Segatud happejäätmete vood-lämmastik-, väävel-, vesinikkloriid- ja vesinikfluoriidhappe kombinatsioonid orgaaniliste lahustite jälgedega-on fluoropolümeerküttekehade valikul ainulaadne väljakutse. Nii PFA (perfluoroalkoksü) kui ka PTFE (polütetrafluoroetüleen) pakuvad erakordset keemilist vastupidavust, kuid nende jõudlus erineb segatud happelistes keskkondades, mis sisaldavad samaaegselt oksüdeerivaid liike ja vesinikfluoriidhapet. PTFE-l on toatemperatuuril veidi suurem keemiline inertsus, samas kui PFA tagab parema vastupidavuse läbitungimisele ja pingepragudele termilise tsükli korral. Insenerid, kes võrdlevad kahte jäätmevoo kuumutamise materjali, peavad hindama kolme kvantifitseeritavat parameetrit: iga happeliigi läbitungimise kiirust läbi polümeeri, materjali reaktsiooni oksüdeerivatele hapetele kõrgendatud temperatuuridel ja keevitatud või vormitud ühenduste mehaanilist terviklikkust, kui need puutuvad kokku hapetega.
Läbivuse erinevused segatud happelistes keskkondades
PTFE-l ja PFA-l on sama süsinik{0}}fluori karkass, kuid PFA sisaldab perfluoroalkoksü-külgahelaid, mis vähendavad kristallilisust ja suurendavad vaba mahtu. See struktuurne erinevus mõjutab läbitungimist. 2,0 mm paksuse seina puhul 80 kraadi juures võimaldab PTFE lämmastikhappe aurude läbitungimist ligikaudu 0,8–1,2 g/m²·päevas, PFA aga 1,2–1,8 g/m²·päevas-40–50% rohkem. Vesinikfluoriidhappe (HF) puhul on PTFE läbilaskvus 0,3–0,5 g/m²·päevas versus PFA 0,5–0,8 g/m²·päevas. PFA madalam kristallilisus loob väikeste molekulide jaoks rohkem võimalusi difundeeruda läbi amorfsete piirkondade. Segahappejäätmete voogudes põhjustab PFA suurem läbilaskvus happe kiirema kontakti all oleva metallist kuumutussüdamikuga, mis vähendab küttekeha eluiga 20–30% võrreldes sama seinapaksusega PTFE-ga. PTFE kõrgema kristallilisusega kaasneb aga kompromiss: see on vastuvõtlikum pingepragudele, kui see puutub kokku tugevate oksüdeerivate hapetega temperatuuril üle 100 kraadi. PFA amorfsed piirkonnad neelavad paremini mehaanilist pinget, muutes selle vastupidavamaks lõhenemisele, mis tekib termilisest tsüklist segahappeteenuses.
Oksüdeeriva happe rünnak: kõrge{0}}temperatuuri jõudlus
Segahappejäätmete vood sisaldavad sageli koos teiste hapetega kontsentreeritud lämmastikhapet (20–40%). Üle 90 kraadi toimib lämmastikhape tugeva oksüdeerijana, mis ründab fluoropolümeere, eraldades ahela otstest fluori aatomeid. PTFE oma suurema molekulmassiga ja vähema ahela otste mahuühiku kohta peab sellele rünnakule vastu pisut paremini kui PFA. Kiirendatud sukelduskatse 110 kraadi juures 30% lämmastikhappes näitab, et PTFE kaotab 2000 tunni pärast 0,5–1,0% oma massist, samas kui PFA kaotab 1,5–2,5%. Erinevus muutub kriitiliseks, kui jäätmevoog sisaldab ka vesinikfluoriidhapet. HF katalüüsib oksüdatiivset lagunemist, suurendades lõhet. Simuleeritud jäätmevoos, mille sisaldus oli 15% HNO₃ + 5% HF 90 kraadi juures, näitasid PTFE-soojendid pinna pragunemist 3500 tunni pärast, PFA-soojendid aga 2200 tunni pärast. Üle 100 kraadi töötavate jäätmevoogude korral annab PTFE mõõdetava kasutusea eelise.
Keevisõmbluse terviklikkus ja vuukide jõudlus
Enamiku sukelsoojendite jaoks on vaja keevitatud või vormitud ühendusi, kus fluoropolümeerist ümbris kinnitub kinnitusääriku külge. PTFE ei ole sula{1}}töödeldav; see nõuab kokkupressitud pulbri paagutamist, muutes keevisliidete tegemise keeruliseks ja sageli nõrgemaks kui alusmaterjal. PFA on sula-töödeldav, võimaldades sulakeevitamist, mis loob liitekohad 90–95% alusmaterjali tugevusest. Segahappejäätmete voogudes on liigeste purunemine tavaline rike. PTFE-soojendid toetuvad mehaanilistele surveliitmikele või liimidele, mis lagunevad HF{8}}sisaldavates voogudes. Liitkeevisliidetega PFA-soojendid säilitavad terviklikkuse 2–3 korda kauem. Rakendustes, kus küttekeha näeb sagedast termilist tsüklit (üle 50 tsükli kuus) või mehaanilist vibratsiooni, kaalub PFA suurepärane liigeste terviklikkus üles PTFE pisut parema mahu läbilaskvuse.
Segahappejäätmete voogude valikujuhend
| Jäätmevoo koostis ja temperatuur | Soovitatav materjal | Kriitiline jõudlustegur | Eeldatav kasutusiga (2,0 mm sein) |
|---|---|---|---|
| HNO₃ (10–30%) + H₂SO₄ (10–20%),<80°C | PFA või PTFE (võrdne) | Läbilaskvuskiirus; mõlemad vastuvõetavad | 5000–8000 tundi |
| HNO₃ (20–40%) + HF (1–5%), 80–100 kraadi | PTFE | Oksüdatiivne vastupidavus; PTFE parem 30–40% | PTFE: 3000–4500 tundi; PFA: 2000–3000 tundi |
| Mis tahes segatud hape orgaaniliste lahustitega (5–15%),<90°C | PFA | Lahustikindlus; PFA vähem turset | PFA: 4000–6000 tundi; PTFE: 2500–3500 tundi |
| HF (5–15%) + HCl (10–20%), >90 kraadi | PFA | keevisõmbluse terviklikkus kriitiline; PTFE liigendid ebaõnnestuvad kõigepealt | PFA: 2500–3500 tundi; PTFE: 1000–1800 tundi |
| Pidev termotsükkel (igapäevane), mis tahes hape | PFA | Väsimuskindlus; PFA liigendid kestavad kauem kui PTFE | PFA pakub 2–3-kordset tsüklilist eluiga |
| High-pressure system (>2 baari), mis tahes hape | PFA | PFA sulamis-töödeldavate liigendite rõhk-nimetatud | PTFE ei ole soovitatav üle 1,5 baari |
| Maksimaalse puhtuse nõue (<1 ppb extractables) | PFA (kõrge{0}}puhtusaste) | Madalamad ekstraheeritavad ained; PTFE-st paagutatud osad võivad eraldada osakesi | PFA eelistatud pooljuhtide rakendustes |
Järeldus: sobitage materjal domineeriva tõrkemehhanismiga
PFA ja PTFE vahel pole universaalset võitjat segahappejäätmete voo kuumutamisel. PTFE ületab oksüdeerivate hapetega (eriti lämmastik- ja HF-i kombinatsioonid) pidevas kõrgetemperatuurilises töös PFA-d, kus koguläbivus ja oksüdatiivne lagunemine piiravad eluiga. PFA ületab PTFE-d rakendustes, kus on vaja termilist tsüklit, mehaanilist pinget, orgaanilisi lahusteid või survet, kus piiravaks teguriks saab liigeste terviklikkus. Enamiku segahappejäätmete voogude puhul, mis töötavad temperatuuril alla 90 kraadi mõõduka tsükliga, pakub kumbki materjal piisava seinapaksusega (minimaalselt 2,0 mm) sobivat teenust. Üle 100 kraadi või HF kontsentratsiooniga üle 5%, on PTFE ohutum valik. Kui esineb sagedane termiline tsükkel (rohkem kui 500 tsüklit aastas) või vibratsioon, muudab PFA ülim liigeste töökindlus selle paremaks valikuks hoolimata veidi suuremast läbilaskvusest. Insenerid peaksid küsima kütteseadme tootjalt konkreetse happesegu läbitungimise andmeid ettenähtud töötemperatuuril, kuna hapete vaheline sünergia võib muuta läbitungimise kiirust 2–3 korda, võrreldes üksikhappe andmetega.
