El problema de la contaminació de polimerització en els reboilers VCM
Els reboilers de monòmers de clorur de vinil funcionen entre 60 i 90 graus amb una exposició contínua al monòmer reactiu que pateix una polimerització de corrent lateral-radical lliure sobre superfícies escalfades. Els dipòsits de polímers redueixen la transferència de calor, augmenten la caiguda de pressió i creen perills de seguretat a causa de l'exotèrmia incontrolada. L'energia superficial del material de l'escalfador determina directament quant de temps la superfície roman neta abans que els nuclis de polímer s'adhereixin i creixin. Les dades comparatives de 18 unitats de producció de VCM mostren que les superfícies recobertes de PFA- amb 18 dines/cm d'energia superficial augmenten el temps d'inducció per a l'adhesió del dipòsit en un factor de 6 a 10 en comparació amb les superfícies d'acer inoxidable o d'acer al carboni sense recobrir.
Energia superficial i termodinàmica de nucleació de polímers
L'adhesió dels nuclis de polímer de clorur de vinil a una superfície segueix l'equació de Young-Dupré, on el treball d'adhesió W= _sv + _lv - _sl. La menor energia de superfície sòlida (_sv) redueix la força motriu termodinàmica per a la deposició de polímers. L'acer al carboni sense recobrir presenta una energia superficial de 45 a 55 dines/cm. L'acer inoxidable mesura de 35 a 45 dines/cm segons l'acabat. El PFA, amb una tensió superficial crítica de 18 dines/cm, representa una de les superfícies sòlides de -energia més baixa disponibles. Les proves de contaminació de laboratori utilitzant VCM a 75 graus mostren que els nuclis de polímer s'adhereixen a l'acer inoxidable sense recobrir en els 30 minuts posteriors a l'exposició, amb formació de dipòsit visible a les 2 hores. A les superfícies de PFA, la mateixa prova no mostra cap adhesió mesurable a les 6 hores, amb els primers nuclis detectables que apareixen entre 8 i 10 hores. El temps d'inducció ampliat permet una durada més llarga del reboiler entre cicles de neteja.
Taxa de creixement dels dipòsits després de la inducció
Un cop finalitza el període d'inducció i s'adhereixen els nuclis polímers inicials, la taxa de creixement posterior també depèn de l'energia superficial. En acer al carboni sense recobrir, el gruix del dipòsit augmenta a 0,8 mm per dia en condicions típiques de reboiler VCM. En acer inoxidable, les taxes de creixement de 0,4 a 0,6 mm per dia són típiques. A les superfícies de PFA, la taxa de creixement post-inducció és de 0,08 a 0,12 mm per dia, una reducció de cinc vegades en comparació amb l'acer inoxidable. La baixa energia superficial impedeix la propagació dels precursors de polímers per la superfície, limitant el creixement a illes aïllades que romanen petites i que s'eliminen fàcilment per una cisalla del flux normal del procés. La microscòpia electrònica de superfícies de PFA després de 14 dies d'exposició a VCM mostra nòduls de polímer dispersos de 50 a 100 micres de diàmetre, mentre que les superfícies d'acer inoxidable en condicions idèntiques mostren una pel·lícula de polímer contínua de 800 micres de gruix.
Estabilitat energètica superficial sota el servei VCM
L'energia superficial de 18 dines/cm de PFA no és permanentment estable en el servei de monòmers de clorur de vinil perquè l'absorció de monòmers a la capa superficial propera-pode modificar les propietats de la superfície. Les mesures de l'angle de contacte en mostres de PFA immerses en VCM a 80 graus durant 30 dies mostren que l'energia superficial augmenta de 18 a 23 dines/cm. L'augment es produeix per la reorientació superficial dels grups extrems polars en lloc de la degradació química. Malgrat aquest augment, la superfície segueix sent substancialment més baixa en energia que els metalls no recoberts, i el benefici pràctic per a la reducció d'encrasses persisteix. Després de 60 dies d'immersió, el PFA encara mostra una reducció del 60% al 70% en l'adhesió del dipòsit en comparació amb l'acer inoxidable. Per als reboilers dissenyats per a tirades de 12 mesos, el benefici de PFA continua sent significatiu durant tota la campanya.
Rendiment comparatiu de contaminació per tipus de superfície
| Material de la superfície del reboiler | Energia superficial (dines/cm) | Temps d'inducció per a l'adhesió del dipòsit (hores a 75 graus) | Taxa de creixement post-inducció (mm/dia) | Durada estimada de la tirada abans de la neteja (dies) |
|---|---|---|---|---|
| Recobert de PFA | Del 18 al 23 | 8 a 10 | 0,08 a 0,12 | 45 a 60 |
| Acer inoxidable electropolit (Ra 0,4 µm) | 35 a 40 | 1,5 a 2,0 | 0,35 a 0,50 | 10 a 14 |
| Acer inoxidable estàndard (Ra 0,8 µm) | 38 a 42 | 1,0 a 1,5 | 0,40 a 0,60 | 7 a 10 |
| Acer al carboni | 45 a 55 | 0,3 a 0,5 | 0,70 a 0,90 | 3 a 5 |
Interacció de cisalla hidrodinàmica amb baixa energia superficial
La reducció de l'encrassement de l'energia superficial de PFA es combina amb la velocitat del flux per determinar la durada real del reboiler. A les reboilers VCM on la velocitat lateral del tub-supera els 1,5 m/s, l'esforç de cisalla de 8 a 12 Pa elimina els nòduls de polímers poc adherits abans que creixin fins a un gruix significatiu, fins i tot després d'acabar el període d'inducció. A velocitats baixes per sota de 0, 6 m/s, l'esforç de cisalla de 2 a 4 Pa no pot separar el polímer de les superfícies de PFA i, finalment, el dipòsit s'acumula malgrat la baixa energia superficial. Els enginyers de processos que avaluen el recobriment de PFA per a reboilers VCM haurien de confirmar primer que la velocitat mínima supera els 0,8 m/s. Per a velocitats per sota d'aquest llindar, PFA amplia la longitud de la carrera de 3x a 4x en lloc de 6x a 10x observada a cabals més alts.
Interacció del gruix de la paret amb el benefici d'energia superficial
El gruix de la paret de PFA no afecta directament l'energia superficial, però les parets més gruixudes permeten una neteja mecànica més agressiva quan s'aconsegueix un dipòsit. Per a les reboilers accessibles per a l'hidroblasting, les parets de PFA de 2,5 mm suporten una neteja de raig d'aigua de 3000 psi sense danys, mentre que les parets d'1,5 mm requereixen una pressió inferior a 1500 psi per evitar l'erosió del polímer. L'interval de neteja determina el requisit de gruix de paret. Les instal·lacions que planifiquen netejar cada 30 dies poden utilitzar parets d'1,8 mm. Les instal·lacions que s'estenen fins a 60 dies entre neteja han d'especificar de 2,2 mm a 2,5 mm per acomodar la capa de dipòsit més gruixuda que requereix una eliminació més agressiva.
Guia d'especificacions per al disseny de reboiler VCM
La selecció del recobriment de PFA per a la prevenció de la polimerització lateral requereix especificar tant la verificació de l'energia superficial com el gruix mínim de la paret. Sol·liciteu mesures de l'angle de contacte al proveïdor amb aigua desionitzada i diiodometan per calcular l'energia superficial mitjançant el mètode Owens-Wendt, confirmant un valor inferior a 22 dines/cm abans de l'enviament. Per a la construcció de nous reboilers, especifiqueu el recobriment de PFA a totes les superfícies mullades, incloses les làmines de tubs i els capçals de canal, ja que la nucleació del polímer es produeix preferentment a les transicions de polímer-metall. Per a aplicacions d'adaptació on només les superfícies de l'escalfador reben PFA, espereu una extensió de llargada de 3 × a 4 × en lloc de la totalitat de 6 × a 10 × perquè les superfícies metàl·liques exposades en altres llocs del reboiler proporcionen llocs de nucleació per al polímer que després s'estén a l'escalfador. La combinació del recobriment de PFA i l'optimització del procés (entrada d'oxigen reduïda, inhibidor afegit) proporciona les durades d'execució més llargues i fiables, amb informes de la indústria que superen els 90 dies entre neteja per a sistemes dissenyats correctament.
