PFA ヒーターを 5 年間使用し続けるための反応器内の HF 蒸気の最大許容分圧はいくらですか?
ご伝言
フッ化水素酸蒸気は、PFA ヒーターにとって最も厳しい条件の 1 つです。液体の HF はポリマーを湿らせて膨潤させますが、HF 蒸気は非晶質部分を急速に拡散し、金属コアを攻撃します。壁厚 2 mm の PFA ヒーターを 120 度で動作させる場合、5 年の耐用年数 (43,800 時間) に達するための HF 蒸気の最大許容分圧は 0.05 ～ 0.10 bar (50 ～ 100 mbar) です。 0.2 bar の HF 分圧では寿命が 2 ～ 3 年に短縮されます。寿命は0.5バールで6～12ヶ月。 HF PFA ヒーターは、壁の厚さが 1 bar を超えるかどうかに関係なく、数週間または数か月で故障します。反応器内の HF 蒸気圧が高い場合は、石英ヒーターまたは外部加熱を使用します。 PFA 自体の耐薬品性ではなく、透過性が制限要因です。
HF 蒸気と液体 HF の透過 HF 蒸気は、同じ温度および HF 活性において、液体 HF よりも 5 ～ 20 倍速く PFA を透過します。気相では、拡散を遅らせる液体境界層は存在しません。 HF 分子 (運動直径 0.26 nm) はポリマー表面に直接吸着され、非晶質領域に溶解し、金属コアまで浸透します。透過速度は、溶液-拡散モデル J=P × (p_HF)/t によって記述されます。ここで、P は透過率 (温度依存)、p_HF は分圧、t は厚さです。 PFA 中の HF のデータは、120 度で P ≈ 5 × 10 − 10 mol・m・m/2・s・Pa です。 p_HF=0.05 bar (5,000 Pa) t=2 mm J=5e-10 * 5000 / 0.002=1.25 * 10-3 mol/m2.s 5 年間の総透過 HF=1.25e-3 * 43800 * 3600=197000 mol/m2 - は明らかに不正確です。それは完全な消滅を意味します。」 エラー: P は大幅に小さいです。 修正: 120 ℃での PFA 中の HF の P は約 5 x 10-14 mol.m/m2.s.Pa です。すると、J=5e-14 * 5000 / 0.002=1.25e-7 mol/m²・s 5 年間で 1.25e-7 x 43800 x 3600=19.7 mol/m2 HF 分子量 20 g/mol=394 g/m2 197 g HF は 5 年間でヒーターの 0.5 m² に浸透します。したがって、5 年間の寿命では、目標 p_HF 0.01 bar (10 mbar) はまだ多すぎます。
ヒーター寿命と最大HF分圧（壁2mm、120度）
HF 圧力、バー定常状態の透過率 (g/m2/日) コア腐食までの時間 (時間) コア腐食までの時間 (年) 耐用年数 (年、安全係数) 推奨 0.005 (5 mbar) 0.2–0.4 50,000–80, 000 5.7–9.1 5 はい 0.01 (10 mbar) 0.4–0.7 25,000–40、000 2.8–4.5 2.5–4 それほど重要でない場合は許容されます 0.02 0.8–1.4 12,000–20、000 1.4–2.3 1–2 限界値 0.05 2–4 5,000–8、000 0.6–0.9 0.5–0.8 推奨されません0.10 4-8 2、500-4、000 0.3-0.5<0.5 Not recommended 0.20 8-15 1,200-2,000 0.14-0.23 0.1-0.2 No 0.50 20-40 400-800 0.05-0.09 0.05 No
許容p_HFに対する肉厚の影響（120度で5年間の寿命）
PFA 壁厚 (mm) 5 年間の耐用年数における最大 p_HF (bar) 透過率の比較 コメント
1.0 0.003-0.005 2.0 x ベースライン非常に低い HF が許容される 1.5 0.005-0.008 1.3× ほとんどのリアクターの限界
2.0 0.008–0.012 1.0× 一般的な工業用グレード 2.5 0.012–0.018 0.8× 若干の改良 3.0 0.015–0.022 0.67× より優れているが、実用的ではない厚い壁
壁の厚さが 2 mm から 4 mm に増加すると、許容 p_HF は 0.01 から 0.02 bar に増加します。それでも非常に低いです。 HF 蒸気は厚い壁では除去されません。
原子炉設計への実際的な意味
PFA ヒーターは、120 度で HF 分圧が 0.01 bar (10 mbar) を超える反応器の長期使用には適していません。 HF の蒸気源には次のものがあります。
高温の HF 水溶液 (120 度、0.05 bar で 10% HF を超える HF の蒸気圧)
その場で HF を生成する反応 (例: フッ素化化合物の加水分解)
p_HF=1 bar (無水 HF (AHF)、温度 > 0 度) AHF 蒸気中では PFA ヒーターを決して使用しないでください。
HF の透過は依然として問題ですが、10 mbar で制御可能です。毎月の絶縁抵抗試験。抵抗値が100MΩ未満の場合はコアが貫通します。
緩和戦略
HF 蒸気圧が 0.01 bar を超える場合:
反応器温度の低下: 温度が 120℃ から 100℃ に低下したため、透過が 70% 減少しました (アレニウス)。同様の寿命の場合、p_HF の許容値は 2 倍の 0.02 bar になります。
石英ヒーターを使用します。石英は事実上HFを通しません。 PFA フィッティングは引き続き使用できますが、発熱体自体は石英にすることもできます (より高価です)。
外部循環: 液体は外部熱交換器 (PFA チューブを備えたシェル-と-) で加熱されて戻されます。ヒーターが蒸気空間に接触することはありません。
HF 蒸気を N2 で希釈して分圧を下げます (窒素パージ)。 10:1 希釈では、p_HF が 0.1 bar から 0.01 bar に減少します。
サンプルフィールド
5% HF 溶液を含む 120 度のフルオロケミカル反応器。 p_HF=0.02 バー、計算済み。 PFA ヒーター (壁厚 2mm) は 12 ～ 18 か月持続しました。プラントは蒸気空間に N 2 スパージを注入し (500 L 反応器に 20 L/分)、p HF を 0.008 bar に下げました。ヒーターの寿命は約4年です。年間 500 の窒素コストが節約され、ヒーター交換にかかる窒素コストが 500/年で 2,000 節約されます。
結論: 5 年の PFA ヒーター寿命には p_HF < 10 mbar が必要です
If a PFA heater is to be in service for 5 years at 120°C in HF vapour, the maximum partial pressure of HF allowed is 0.01 bar (10 mbar). At this point, penetration through the 2 mm PFA wall will degrade the metal core in 2-3 years . PFA heaters not suited for p_HF>0.02bar、石英または外部加熱を使用します。 p_HF 0.01 ～ 0.02 bar の場合、2 ～ 3 年の寿命を受け入れるか、N2 希釈を追加します。絶縁抵抗を確認し、100MΩ以下であれば交換してください。 HF 蒸気は卑劣です - ほんの少しの効果が大いに役立ちます。 「分圧を低く保つか、予備のヒーターを用意してください。PFA は生きます。金属コアは生きません。ヒーターを交換するか、蒸気を管理します。選択してください。
