El repte de la permeació del clor
A les plantes de clor-àlcali, els intercanviadors de calor gestionen el gas de clor humit a temperatures de 80-100 graus . El clor és corrosiu i tòxic. El material de l'intercanviador de calor ha de resistir l'atac químic i també ha de minimitzar la penetració de clor a través de la paret del tub. El clor que penetra pels tubs entra al sistema de condensació de vapor, on forma àcid clorhídric i àcid hipoclorós, corroint els components metàl·lics aigües avall i creant un perill per a la seguretat.
El PTFE i el FEP són polímers totalment fluorats amb una excel·lent resistència química al clor. Tots dos són candidats a aquest servei. Les seves taxes de permeació al clor difereixen significativament a causa de les diferències de cristalinitat, volum lliure i estructura molecular. La diferència pot determinar quin material proporciona una vida útil i una seguretat acceptables.
La relació de cristal·linitat-permeació
La penetració de gas a través d'un polímer es produeix només a través de les regions amorfes. Les regions cristal·lines són impermeables-les cadenes estan massa compactades perquè passin les molècules de gas. La taxa de permeació global és proporcional a la fracció amorfa i al coeficient de difusió a través d'aquesta fracció.
El PTFE té una cristalinitat del 50-70%. FEP té una cristalinitat del 30-45%. La fracció amorfa de FEP és un 50-70% superior a la del PTFE. El camí de difusió de les molècules de clor és corresponentment més gran.
El clor gasós (Cl₂) és una molècula relativament gran amb un diàmetre cinètic d'aproximadament 4,2 Å. Es difon lentament a través del volum lliure restringit de la fase amorfa. En FEP, la fracció amorfa més gran i l'estructura una mica més oberta (a causa dels grups laterals -CF₃ de la cadena del polímer) donen lloc a un coeficient de difusió més alt que en el PTFE.
La combinació d'una fracció amorfa més gran i un coeficient de difusió més alt proporciona a FEP una taxa de permeació aproximadament 2-3 vegades superior a la del PTFE a la mateixa temperatura.
| Paràmetre de permeabilitat | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Cristalinitat (%) | 55-65 (típic) | 35-42 (típic) |
| Fracció amorfa (%) | 35-45 | 58-65 |
| Coeficient de difusió de Cl₂ relatiu | 1.0 (línia de base) | 1.3-1.6 |
| Taxa relativa de permeació de Cl₂ a 100 graus | 1.0 (línia de base) | 2.0-3.0 |
| Taxa de penetració a 100 graus, 1 bar ΔP (cm³·mm/m²·dia·bar) | 0.8-1.5 | 2.0-4.5 |
| Efecte de l'augment de la temperatura de 20 graus | Permeació ~2× | Permeació ~2× |
L'acceleració de la temperatura
La velocitat de penetració augmenta exponencialment amb la temperatura. L'energia d'activació per a la penetració de clor a través de PTFE i FEP és d'aproximadament 30-40 kJ/mol. La taxa es duplica aproximadament per cada augment de temperatura de 20 graus. A 80 graus, les taxes de permeació són aproximadament la meitat dels valors a 100 graus. A 120 graus, són aproximadament el doble.
Per als processos que operen prop de l'extrem superior de l'interval de temperatura, la taxa de permeació més alta de FEP pot arribar a ser inacceptable. La concentració de clor al sistema de-condensat de vapor pot superar els límits de seguretat o la velocitat de corrosió aigües avall pot arribar a ser excessiva. La menor taxa de permeació del PTFE proporciona un marge de seguretat.
La implicació de seguretat i manteniment
El clor que penetra a través de la paret del tub no provoca una fallada immediata. S'acumula al sistema de-condensació de vapor amb el pas del temps. El primer indici d'un problema pot ser la corrosió d'una canonada de retorn de condensats o una trampa de vapor, o una olor de clor durant el manteniment. Aleshores, el mal ja està fet.
La menor taxa de permeació de PTFE redueix l'entrada acumulada de clor durant la vida útil de l'equip. Els components del sistema de-condensació de vapor duren més. La càrrega de manteniment és menor. Es redueix el risc de seguretat de l'exposició al clor.
La selecció de PTFE en lloc de FEP per al servei de clor es basa en la diferència de velocitat de permeació i les seves conseqüències{0}}a llarg termini per a tot el sistema, no només per a l'intercanviador de calor en si.
Resum
Els tubs d'intercanviador de calor de FEP tenen una taxa de permeació de clor 2-3 vegades superior a la del PTFE a 100 graus, a causa de la menor cristalinitat del FEP i l'estructura molecular més oberta. La taxa de permeació més alta augmenta l'entrada de clor al sistema de-condensació de vapor, accelerant la corrosió dels components aigües avall i augmentant el risc de seguretat. La menor taxa de permeació de PTFE proporciona una protecció superior del sistema a llarg termini. Per al servei de clor per sobre de 80 graus, el fluoropolímer preferit és el PTFE.
El suport d'enginyeria per a la selecció de fluoropolímers en el servei de clor i halògens està disponible després de la presentació de la composició del gas, la temperatura i la pressió de funcionament, i els materials del sistema aigües avall i l'historial de corrosió.
