Oksigen-Kondisi Uap yang Diperkaya
Sistem uap industri biasanya mengandung oksigen terlarut pada tingkat-per-miliar, yang dikendalikan oleh deaerasi mekanis dan pembuangan oksigen kimiawi. Jika peralatan deaerasi tidak berfungsi atau pasokan oksigen terganggu, oksigen terlarut dapat meningkat hingga tingkat bagian-per-juta. Dalam beberapa proses khusus, oksigen sengaja ditambahkan ke uap untuk tujuan pembersihan atau pasivasi.
Oksigen ini, pada suhu uap yang tinggi-130-200 derajat bergantung pada tekanan, menciptakan lingkungan oksidatif. Polimer yang stabil secara termal di atmosfer inert dapat mengalami degradasi oksidatif dengan adanya oksigen. Suhu awal degradasi, dan laju degradasi di atas suhu tersebut, bergantung pada struktur molekul polimer.
PTFE dan FEP keduanya merupakan polimer perfluorinasi dan memiliki ketahanan kimia yang sangat baik. Namun respons mereka terhadap peningkatan suhu dengan adanya oksigen berbeda karena perbedaan arsitektur rantai dan kristalinitas. Memahami perbedaan ini penting untuk aplikasi penukar panas di mana kontrol kualitas uap tidak sempurna.
Perbedaan Kimia Oksidasi
PTFE terdiri dari unit berulang -CF₂-CF₂-. Rantai polimer sepenuhnya jenuh dengan fluor. Tidak ada ikatan C-H, tidak ada ikatan C-Cl, dan tidak ada ketidakjenuhan. Energi disosiasi ikatan C-F kira-kira 485 kJ/mol. Tulang punggung karbon sepenuhnya dilindungi oleh atom fluor, yang membentuk selubung heliks yang rapat di sekeliling rantai.
Dengan adanya oksigen pada suhu tinggi, PTFE mengalami degradasi oksidatif hanya pada suhu ketika ikatan tulang punggung C-C mulai putus-di atas sekitar 300 derajat di udara. Produk oksidasinya adalah karbonil fluorida (COF₂) dan trifluoroasetil fluorida (CF₃COF), yang terhidrolisis menjadi HF dan CO₂. Di bawah 260 derajat, tarifnya dapat diabaikan untuk masa pakai peralatan praktis.
FEP adalah kopolimer tetrafluoroetilen dan heksafluoropropilena. Komonomer HFP memperkenalkan unit -CF(CF₃)-CF₂-, yang menciptakan situs karbon tersier tempat karbon terikat pada tiga karbon lain dan satu gugus samping CF₃. Situs karbon tersier ini lebih rentan terhadap serangan termal dan oksidatif dibandingkan karbon sekunder dalam rantai PTFE. Ikatan C-C pada titik cabang memiliki energi disosiasi ikatan yang sedikit lebih rendah. Struktur rantai yang tidak beraturan juga mengurangi kristalinitas, meningkatkan permeasi oksigen ke daerah amorf.
| Parameter Degradasi Termal | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Struktur rantai | Linier -CF₂-CF₂- | Bercabang dengan satuan -CF(CF₃)-CF₂- |
| Kristalinitas (%) | 50-70 | 30-45 |
| Permulaan penurunan berat badan yang terukur di udara (derajat) | ~350 | ~300 |
| Suhu layanan berkelanjutan di udara (derajat) | 260 | 204 |
| Laju degradasi dalam steam dengan 1 ppm O₂ pada 200 derajat (% kehilangan massa/1.000 jam) | <0.01 | 0.05-0.2 |
| Laju degradasi dalam steam dengan 10 ppm O₂ pada 200 derajat (% kehilangan massa/1.000 jam) | <0.02 | 0.2-0.5 |
| Masa pakai praktis dalam uap yang diperkaya oksigen-pada suhu 180 derajat (tahun) | 15+ | 5-10 |
Kerentanan Fase Amorf
Kristalinitas FEP yang lebih rendah berarti fraksi polimer yang lebih besar berada dalam fase amorf-rantai tidak teratur dengan volume bebas lebih tinggi. Oksigen lebih mudah meresap melalui daerah amorf. Kombinasi konsentrasi oksigen yang lebih tinggi dalam polimer dan situs karbon tersier yang lebih reaktif menghasilkan laju degradasi oksidatif yang jauh lebih cepat.
Dalam uap dengan oksigen terlarut normal (<10 ppb), the oxygen concentration is too low to cause measurable degradation of either polymer. The difference between PTFE and FEP is irrelevant. In oxygen-enriched steam-from a deaerator malfunction, chemical cleaning with oxygenated water, or intentional oxygen addition-the difference becomes significant.
Pada suhu 200 derajat dengan oksigen terlarut 10 ppm, FEP kehilangan 0,2-0,5% massanya per 1.000 jam melalui pemotongan rantai oksidatif dan evolusi produk yang mudah menguap. Selama 10.000 jam operasional dalam setahun, hal ini mewakili 2-5% kehilangan massa. PTFE dalam kondisi yang sama kehilangan kurang dari 0,02% per 1.000 jam—tingkat degradasi 10-25× lebih lambat.
Implikasi Desain
Untuk sistem uap dengan deaerasi dan pengambilan oksigen yang andal-norma di-pabrik industri yang dioperasikan dengan baik-PTFE dan FEP memberikan masa pakai yang memadai. Biaya dan kemampuan las FEP yang lebih rendah mungkin mendukungnya dalam aplikasi ini.
Untuk sistem uap dengan perpindahan oksigen yang diketahui, untuk proses yang sengaja memasukkan oksigen ke dalam uap, atau untuk aplikasi yang kualitas uapnya tidak dikontrol dengan ketat, stabilitas oksidatif PTFE yang unggul menjadikannya pilihan-yang berisiko lebih rendah. Batas suhu PTFE dalam uap yang diperkaya oksigen-dapat dipertahankan pada 260 derajat ; Batas praktis FEP harus diturunkan menjadi sekitar 180 derajat.
Ringkasan
Tabung penukar panas PTFE menunjukkan ketahanan yang jauh lebih baik terhadap degradasi termal oksidatif dibandingkan FEP dalam uap yang diperkaya oksigen-karena tidak adanya situs karbon tersier, perlindungan tulang punggung karbon yang lebih kuat oleh selubung fluor, dan kristalinitas yang lebih tinggi sehingga mengurangi perembesan oksigen. Dalam uap normal dengan oksigen terlarut rendah, kedua polimer bekerja dengan baik. Dalam uap yang diperkaya oksigen-, PTFE terdegradasi 10-25× lebih lambat dibandingkan FEP dan mempertahankan peringkat suhu penuhnya, sementara batas suhu praktis FEP harus dikurangi.
Dukungan teknik untuk pemilihan bahan fluoropolimer dalam kondisi kualitas uap tertentu tersedia berdasarkan tekanan uap, konsentrasi oksigen terlarut (normal dan ekskursi), dan masa pakai peralatan yang diperlukan.
