Sebuah pabrik kimia menarik pemanas imersi PTFE dari rendaman asam nitrat 30% pada suhu 85 derajat setelah lima bulan digunakan. Permukaan pemanas menunjukkan pola retakan halus yang berpotongan-pola crazing-di seluruh bagian yang dipanaskan. PTFE terasa keras dan rapuh, tidak lunak dan fleksibel sebagaimana mestinya. Resistensi isolasi telah turun dari 500 MΩ menjadi 30 MΩ. Asam nitrat telah mengoksidasi polimer, menggerus permukaan dan menyebabkan retak.
Asam nitrat panas adalah salah satu asam pengoksidasi paling agresif untuk PTFE. Pada suhu sedang, laju oksidasi lambat dan PTFE tetap fleksibel. Pada suhu tinggi-di atas 80 derajat -laju oksidasi meningkat, dan permukaan polimer mulai terdegradasi. Rantai polimer putus, dan permukaan menjadi keras dan rapuh.
Bagaimana Asam Nitrat Menggetarkan PTFE
Asam nitrat mengoksidasi PTFE pada ujung rantai dan pada cacat struktural pada polimer. Oksidasi menghasilkan karbonil fluorida dan spesies teroksidasi lainnya yang mengganggu rantai polimer. Pemotongan rantai mengurangi berat molekul polimer dan kekuatan mekaniknya.
Lapisan permukaan yang teroksidasi memiliki sifat yang berbeda dari polimer curah. Ini lebih keras, lebih rapuh, dan kurang fleksibel. Ketika pemanas berputar secara termal, permukaan yang rapuh tidak dapat menampung regangan. Itu retak.
| Konsentrasi Asam Nitrat | Suhu | Tingkat Oksidasi | Saatnya Pengerasan Permukaan | Waktunya untuk Cracking |
|---|---|---|---|---|
| 10% | 60 derajat | Sangat rendah | >36 bulan | >48 bulan |
| 20% | 70 derajat | Rendah | 18–30 bulan | 24–36 bulan |
| 30% | 80 derajat | Sedang | 8–14 bulan | 12–20 bulan |
| 40% | 85 derajat | Tinggi | 4–8 bulan | 6–12 bulan |
| 50% | 90 derajat | Sangat tinggi | 2–4 bulan | 3–8 bulan |
Konsentrasi asam nitrat dan pengaruh suhu terhadap penggetasan PTFE
Mengapa Retakan Membentuk Pola Gila
Pola crazing-retakan halus dan berpotongan-merupakan karakteristik lapisan permukaan yang rapuh pada substrat yang fleksibel. Saat pemanas memanas, selubung logam mengembang, dan lapisan permukaan yang rapuh harus meregang untuk mengakomodasi pemuaian. Jika lapisan permukaan tidak dapat meregang, maka akan retak. Retakan terbentuk dalam pola acak karena lapisan permukaannya seragam dan tegangannya terdistribusi.
Pola keretakan berbeda dengan keretakan yang disebabkan oleh kelelahan termal atau kerusakan mekanis. Retakan kelelahan termal biasanya terkonsentrasi pada titik-titik tegangan. Retakan kerusakan mekanis terlokalisasi. Retakan retak menyebar ke seluruh permukaan yang terkena.
Mengapa Layanan Asam Nitrat Panas Sangat Menuntut
Asam nitrat adalah asam pengoksidasi. Potensi oksidasi meningkat seiring dengan konsentrasi dan suhu. Pada konsentrasi 85 derajat dan 30%, laju oksidasi cukup tinggi untuk menggerogoti permukaan PTFE dalam beberapa bulan.
Asam nitrat juga menembus PTFE. Laju permeasi meningkat seiring dengan peningkatan suhu. Asam yang mencapai isolasi internal mengurangi resistensi isolasi. Kombinasi penggetasan permukaan dan permeasi internal menyebabkan pemanas rusak lebih cepat dibandingkan mekanisme mana pun saja.
Mencegah Penggetasan Permukaan dalam Asam Nitrat Panas
Pencegahan yang paling efektif adalah dengan menurunkan suhu permukaan. Kepadatan watt yang lebih rendah-0,8–1,0 W/cm²-menjaga suhu permukaan dalam kisaran di mana laju oksidasi rendah. Pemanas dengan daya 0,9 W/cm² dapat bekerja pada suhu 10–15 derajat lebih dingin dibandingkan pemanas dengan daya 1,4 W/cm², yang dapat menggandakan waktu pengerasan permukaan.
A thicker PTFE coating provides more material to absorb the oxidation. The oxidized surface layer is sacrificial. A thicker coating has more polymer below the oxidized layer, so the heater retains its barrier properties longer.
Interval servis yang lebih singkat untuk pemeriksaan dan penggantian merupakan pendekatan praktis. Dalam servis asam nitrat panas, pemanas harus diperiksa setiap 2–3 bulan. Jika pengerasan permukaan terdeteksi, pemanas harus diganti sebelum retakan menembus lapisan.
| Tindakan Pencegahan | Efek pada Penggetasan | Pelaksanaan |
|---|---|---|
| Kepadatan watt lebih rendah, 0,8–1,0 W/cm² | Oksidasi lebih lambat | Desain pemanas |
| Lapisan lebih tebal, 2,5–3,0 mm | Lebih banyak materi pengorbanan | Proses pelapisan |
| Interval pemeriksaan lebih pendek | Deteksi dini | Jadwal pemeliharaan |
| Suhu berkurang | Tingkat oksidasi lebih rendah | Kontrol proses |
Tindakan pencegahan terhadap penggetasan permukaan dalam asam nitrat panas
Ketika Penggetasan Permukaan Menunjukkan Masalah Desain
Pemanas yang rapuh dan retak meskipun kepadatan wattnya rendah dan lapisannya tebal menunjukkan bahwa bahan atau desain pemanas tidak cocok untuk layanan asam nitrat panas. Konfigurasi pemanas imersi PTFE khusus dengan kepadatan watt yang sangat rendah, lapisan tebal, dan kelas polimer tahan suhu-menangani akar penyebab penggetasan. Proses spesifikasi memerlukan konsentrasi asam nitrat, suhu pengoperasian, dan watt yang dibutuhkan. Untuk fasilitas dengan rendaman asam nitrat panas, pendekatan khusus aplikasi ini-mengurangi penggetasan permukaan dan memperpanjang masa pakai pemanas.
