Хімічний завод майже чотири роки використовував занурювальний нагрівач PTFE у 20% фтористоводневій кислоті при температурі 50 градусів. Нагрівач працював надійно, і коли його нарешті замінили, несправність була механічною-пошкодженою клемою через помилку технічного обслуговування-не хімічною. На цьому ж заводі встановлено ідентичний нагрівач у ванні з 25% гідроксидом натрію при 95 градусах. За п'ять місяців це не вдалося. Хімія змінилася від однієї крайності до іншої, і PTFE не міг впоратися з обома.
PTFE часто описують як хімічно інертний у всьому діапазоні pH. Цей опис є точним для більшості умов, але руйнується в екстремальних-особливо гарячих, концентрованих їдких розчинах. Розуміння того, чому PTFE стійкий до HF, але зазнає невдачі у гарячій їдкій речовині, вимагає вивчення хімії полімеру та механізмів, за допомогою яких різні хімічні речовини атакують його.
Чому PTFE стійкий до фтористоводневої кислоти
Фтористоводнева кислота є одним з найбільш агресивних хімічних речовин промислового використання. Він атакує скло, кварц і більшість металів. Він проникає в шкіру і пошкоджує кістку. Проте PTFE справляється з цим з легкістю.
Причиною є зв’язок вуглець-фтор. PTFE являє собою ланцюжок атомів вуглецю, повністю оточених атомами фтору. Зв’язок карбон-фтор є найміцнішим одинарним зв’язком в органічній хімії з енергією зв’язку приблизно 485 кДж/моль. HF не має енергії чи хімічного механізму, щоб розірвати цей зв’язок.
HF також не розчиняє і не набухає PTFE. Полімерні ланцюги щільно упаковані, а атоми фтору захищають вуглецеву основу від нападу. Молекули HF можуть з часом проникати крізь полімер, але не реагують з ним. Швидкість проникнення повільна й-залежна від температури, але сам полімер залишається недоторканим.
Чому гаряча концентрована їдка речовина атакує PTFE
Гідроксид натрію та інші сильні основи атакують PTFE за іншим механізмом. При високих концентраціях і підвищених температурах іони гідроксиду можуть дефторувати поверхню полімеру. Реакція видаляє атоми фтору з вуглецевого ланцюга, утворюючи ненасичені зв’язки та реактивні центри, які є вразливими до подальших атак.
Реакція йде повільно при помірних температурах. При 60 градусах і 10% NaOH атака незначна. При 95 градусах і 25% NaOH швидкість дефторування стає вимірюваною. Поверхня полімеру знебарвлюється, стає шорсткою і з часом тріскається. Деградація спочатку обмежується поверхнею, але з часом вона проникає глибше.
| Каустична концентрація | Температура | Швидкість атаки | Час до видимих пошкоджень | Придатність PTFE |
|---|---|---|---|---|
| 5% NaOH | 60 градусів | Незначний | >5 років | Чудово |
| 10% NaOH | 80 градусів | Низький | 2–4 роки | добре |
| 20% NaOH | 90 градусів | Помірний | 6–18 місяців | Маргінальний |
| 25% NaOH | 95 градусів | Високий | 3–8 місяців | Не рекомендується |
| 30% NaOH | 100 градусів + | Дуже високий | 1–4 місяці | Не підходить |
Швидкість дії їдкої речовини на PTFE в залежності від концентрації та температури
Різниця проникнення
HF і каустик також відрізняються тим, як вони проникають у PTFE. Молекули HF малі та полярні, і вони дифундують крізь полімер із помірною швидкістю. Проходячи через оболонку, вони досягають ізоляції MgO і знижують опір ізоляції. Сам полімер залишається цілим.
Їдкі розчини містять гідроксид-іони та воду. Іони гідроксиду більші та менш рухливі, ніж HF, але вони реагують з поверхнею полімеру, коли проникають. Реакція створює пошкоджений шар, який є більш проникним, ніж оригінальний PTFE, прискорюючи подальше проникнення. Комбінація проникнення та поверхневої атаки робить каустик більш шкідливим, ніж HF за еквівалентних температур.
Чому температура важливіша за концентрацію
Атака каустичної речовини на PTFE активується термічно. Кожне підвищення температури на 10 градусів приблизно подвоює швидкість реакції. Ванна з температурою 95 градусів приблизно в чотири рази агресивніша, ніж ванна з температурою 75 градусів, і у вісім разів агресивніша, ніж ванна з температурою 65 градусів.
Ось чому нагрівач PTFE, який служить роками в 20% NaOH при 60 градусах, може вийти з ладу через місяці в 20% NaOH при 95 градусах. Концентрація має значення, але температура є домінуючою змінною.
Температура оболонки навіть більш важлива, ніж температура об'єму. Нагрівач, що працює при температурі 95 градусів, з температурою оболонки 110–120 градусів, піддає полімер атаці зі швидкістю, яка в два-чотири рази перевищує температуру об’єму. Зменшення щільності ват для зниження температури оболонки є найефективнішим способом продовження терміну служби в гарячій їдкій солі.
Практичні вказівки щодо служби каустик
ПТФЕ придатний для роботи каустиком при помірних температурах. Для ванн з температурою нижче 70 градусів і концентрацією нижче 15% занурювальний нагрівач з PTFE добре працює і забезпечує тривалий термін служби. Для ванн вище 80 градусів або концентрації вище 20%, термін служби скорочується, і слід розглянути альтернативні матеріали.
Для гарячої концентрованої їдкої речовини нержавіюча сталь 316L або титан можуть бути більш придатними, ніж PTFE, за умови, що ванна не містить хлоридів, які могли б спричинити піттинг. Для хлорид-місткого каустика варіанти матеріалів ще більше звужуються, і може знадобитися спеціальний сплав.
| Стан обслуговування | Рекомендований матеріал | Придатність PTFE | Примітки |
|---|---|---|---|
| <10% NaOH, <60°C | PTFE | Чудово | Тривалий термін служби |
| 10–15% NaOH, 60–75 град | PTFE | добре | Стежити за станом оболонки |
| 15–20% NaOH, 75–85 град | PTFE або титан | Маргінальний | Розгляньте альтернативу |
| 20–25% NaOH, 85–95 град | Титан або 316L | Не рекомендується | PTFE деградує |
| >25% NaOH, >95 градусів | Спеціальний сплав | Не підходить | Зверніться до спеціаліста з матеріалів |
Рекомендації по використанню каустичної речовини при різних концентраціях і температурах
Коли PTFE є правильним вибором
ПТФЕ є правильним вибором для роботи з каустиком при помірних температурах, для ванн, де хімічний склад змінюється між кислотою та лугом, а також для застосувань, де присутні HF або змішані кислоти. Його широка хімічна стійкість робить його найбезпечнішим вибором, коли хімічний склад невизначений або змінний.
У гарячому концентрованому каустику PTFE досягає своїх меж. Полімер руйнується, оболонка виходить з ладу, і нагрівач необхідно замінити. Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з PTFE з нижчою щільністю ват, товстішою оболонкою та покращеним доступом до потоку може подовжити термін служби в граничних умовах каустики, але вона не може подолати фундаментальну несумісність на крайньому кінці спектра каустики. Процес специфікації вимагає хімічного складу ванни, концентрації, температури та історії несправностей попередніх нагрівачів.
