เกณฑ์การเกิดออกซิเดชัน
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโพลีโพรพีลีนให้บริการอย่างประหยัดในการใช้งานกับกรดหลายชนิดที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 80 องศา วัสดุมีราคาต่ำกว่า PTFE ประดิษฐ์ได้ง่าย และทนทานต่อกรดแร่ส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิปานกลาง ในกรดซัลฟิวริก กรดไฮโดรคลอริก และกรดฟอสฟอริกที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 80 องศา โพรพิลีนจะทำงานได้อย่างเพียงพอเป็นเวลาหลายปี
กรดโครมิกแตกต่างกัน โครเมียมใน CrO₃ อยู่ในสถานะออกซิเดชัน +6 ทำให้เป็นหนึ่งในตัวออกซิไดซ์ที่แรงที่สุดที่ใช้ในกระบวนการเคมีอุตสาหกรรม โพรพิลีนประกอบด้วยแกนหลักของไฮโดรคาร์บอนที่มีกลุ่มเมทิลด้านข้าง พันธะคาร์บอน-ในโครงสร้างนี้ไวต่อการโจมตีแบบออกซิเดชัน ที่อุณหภูมิสูงกว่า 60 องศาในกรดโครมิก อัตราการเกิดออกซิเดชันจะมีนัยสำคัญ สูงกว่า 80 องศา จะเร่งความเร็วจนถึงจุดที่วัสดุเสียหายอย่างรวดเร็ว
PTFE ไม่มีพันธะคาร์บอน-พันธะไฮโดรเจน อะตอมของคาร์บอนทุกอะตอมในสายโซ่โพลีเมอร์จะถูกพันธะกับฟลูออรีน ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีอิเล็กโตรเนกาติวีตมากที่สุด ไม่มีอะไรที่กรดโครมิกจะออกซิไดซ์ได้ ความแตกต่างพื้นฐานในโครงสร้างทางเคมีจะเป็นตัวกำหนดว่าวัสดุชนิดใดจะคงอยู่ได้และวัสดุใดจะล้มเหลวในการให้บริการกรดโครมิกร้อน
กลไกการเกิดออกซิเดชันของโพรพิลีน
กรดโครมิกออกซิไดซ์โพลีโพรพีลีนผ่านการสกัดด้วยไฮโดรเจน สายพันธุ์โครเมียม (VI) โจมตีพันธะคาร์บอน-พันธะไฮโดรเจนบนแกนหลักของโพลีเมอร์ โดยกำจัดอะตอมของไฮโดรเจนและทิ้งอนุมูลคาร์บอนไว้ อนุมูลเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหรือน้ำเพื่อสร้างหมู่คาร์บอนิล คาร์บอกซิล และไฮดรอกซิลบนสายโซ่โพลีเมอร์
พอลิเมอร์ที่ถูกออกซิไดซ์จะเปราะเนื่องจากการแตกตัวของโซ่ทำให้น้ำหนักโมเลกุลลดลง รอยแตกบนพื้นผิวเกิดขึ้น วัสดุเปลี่ยนสีจากโปร่งแสงตามธรรมชาติเป็นสีเหลือง จากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล เนื่องจากผลิตภัณฑ์ออกซิเดชันสะสม คุณสมบัติทางกลลดลงเรื่อยๆ ผนังท่อบางลงเมื่อชั้นพื้นผิวที่ถูกออกซิไดซ์หลุดออกไป
ที่ 60 องศา กระบวนการนี้ใช้เวลาหลายปีกว่าจะเกิดความล้มเหลว ที่ 80 องศา ความล้มเหลวจะเกิดขึ้นภายในไม่กี่เดือน ที่ 90-100 องศา ซึ่งต้องใช้การชุบฮาร์ดโครมและกระบวนการทางเคมีบางอย่าง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโพลีโพรพีลีนอาจทำงานล้มเหลวภายในไม่กี่สัปดาห์ อัตราการเกิดออกซิเดชันจะเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าทุกๆ 10 องศาของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ตามจลนศาสตร์ของ Arrhenius โดยทั่วไปของปฏิกิริยาทางเคมี
ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบความคงตัวของออกซิเดชันในกรดโครมิก (CrO₃ 250 กรัม/ลิตร)
| พารามิเตอร์ประสิทธิภาพ | โพรพิลีน | ไฟเบอร์ |
|---|---|---|
| อุณหภูมิการใช้งานจริงสูงสุด | 60 องศา (ต่อเนื่อง), 80 องศา (ไม่ต่อเนื่อง) | 260 องศา |
| กลไกการเกิดออกซิเดชัน | สิ่งที่เป็นนามธรรมของไฮโดรเจน → การแยกสายโซ่ | ไม่มี (ไม่มีพันธบัตร C-H) |
| การเปลี่ยนสีที่ 80 องศา หลังจาก 30 วัน | สีเหลืองถึงสีน้ำตาล | ไม่มี |
| การเก็บรักษาความต้านแรงดึงที่ 80 องศา 90 วัน | < 30% | 100% |
| พื้นผิวแตกร้าวที่ 80 องศา | อย่างกว้างขวางภายใน 60 วัน | ไม่มี |
| ผนังบางจากการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิว | วัดผลได้ภายใน 90 วัน | ไม่มี |
| อายุการใช้งานที่ 80 องศา | 3-12 เดือน | 15+ ปี |
| อายุการใช้งานที่ 90 องศา | 1-3เดือน | 15+ ปี |
| ต้นทุนวัสดุสัมพันธ์ | 0.3-0.4× | 1.0× |
คำอธิบายความเฉื่อยของ PTFE
PTFE ไม่มีพันธะคาร์บอน-เพื่อให้กรดโครมิกโจมตี พลังงานการแยกตัวของพันธะคาร์บอน-คือประมาณ 485 กิโลจูล/โมล ซึ่งสูงกว่าพลังงานที่ได้จากรีดักชันของโครเมียม (VI) ถึงโครเมียม (III) มาก ในทางอุณหพลศาสตร์ ปฏิกิริยาออกซิเดชันไม่สามารถดำเนินต่อไปได้
อะตอมของฟลูออรีนที่อยู่รอบๆ โซ่คาร์บอนจะสร้างเปลือกป้องกัน อะตอมของฟลูออรีนที่อุดมไปด้วยอิเล็กตรอน-จะผลักไอออนของอิเล็กโตรเนกาติตีโครเมตออกไป ไม่มีเส้นทางใดที่สายพันธุ์ออกซิไดซ์จะเข้าใกล้แกนหลักคาร์บอนได้
ความเฉื่อยนี้ยังคงอยู่ที่ 260 องศา ซึ่งเกินกว่าอุณหภูมิกระบวนการกรดโครมิกในทางปฏิบัติใดๆ ที่ระดับ 50-90 องศาโดยทั่วไปของการชุบฮาร์ดโครมและการอโนไดซ์ด้วยกรดโครมิก PTFE จะไม่เปลี่ยนแปลงทางเคมีหลังจากการแช่อย่างต่อเนื่องหลายปี
ผลกระทบการออกแบบสำหรับฮาร์ดโครมและอโนไดซ์
การชุบฮาร์ดโครมจะทำงานที่อุณหภูมิ 50-60 องศา โดยมีความเข้มข้นของกรดโครมิก 250-400 กรัม/ลิตร โพรพิลีนสามารถอยู่รอดได้ที่อุณหภูมิต่ำสุดของช่วงอุณหภูมินี้หากได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวัง การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่สูงกว่า 70 องศาจากความล้มเหลวในการควบคุมหรือความผิดปกติของวาล์วไอน้ำอาจทำให้ขดลวดโพรพิลีนเสียหายเกินกว่าจะซ่อมแซมได้
PTFE ให้ระยะขอบความร้อน ความล้มเหลวในการควบคุมไอน้ำที่ทำให้อุณหภูมิอ่างเพิ่มขึ้นถึง 90 องศา สร้างความเสียหายให้กับกระบวนการชุบ แต่ไม่สร้างความเสียหายให้กับตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE คอยล์สามารถกลับมาใช้งานได้อีกครั้งหลังจากแก้ไขเคมีในการอาบน้ำแล้ว
อโนไดซ์ด้วยกรดโครมิกทำงานที่อุณหภูมิ 35-40 องศา ซึ่งอยู่ในช่วงอุณหภูมิของโพลีโพรพีลีน ทางเลือกระหว่าง PP และ PTFE อาจขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆ เช่น ความทนทานเชิงกล และอายุการใช้งานของอุปกรณ์ที่คาดหวัง สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกที่วางแผนอายุการใช้งานอุปกรณ์ 10+ ปี โดยมีการแทรกแซงการบำรุงรักษาน้อยที่สุด ความต้านทานต่อออกซิเดชันสัมบูรณ์ของ PTFE ให้ความน่าเชื่อถือที่ประสิทธิภาพการจำกัดอุณหภูมิของโพลีโพรพีลีนไม่สามารถเทียบเคียงได้
สรุป
PTFE เหนือกว่าโพลีโพรพีลีนในการให้ความร้อนแก่สารละลายกรดโครมิกที่สูงกว่า 80 องศา เนื่องจากพันธะคาร์บอน-ฟลูออรีนของฟลูออโรโพลีเมอร์มีภูมิคุ้มกันต่อการโจมตีแบบออกซิเดชัน ในขณะที่พันธะคาร์บอน-ของโพลีโพรพีลีนจะถูกออกซิไดซ์อย่างต่อเนื่อง อัตราการเกิดออกซิเดชันของโพลีโพรพีลีนจะเร่งขึ้นตามอุณหภูมิ ซึ่งจำกัดอายุการใช้งานในทางปฏิบัติไว้ที่เดือนที่ 80 องศา และสัปดาห์ที่ 90 องศา
PTFE รักษาคุณสมบัติทางกลอย่างสมบูรณ์และการย่อยสลายทางเคมีเป็นศูนย์ผ่านช่วงอุณหภูมิกระบวนการกรดโครมิกทั้งหมดถึง 260 องศา ต้นทุนวัสดุที่สูงขึ้นของ PTFE จะถูกกู้คืนโดยการกำจัดการเปลี่ยนก่อนเวลาอันควร และหลีกเลี่ยงการหยุดชะงักของกระบวนการเนื่องจากความล้มเหลวของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน
การวิเคราะห์ทางวิศวกรรมสำหรับการเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่าง PTFE เทียบกับโพลีโพรพีลีนในการใช้งานกรดโครมิกเฉพาะนั้นสามารถทำได้โดยระบุความเข้มข้นของกรด อุณหภูมิในการทำงาน ความน่าเชื่อถือในการควบคุมอุณหภูมิ และข้อกำหนดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ที่คาดหวัง
