โรงงานแปรรูปสารเคมีแห่งหนึ่งได้ติดตั้งเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE ในอ่างกรดไนตริก 30% ที่ 92 องศา เครื่องทำความร้อนได้รับการจัดอันดับตามอุณหภูมิและเคมี มันล้มเหลวหลังจากสี่เดือน-ไม่ใช่จากการซึมผ่านเพียงอย่างเดียว แต่จากการรวมกันของการซึมผ่านและออกซิเดชันที่ทำให้โพลีเมอร์เสื่อมสลายเร็วกว่ากลไกใดกลไกหนึ่งที่เกิดขึ้นเพียงอย่างเดียว ฝักมีรูปแบบของรอยแตกเล็กๆ และมีสีเหลืองชัดเจนซึ่งเป็นลักษณะของการโจมตีแบบออกซิเดชั่น
กรดออกซิไดซ์-กรดไนตริก กรดโครมิก กรดซัลฟิวริกที่มีความเข้มข้นสูง และของผสมที่มีเปอร์ออกไซด์หรือเปอร์ซัลเฟต-ถือเป็นความท้าทายเฉพาะสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE โพลีเมอร์ต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิปานกลาง สูงกว่า 90 องศา การรวมกันของการเกิดออกซิเดชันและความเครียดจากความร้อนเกินความสามารถของโพลีเมอร์ในการต้านทาน
กลไกการออกซิเดชันของ PTFE
PTFE ทนต่อการเกิดออกซิเดชันได้เนื่องจากพันธะคาร์บอน-ฟลูออรีนมีความแข็งแรง และอะตอมของฟลูออรีนจะปกป้องแกนหลักของคาร์บอน อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูง ออกซิเจนหรือสายพันธุ์ออกซิไดซ์สามารถโจมตีโพลีเมอร์ได้ที่จุดอ่อน-ปลายโซ่ สิ่งเจือปนที่ตกค้าง และข้อบกพร่องทางโครงสร้างที่เกิดขึ้นในระหว่างการผลิต
การโจมตีดังกล่าวทำให้เกิดคาร์บอนิลฟลูออไรด์และสายพันธุ์ออกซิไดซ์อื่นๆ ที่รบกวนสายโซ่โพลีเมอร์ ผลลัพธ์ที่ได้คือการตัดแบบลูกโซ่ ซึ่งช่วยลดน้ำหนักโมเลกุลและความแข็งแรงเชิงกล พื้นผิวจะเปราะและเกิดรอยแตกเล็กๆ รอยแตกเป็นช่องทางสำหรับการซึมผ่านและการโจมตีเพิ่มเติม
อัตราการเกิดออกซิเดชันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความเข้มข้นของชนิดออกซิไดซ์ และการมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น ไอออนของโลหะ เหล็ก ทองแดง และโลหะทรานซิชันอื่นๆ สามารถเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของ PTFE และเร่งการย่อยสลายได้
| กรดออกซิไดซ์ | ความเข้มข้น | อุณหภูมิ | อัตราการเกิดออกซิเดชัน | อายุการใช้งานของ PTFE |
|---|---|---|---|---|
| กรดไนตริก | 20% | 70 องศา | ต่ำ | 3-5 ปี |
| กรดไนตริก | 30% | 90 องศา | ปานกลาง | 6–14 เดือน |
| กรดไนตริก | 30% | 95 องศา | สูง | 3–8 เดือน |
| กรดไนตริก | 50% | 90 องศา | สูงมาก | 2–6 เดือน |
| กรดโครมิก | 20% | 90 องศา | สูง | 4–10 เดือน |
| กรดซัลฟูริก | 70% | 95 องศา | ปานกลาง-สูง | 6–14 เดือน |
| เปอร์ออกไซด์-ประกอบด้วย | 5% | 80 องศา | สูง | 4–10 เดือน |
อัตราการเกิดออกซิเดชันและอายุการใช้งานของ PTFE ในการให้บริการกรดออกซิไดซ์ที่สูงกว่า 90 องศา
ผลรวมของการเกิดออกซิเดชันและการซึมผ่าน
ออกซิเดชันและการซึมผ่านไม่เป็นอิสระ ออกซิเดชันสร้างรอยแตกที่พื้นผิวและเพิ่มการซึมผ่านของโพลีเมอร์ การซึมผ่านทำให้ความชื้นและเคมีลึกเข้าไปในพอลิเมอร์ ซึ่งพวกมันสามารถทำปฏิกิริยากับตำแหน่งที่ถูกออกซิไดซ์ได้ กลไกทั้งสองเสริมสร้างซึ่งกันและกัน
เครื่องทำความร้อนในกรดออกซิไดซ์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 90 องศาอาจแสดงความต้านทานของฉนวนลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปในช่วงหลายสัปดาห์ ตามด้วยการลดลงอย่างกะทันหันเมื่อมีรอยแตกร้าวทะลุความหนาของเปลือกทั้งหมด การลดลงอย่างกะทันหันมักเป็นข้อบ่งชี้แรกว่ามีบางอย่างผิดปกติ เมื่อถึงเวลานั้น โพลีเมอร์ก็เสื่อมโทรมลงเป็นเวลาหลายสัปดาห์
การรวมกันนี้สร้างความเสียหายมากกว่ากลไกใดกลไกหนึ่งเพียงอย่างเดียว เครื่องทำความร้อนในกรดที่ไม่ออกซิไดซ์-ที่อุณหภูมิเดียวกันอาจมีอายุการใช้งานนานเป็นสองเท่า เนื่องจากโพลีเมอร์ไม่ได้ถูกย่อยสลายทางเคมี-แต่เพียงซึมผ่านเท่านั้น
อุณหภูมิ: ตัวแปรเด่น
อัตราออกซิเดชันจะเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นทุกๆ 10 องศา เครื่องทำความร้อนที่ทำงานที่อุณหภูมิ 95 องศาจะไวต่อการเกิดออกซิเดชันมากกว่าเครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ 75 องศาประมาณสี่เท่า และไวกว่าเครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ 65 องศาถึงแปดเท่า
อุณหภูมิของปลอกมีความสำคัญมากกว่าอุณหภูมิโดยรวม เครื่องทำความร้อนที่ทำงานที่อุณหภูมิ 92 องศาโดยมีอุณหภูมิเปลือก 110 องศาจะทำให้โพลีเมอร์มีอัตราการออกซิเดชันสูงกว่าอุณหภูมิที่แนะนำ 2-4 เท่า การลดความหนาแน่นของวัตต์เพื่อลดอุณหภูมิของปลอกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการยืดอายุการใช้งาน
แนวทางปฏิบัติสำหรับกรดออกซิไดซ์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 90 องศา
สำหรับกรดไนตริกที่ความเข้มข้นต่ำกว่า 20% และอุณหภูมิต่ำกว่า 70 องศา เครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE จะทำงานได้ดีและมีอายุการใช้งานที่ยอมรับได้ ความเข้มข้นสูงกว่า 30% หรือ 90 องศา อายุการใช้งานสั้น และควรพิจารณาวัสดุทดแทน
สำหรับกรดโครมิกที่มีความเข้มข้นสูงกว่า 20% หรือ 90 องศา อัตราการเกิดออกซิเดชันจะสูง และเครื่องทำความร้อนอาจทำงานล้มเหลวภายในไม่กี่เดือน ซิลิคอนคาร์ไบด์หรือควอตซ์อาจมีความเหมาะสมมากกว่า ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมี
สำหรับกรดซัลฟิวริกที่มีความเข้มข้นสูงกว่า 70% และ 95 องศา การรวมกันของอุณหภูมิสูง ความเข้มข้นสูง และสภาวะออกซิไดซ์จะผลักดันโพลีเมอร์ให้เกินขีดจำกัดในทางปฏิบัติ
| เงื่อนไขการให้บริการ | ความเหมาะสมของ PTFE | ความหนาแน่นวัตต์ที่แนะนำ | อายุการใช้งานที่คาดหวัง |
|---|---|---|---|
| กรดไนตริก 10–20%<70°C | ยอดเยี่ยม | 1.2–1.5 วัตต์/ซม.² | 3-5 ปี |
| กรดไนตริก 20–30%, 70–90 องศา | ชายขอบ | 0.8–1.0 วัตต์/ซม.² | 8–18 เดือน |
| 30–50% nitric acid, >90 องศา | ไม่เหมาะ | - | <6 months |
| กรดโครมิก 10–20%, 70–90 องศา | ชายขอบ | 0.8–1.0 วัตต์/ซม.² | 6–14 เดือน |
| >20% chromic acid, >90 องศา | ไม่เหมาะ | - | <6 months |
| >70% sulfuric acid, >95 องศา | ชายขอบ | 0.8–1.0 วัตต์/ซม.² | 6–14 เดือน |
ความเหมาะสมของ PTFE และพารามิเตอร์ข้อกำหนดสำหรับกรดออกซิไดซ์ที่สูงกว่า 90 องศา
เมื่อ PTFE ถึงขีดจำกัด
PTFE ถึงขีดจำกัดในการให้บริการกรดออกซิไดซ์เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 90 องศาและมีความเข้มข้นสูง ที่สภาวะดังกล่าว อัตราการเกิดออกซิเดชันจะเกินกว่าความสามารถของโพลีเมอร์ในการต้านทาน และอายุการใช้งานจะลดลงต่ำกว่าหนึ่งปี
ในการใช้งานเหล่านี้ ควรพิจารณาวัสดุทดแทน ซิลิคอนคาร์ไบด์มีความสามารถในอุณหภูมิที่สูงขึ้นและต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน ควอตซ์เหมาะสำหรับกรดไนตริกและโครมิก แต่ไม่เหมาะกับสภาวะที่เป็นด่าง ไทเทเนียมทำงานได้ดีในกรดไนตริกแต่ไม่สามารถลดกรดได้
เมื่อการกำหนดค่าแบบกำหนดเองขยายประสิทธิภาพของ PTFE
การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE แบบกำหนดเองที่มีความหนาแน่นวัตต์ต่ำมาก ปลอกหนา และการเข้าถึงการไหลที่ดีขึ้นจะช่วยลดอุณหภูมิของปลอกและอัตราการออกซิเดชัน การปรับปรุงนี้อาจยืดอายุการใช้งานจากเดือนเป็นมากกว่าหนึ่งปีในสภาวะกรดออกซิไดซ์เล็กน้อย กระบวนการกำหนดคุณสมบัติต้องใช้เคมีของกรด ความเข้มข้น อุณหภูมิในการทำงาน และกำลังไฟที่ต้องการ สำหรับโรงงานที่มีอ่างกรดออกซิไดซ์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 90 องศา วิธีการเฉพาะของแอปพลิเคชัน-นี้จะเป็นวิธีแก้ปัญหาที่เครื่องทำความร้อนมาตรฐานอาจไม่สามารถทำได้
