не являются независимыми. Окисление создает поверхностные трещины и увеличивает проницаемость полимера. Проникновение приводит к проникновению влаги и химических веществ глубже в полимер, где они могут вступать в реакцию с окисленными участками. Оба механизма усиливают друг друга.
Нагреватель, находящийся в окислительной кислоте при температуре выше 90 градусов, может показывать постепенное снижение сопротивления изоляции в течение нескольких недель, за которым следует внезапное падение, когда трещина проникает на всю толщину оболочки. Внезапное падение часто является первым признаком того, что что-то не так. К тому времени полимер разлагался уже несколько недель.
Такая комбинация более разрушительна, чем любой из механизмов по отдельности. Нагреватель в неокисляющей кислоте при той же температуре может прослужить в два раза дольше, поскольку полимер не подвергается химическому разложению,-только проникает.
Температура: доминирующая переменная
Скорость окисления примерно удваивается на каждые 10 градусов повышения температуры. Нагреватель, работающий при 95 градусах, примерно в четыре раза более подвержен окислению, чем нагреватель при 75 градусах, и в восемь раз более восприимчив, чем нагреватель при 65 градусах.
Температура оболочки даже более важна, чем температура объема. Нагреватель, работающий при температуре 92 градуса в объеме с температурой оболочки 110 градусов, подвергает полимер скорости окисления в два-четыре раза выше, чем предполагает температура в объеме. Снижение удельной мощности для снижения температуры оболочки является наиболее эффективным способом продления срока службы.
Практические рекомендации по окислению кислот температурой выше 90 градусов
Для азотной кислоты при концентрации ниже 20% и температуре ниже 70 градусов погружной нагреватель из ПТФЭ работает хорошо и обеспечивает приемлемый срок службы. При концентрации выше 30% или температуре 90 градусов срок службы короткий, поэтому следует рассмотреть альтернативные материалы.
Для хромовой кислоты с концентрацией выше 20% или температурой 90 градусов скорость окисления высока, и нагреватель может выйти из строя в течение нескольких месяцев. Карбид кремния или кварц могут быть более подходящими, в зависимости от химического состава.
Для серной кислоты с концентрацией выше 70% и температурой 95 градусов сочетание высокой температуры, высокой концентрации и окислительных условий выводит полимер за пределы его практических пределов.
| Условия обслуживания | Пригодность ПТФЭ | Рекомендуемая плотность ватт | Ожидаемый срок службы |
|---|---|---|---|
| 10–20% азотная кислота,<70°C | Отличный | 1,2–1,5 Вт/см² | 3–5 лет |
| 20–30% азотная кислота, 70–90 градусов | Маргинальный | 0,8–1,0 Вт/см² | 8–18 месяцев |
| 30–50% nitric acid, >90 градусов | Не подходит | - | <6 months |
| 10–20% хромовая кислота, 70–90 градусов | Маргинальный | 0,8–1,0 Вт/см² | 6–14 месяцев |
| >20% chromic acid, >90 градусов | Не подходит | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95 градусов | Маргинальный | 0,8–1,0 Вт/см² | 6–14 месяцев |
Параметры пригодности и спецификации ПТФЭ для окисляющих кислот с температурой выше 90 градусов.
Когда ПТФЭ достигает предела своих возможностей
ПТФЭ достигает своих пределов при работе с окислительной кислотой, когда температура превышает 90 градусов и высокая концентрация. В таких условиях скорость окисления превышает способность полимера сопротивляться, а срок службы падает ниже одного года.
В этих приложениях следует рассмотреть альтернативные материалы. Карбид кремния обеспечивает более высокую термостойкость и устойчивость к окислению. Кварц пригоден для азотной и хромовой кислот, но не для щелочных условий. Титан хорошо работает в азотной кислоте, но не в восстанавливающих кислотах.
Когда специальная конфигурация увеличивает производительность ПТФЭ
Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с очень низкой удельной мощностью, толстой оболочкой и улучшенным доступом к потоку снижает температуру оболочки и скорость окисления. Улучшение может продлить срок службы с месяцев до более года в условиях предельной окислительной кислоты. Процесс спецификации требует химического состава кислоты, концентрации, рабочей температуры и необходимой мощности. Для предприятий с окислительными кислотными ваннами с температурой выше 90 градусов этот подход,-специфичный для конкретного применения, обеспечивает решение, которого не могут достичь стандартные нагреватели.
