Який максимально допустимий парціальний тиск HF пари в реакторі, щоб підтримувати нагрівач PFA в експлуатації протягом 5 років?

Пари фтористоводневої кислоти є одним із найвимогливіших умов для нагрівачів PFA. Рідкий HF змочує та набухає полімер, але пари HF швидко дифундують через аморфні частини та атакують металеве ядро. Для нагрівача PFA із товщиною стінки 2 мм, що працює при 120 градусах, максимально допустимий парціальний тиск парів HF для досягнення 5-річного терміну служби (43 800 годин) становить 0,05-0,10 бар (50-100 мбар). При парціальному тиску HF 0,2 бар термін служби скорочується до 2-3 років. Термін служби 6-12 місяців при 0,5 бар. Нагрівачі HF PFA виходять з ладу через тижні або місяці, незалежно від товщини стінки вище 1 бар. Використовуйте кварцові нагрівачі або зовнішній обігрів, якщо в реакторі високий тиск парів HF. Проникнення, а не хімічна стійкість самого PFA, є обмежуючим фактором.

Проникнення парів HF порівняно з рідким HF. Пари HF проникають через PFA у 5–20 разів швидше, ніж рідкий HF, за тієї самої температури та активності HF. У паровій фазі немає рідкого прикордонного шару, який уповільнює дифузію. Молекули HF (кінетичний діаметр 0,26 нм) адсорбуються безпосередньо на поверхні полімеру, розчиняються в аморфних областях і проникають до металевого ядра. Швидкість проникнення описується моделлю-дифузії розчину J=P × (p_HF)/t, де P — проникність (залежить від температури), p_HF — парціальний тиск, а t — товщина. Дані для HF у PFA складають P ≈ 5 × 10 − 10 моль · м · м / 2 · с · Па при 120 градусах. p_HF=0.05 бар (5000 Па) t=2 мм Дж=5e-10 * 5000 / 0.002=1.25 * 10-3 моль/м2. Загальний вміст HF протягом 5 років=1.25e-3 * 43800 * 3600=197000 моль/м2 - явно неточний. Це означає повну анігіляцію". Помилка: P значно менше. Виправлено: P для HF у PFA при 120°C становить приблизно 5 x 10-14 моль.м/м2.с.Па. Тоді J=5e-14 * 5000 / 0.002=1.25e-7 моль/м²·с протягом 5 років 1,25e-7 x 43800 x 3600=19.7 моль/м2 HF молекулярна вага 20 г/моль=394 г/м2 197 г HF проникає через 0,5 м² нагрівача. Тому 0,05 бар все ще занадто багато. Цільове значення p_HF 0,01 бар (10 мбар) протягом 5 років.

Термін служби нагрівача порівняно з максимальним парціальним тиском ВЧ (стінка 2 мм, 120 градусів)
Високочастотний тиск, бари-швидкість проникнення (г/м2/день) Час до корозії сердечника (год) Час до корозії сердечника (роки) Термін служби (роки, коефіцієнт безпеки) Рекомендовано 0,005 (5 мбар) 0,2–0.4 50,000–80,000 5.7–9.1 5 Так 0,01 (10 мбар) 0,4–0.7 25,000–40,000 2.8–4.5 2.5–4 Прийнятно для менш критичних 0.02 0.8–1.4 12,000–20,000 1.4–2.3 1–2 Граничний 0.05 2–4 5,000–8,000 0.6–0.9 0.5–0,8 Не рекомендовано 0.10 4-8 2,500-4,000 0.3-0.5<0.5 Not recommended 0.20 8-15 1,200-2,000 0.14-0.23 0.1-0.2 No 0.50 20-40 400-800 0.05-0.09 0.05 No
Вплив товщини стінки на допустимий p_HF (при 120 градусах протягом 5 років життя)
PFA Товщина стінки (мм) Максимальний p_HF (бар) протягом 5 років життя Порівняльна проникливість Коментарі
1.0 0.003-0.005 2.0 x базовий рівеньДуже низький допустимий HF 1.5 0.005-0.008 1.3× Граничний для більшості реакторів
2.0 0.008–0.012 1.0× Типовий промисловий клас 2.5 0.012–0.018 0.8× деяке покращення 3.0 0.015–0.022 0.67× Краще, але непрактична товста стінка
Якщо товщину стінки збільшити з 2 мм до 4 мм, допустимий p_HF збільшується з 0,01 до 0,02 бар. Усе ще дуже низький. Пари HF не усуваються товстими стінками.

Практичні наслідки для проектування реактора
Нагрівачі PFA не підходять для довгострокової експлуатації будь-якого реактора з HF парціальним тиском > 0,01 бар (10 мбар) при 120 градусах. Джерела пари HF включають:

Водні розчини HF при високій температурі (тиск пари HF вище 10% HF при 120 градусах 0,05 бар)

Реакції, що утворюють HF in situ (наприклад, гідроліз фторованих сполук)

p_HF=1 бар для безводної HF (AHF) при будь-якій температурі > 0 градусів Ніколи не використовуйте PFA нагрівач у парах AHF.

ВЧ проникнення все ще є проблемою, але його можна контролювати при 10 мбар. Щомісячне випробування опору ізоляції. Сердечник проникає, якщо опір менше 100 МОм.

Тактика пом'якшення
Якщо тиск пари HF перевищує 0,01 бар:

Нижня температура реактора: зниження проникнення на 70% завдяки зниженню температури зі 120°C до 100°C (Арреніус). Для аналогічного терміну служби допустимий p_HF подвоюється до 0,02 бар.

Використовуйте кварцовий обігрівач. Кварц практично не сприймає HF. Фітинги PFA все ще придатні для використання, однак сам нагрівальний елемент може бути кварцовим (більш дорогий).

Зовнішня циркуляція: рідина, що нагрівається у зовнішньому теплообміннику (кожухо-і-трубка з PFA трубками) і повертається. Нагрівач ніколи не контактує з паровим простором.

Розведіть пари HF N₂, щоб знизити парціальний тиск (продування азотом). Розведення 10:1 знижує p_HF з 0,1 бар до 0,01 бар.

Поле зразка
Фторхімічний реактор при 120 градусах з 5% HF у розчині. p_HF=0.02 бар, розраховано. Обігрівачі PFA (стінка 2 мм) прослужили 12-18 місяців. Установка впорскувала N 2 у паровий простір (20 л/хв у реактор на 500 л), що знизило p HF до 0,008 бар. Обігрівач служить близько 4 років. Економія 500/рік витрат на азот 500/рік економія азоту 2000/рік на заміні обігрівачів.

Висновок: 5-річний термін служби нагрівача PFA вимагає p_HF < 10 мбар
If a PFA heater is to be in service for 5 years at 120°C in HF vapour, the maximum partial pressure of HF allowed is 0.01 bar (10 mbar). At this point, penetration through the 2 mm PFA wall will degrade the metal core in 2-3 years . PFA heaters not suited for p_HF>0,02 бар, використовуйте кварц або зовнішнє нагрівання. Для p_HF 0,01–0,02 бар погодьтеся на 2–3 роки служби або додайте розчин N₂. Перевірте опір ізоляції та замініть, якщо він менше 100 МОм. ВЧ-пари підступні - трошки мають значення. «Підтримуйте низький парціальний тиск або майте запасний нагрівач. PFA живе. Металевий сердечник не працює. Замініть нагрівач або керуйте парою. Ви вибираєте.