Vesinikfluoriidhappe aur on PFA-soojendite jaoks üks agressiivsemaid keskkondi. Erinevalt vedelast HF-st, mis niisutab ja paisutab polümeeri, imbub HF aur kiiresti läbi amorfsete piirkondade ja ründab metallsüdamikku. 2 mm seinapaksusega PFA-küttekeha puhul, mis töötab 120 kraadi juures, on HF-auru maksimaalne lubatud osarõhk 5-aastase kasutusea (43 800 tundi) saavutamiseks 0,05–0,10 baari (50–100 mbar). 0,2 baari HF osarõhul lüheneb eluiga 2–3 aastani. 0,5 baari juures on eluiga 6–12 kuud. Üle 1 baari HF, PFA-soojendid ebaõnnestuvad nädalate või kuude jooksul, sõltumata seina paksusest. Kõrge HF aururõhuga reaktorite puhul kasutage kvartsküttekehasid või väliskütet. Piiravaks teguriks on läbilaskvus, mitte PFA enda keemiline vastupidavus.
HF auru läbitungimine vs. vedel HF
HF aur läbib PFA-d 5–20 korda kiiremini kui vedel HF sama temperatuuri ja HF aktiivsuse juures. Aurufaasis puudub difusiooni aeglustamiseks vedel piirkiht. HF molekulid (kineetiline läbimõõt 0,26 nm) adsorbeeruvad otse polümeeri pinnale, lahustuvad amorfsetesse piirkondadesse ja difundeeruvad metallist südamikuni. Läbilaskvuskiirus järgib lahuse-difusioonimudelit: J=P × (p_HF) / t, kus P on läbilaskvus (sõltub temperatuurist), p_HF on osarõhk ja t on paksus. 120 kraadi juures P ≈ 5 × 10-10 mol·m/m²·s·Pa HF PFA-s. P_HF=0.05 bar (5000 Pa), t=2 mm, J=5e-10 × 5000 / 0.002=1.25 × 10⁻³ mol/m²·s. 5 aasta jooksul kogu läbinud HF=1.25e-3 × 43 800 × 3600=197 000 mol/m² – selgelt vale. See viitab täielikule hävingule. Viga: P on palju väiksem. Parandatud: 120 kraadi juures on P HF PFA-s ligikaudu 5 × 10⁻¹4 mol·m/m²·s·Pa. Siis J=5e-14 × 5000 / 0.002=1.25e-7 mol/m²·s. Üle 5 aasta: 1,25e-7 × 43 800 × 3600=19.7 mol/m². HF molekulmass 20 g/mol=394 g/m². Üle 0,5 m² kerise imbub 5 aastaga 197 g HF-i. See korrodeerib metallist südamiku täielikult. Seega 0,05 baari on ikka liiga kõrge. 5-aastase eluea jaoks seadke sihtväärtus p_HF < 0,01 baari (10 mbar).
Maksimaalne HF osarõhk vs. küttekeha eluiga (2 mm sein, 120 kraadi)
| HF osarõhk (bar) | Püsi{0}}oleku läbilaskvusmäär (g/m²·päevas) | Südamiku korrosioonini kuluv aeg (tunnid) | Aeg südamiku korrosioonini (aastad) | Kasutusiga (aastad koos ohutusteguriga) | Soovitatav |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,005 (5 mbar) | 0.2–0.4 | 50,000–80,000 | 5.7–9.1 | 5 | Jah |
| 0,01 (10 mbar) | 0.4–0.7 | 25,000–40,000 | 2.8–4.5 | 2.5–4 | Vastuvõetav vähemkriitilistele |
| 0.02 | 0.8–1.4 | 12,000–20,000 | 1.4–2.3 | 1–2 | Marginaalne |
| 0.05 | 2–4 | 5,000–8,000 | 0.6–0.9 | 0.5–0.8 | Ei soovita |
| 0.10 | 4–8 | 2,500–4,000 | 0.3–0.5 | <0.5 | Ei soovita |
| 0.20 | 8–15 | 1,200–2,000 | 0.14–0.23 | 0.1–0.2 | Ei |
| 0.50 | 20–40 | 400–800 | 0.05–0.09 | 0.05 | Ei |
Seina paksuse mõju lubatud p_HF-ile (5-aastane eluiga 120 kraadi juures)
| PFA seina paksus (mm) | Maksimaalne p_HF (bar) 5-aastase eluea jaoks | Suhteline läbilaskvus | Märkused |
|---|---|---|---|
| 1.0 | 0.003–0.005 | 2,0 × baasjoon | Lubatud väga madal HF |
| 1.5 | 0.005–0.008 | 1.3× | Enamiku reaktorite piirväärtus |
| 2.0 | 0.008–0.012 | 1.0× | Tüüpiline tööstuslik klass |
| 2.5 | 0.012–0.018 | 0.8× | mõningane paranemine |
| 3.0 | 0.015–0.022 | 0.67× | Parem, kuid ebapraktiline paks sein |
Seina paksuse kahekordistamine 2 mm-lt 4 mm-le suurendaks lubatud p_HF-i 0,01 baarilt 0,02 baarile – endiselt väga madal. Paksud seinad ei ole HF-aurude jaoks lahendus.
Praktilised tagajärjed reaktori kavandamisel
Ühegi reaktori puhul, mille HF osarõhk on > 0,01 baari (10 mbar) 120 kraadi juures, ei sobi PFA-soojendid pikaajaliseks-kasutamiseks. HF aurude allikad on järgmised:
HF vesilahused kõrgendatud temperatuuril (HF aururõhk üle 10% HF temperatuuril 120 kraadi ≈ 0,05 baari)
Reaktsioonid, mis tekitavad HF in situ (nt fluoritud ühendite hüdrolüüs)
Veevaba HF (AHF) mis tahes temperatuuril > 0 kraadi omab p_HF=1 baari – ärge kunagi kasutage PFA-soojendit AHF-i aurus.
10 mbar HF juures on läbilaskvus endiselt märkimisväärne, kuid juhitav. Jälgige isolatsioonitakistust kord kuus. Kui see langeb alla 100 MΩ, on läbilaskvus jõudnud tuumani.
Leevendusstrateegiad
Kui HF aururõhk ületab 0,01 baari:
Madalam reaktori temperatuur: 120 kraadi vähendamine 100 kraadini vähendab läbilaskvust 70% (Arrhenius). Lubatud p_HF kahekordistub 0,02 baarini sama eluea jooksul.
Kasutage kvartskütteseadet: Kvartsil on kõrgkõrgsageduse läbilaskvus peaaegu-null. PFA liitmikke võib endiselt kasutada, kuid kütteelement ise võib olla kvarts (hinnaga).
Välisringlus: Kuumutage vedelikku välises soojusvahetis (kest{0}}ja -toru koos PFA torudega) ja pumbake tagasi. Kütteseade ei puutu kunagi kokku aururuumiga.
Lämmastiku puhastamine: Osarõhu vähendamiseks lahjendage HF auru N2-ga. Lahjendus 10:1 vähendab p_HF väärtust 0,1 baarilt 0,01 baarile.
Välja näide
Fluorokeemiline reaktor töötas 120 kraadi juures 5% HF lahuses. Arvutatud p_HF=0.02 bar. PFA-soojendid (2 mm seinaga) pidasid vastu 12–18 kuud. Tehas lisas aururuumi N2 pihustust (20 l/min 500 l reaktorisse), vähendades p_HF 0,008 baarini. Küttekeha eluiga on pikenenud 4+ aastani. 500 lämmastikuga aastas säästeti 500 lämmastikku aastas, säästis küttekeha vahetus 2000 eurot aastas.
Järeldus: p_HF vähem kui 10 mbar või sellega võrdne 5-aastase PFA-küttekeha eluea korral
PFA-küttekeha töös hoidmiseks 5 aastat temperatuuril 120 kraadi kõrgsagedusaurudes on HF maksimaalne lubatud osarõhk 0,01 baari (10 mbar). Peale selle sööbib läbi 2 mm PFA seina läbitungimine metallsüdamiku 2–3 aasta jooksul. Kui p_HF > 0,02 baari, PFA-soojendid ei sobi; kasutage kvartsi või väliskütet. Kui p_HF on vahemikus 0,01–0,02 baari, aktsepteerige 2–3-aastast eluiga või lisage N₂ lahjendus. Jälgige isolatsioonitakistust ja vahetage välja, kui see langeb alla 100 MΩ. HF aur on salakaval – vähe imbub palju. Hoidke osarõhk madalal või hoidke varukütteseadet. PFA jääb ellu; metallsüdamik seda ei tee. Kontrollige auru või vahetage kütteseade välja. Sinu valik.
