How to Compare the Long-Term Hydrolytic Stability of PFA vs. FEP Heaters for Steam-Heated Acid Mixtures?

Fluoropolymer heaters in steam-heated acid service, as seen in digesters, hydrolysers, and chemical reactors, are exposed to a combination of high-temperature steam (120–180°C) and aggressive acids (H₂SO₄, HNO₃, HCl, H₃PO₄). Two fluoropolymers are the leaders in this service: PFA (perfluoroalkoxy) and FEP (fluorinated ethylene propylene). Their long-term hydrolytic stability-resistance to degradation by steam and hot acids-varies widely. PFA has a greater temperature for continuous use (200°C compared with 180°C for FEP) and better resistance to permeability by steam and attack by acids. FEP has a lower melting point (255°C against 305°C for PFA) and is more vulnerable to stress cracking in the presence of steam and acid vapours. For long term service (5+ years) in steam heated acid combinations at temperatures >150 ডিগ্রী, PFA FEP থেকে 3-5X ভাল। দুটোই 130 ডিগ্রির নিচে। পলিমারগুলির মধ্যে মৌলিক পার্থক্য হল উচ্চ তাপমাত্রায় হাইড্রোলাইটিক চেইন সিশনের প্রতিরোধ, যেখানে PFA-এর বর্ধিত আণবিক ওজন এবং আরও স্থিতিশীল পারফ্লুরোঅ্যালকক্সি সাইড চেইনের স্থায়িত্বের একটি সুবিধা রয়েছে।

হাইড্রোলাইটিক অবক্ষয়ের রুট
বাষ্প উত্তপ্ত অ্যাসিড মিশ্রণে তিনটি অবক্ষয় পথ সক্রিয় থাকে। প্রথমটি হল পলিমার চেইনের সরাসরি হাইড্রোলাইসিস। 140 ডিগ্রির উপরে এবং জল এবং অ্যাসিডের উপস্থিতিতে, চেইন আক্রমণ C-F বন্ধনে শেষ হয়। জলের অণুগুলি কার্বক্সিলিক অ্যাসিডের শেষ গোষ্ঠীর (CF2-COOH) সৃষ্টিকে অনুঘটক করে যা অধঃপতনকে আরও অনুঘটক করে-একটি স্বতঃক্যাটালাইটিক প্রক্রিয়া। PFA এর তুলনায় FEP-এর প্রতি ইউনিট ভলিউমের চেয়ে বেশি দুর্বল চেইন এন্ডিং রয়েছে, এতে রয়েছে -O-CF2-CF2-O- সাইড চেইন যা আরও স্থিতিশীল, -CF3 সাইড গ্রুপের কারণে। 20% H₂SO₄ + বাষ্পে 160 ডিগ্রিতে ত্বরিত বার্ধক্য অধ্যয়ন নির্দেশ করে যে FEP 2000 ঘন্টার পরে 15-25% প্রসার্য শক্তি হারায় এবং PFA 5-10% হারায়।

একটি দ্বিতীয় প্রক্রিয়া হল ব্যাপ্তিযোগ্যতা ত্বরিত জারা। পলিমার প্রাচীর তরল জলের চেয়ে বাষ্পে প্রবেশযোগ্য। FEP এর মাধ্যমে বাষ্প প্রবেশের হার (2 মিমি প্রাচীরের জন্য 1.0-2.0 g/m2 দিন) 150 ডিগ্রিতে PFA (0.4-0.8 g/m2 দিন) থেকে 2-3× বেশি। বর্ধিত অনুপ্রবেশ ধাতব কোরে আরও বাষ্প নিয়ে আসে এবং কোরের ক্ষয়কে গতি দেয়। ধাতব কোরের ক্ষয় দ্রব্যের (H 2 SO 4 তে লোহার সালফেট, HCl তে লোহার ক্লোরাইড) মূল ধাতুর চেয়ে বেশি আয়তন রয়েছে। এটি একটি অভ্যন্তরীণ চাপ তৈরি করে এবং ভিতরে থেকে পলিমারের ফোস্কা এবং ফাটল সৃষ্টি করে। উচ্চতর FEP প্রবেশের ফলে আগে ফোসকা দেখা দেয়।

তৃতীয় প্রক্রিয়া হল পরিবেশগত চাপ ক্র্যাকিং (ESC)। বাষ্প এবং অ্যাসিড হল স্ট্রেস ক্র্যাকিং এজেন্ট, বিশেষ করে পলিমারের গলনাঙ্কের কাছাকাছি তাপমাত্রায়। FEP-এর একটি নিম্ন গলনাঙ্ক রয়েছে (PFA এর জন্য 255 ডিগ্রী বনাম . 305 ডিগ্রী), অর্থাৎ 180 ডিগ্রীতে FEP গলিত তাপমাত্রার 70% (Tm) এর তুলনায় PFA এর জন্য 59%। উচ্চ তাপমাত্রায় এফইপিতে ক্রীপ এবং স্ট্রেস রিলাক্সেশন বেশি বিশিষ্ট হয় যখন ESC কম প্রয়োগ করা চাপের সাথে ঘটে। উৎপাদন থেকে 3-4 MPa অবশিষ্ট স্ট্রেস সহ একটি হিটার এক বছরের মধ্যে 170 ডিগ্রিতে FEP-তে ক্র্যাক হতে পারে, তবুও PFA-তে 5+ বছর সহ্য করতে পারে।

হাইড্রোলাইটিক স্থিতিশীলতার তুলনা করা ডেটা
পরামিতি FEP PFA সুবিধা
ক্রমাগত ব্যবহারের তাপমাত্রা (বাতাস) 200 ডিগ্রি 180 ডিগ্রি পিএফএ +20 ডিগ্রি
গলনাঙ্ক (Tm) 305 – 315 ডিগ্রি 255 – 265 ডিগ্রি PFA +50 ডিগ্রি
জলীয় বাষ্প প্রবেশের হার 150 ডিগ্রী, 2 মিমি প্রাচীর (g/m2/day) 0.4–0.8 1.0–2.0 PFA 2–3× কম
বাষ্পে 2000 ঘন্টা পরে প্রসার্য শক্তি ধরে রাখা + 20 % H₂SO₄ 160 ডিগ্রি 85–92% 70–78% PFA 15–20% ভাল
অভিন্ন এক্সপোজারের সাথে দীর্ঘতা 80-85 % 55-65 % PFA 25-30% ভাল ধরে রাখা হয়েছে
ফোস্কা পড়ার সময় (2 মিমি প্রাচীর, বাষ্প + 30% H2SO4, 160 ডিগ্রি) 3,000-5,000 ঘন্টা 800-1,500 ঘন্টা PFA 2-3× বেশি
হাইড্রোলাইটিক স্ট্যাবিলিটি গ্রেড (ASTM D543) অ্যাসিড/বাষ্পে 150 ডিগ্রিতে 9/10 (চমৎকার) 6/10 (ভাল) PFA ভাল
Steam stress crack resistance 170°C (hours to failure 5 MPa applied stress) >10,000 1,500-3,000 PFA 3-5× ভাল
বাষ্প + 50% H2SO4 170 ডিগ্রী 140 ডিগ্রী PFA +30 ডিগ্রীতে 5 বছরের জীবনের জন্য সর্বোচ্চ পরিষেবা তাপমাত্রা
অ্যাপ্লিকেশন নির্দিষ্ট নির্বাচন গাইড
অ্যাসিড মিশ্রণ, বাষ্প-উষ্ণ প্রস্তাবিত উপাদান তাপমাত্রা পরিসীমা যুক্তি
H₂SO₄, পাতলা (5-20%) + বাষ্প<130°C PFA or FEP (both OK)Cost may dictate FEP choice
পাতলা H₂SO₄ (5–20 %) + বাষ্প 130-160 ডিগ্রি PFA FEP 1-2 বছর পরে হ্রাস পায়
50-80% ঘনীভূত H2SO4 + বাষ্প<120°C PFA or FEPLimited by acid compatibility
ঘনীভূত H2SO4 (50-80%) + বাষ্প 120-150 C PFA শুধুমাত্র FEP মাসে ব্যর্থ হয়
HNO₃ (10-30%) + বাষ্প<140°C PFA FEP degrades from oxidation
HCl (10-30%) + বাষ্প<150°C PFA FEP penetration causes core corrosion
মিশ্র অ্যাসিড (H₂SO₄ + HNO₃ + H₂O) + বাষ্প < 160 ডিগ্রি PFA শুধুমাত্র চরম জলবায়ু, FEP অনুপযুক্ত
ডাইজেস্টার (H2SO4 + জৈব) + বাষ্প 160–180 ডিগ্রি পিএফএ পুরু প্রাচীর (2.5-3.0 মিমি) পিএফএ সীমাতে; FEP দ্রুত পতন হবে
অটোক্লেভ (অ্যাসিড + বাষ্প, ব্যাচ) 200 ডিগ্রি (ক্ষণস্থায়ী) কোনটিই নয়; কোয়ার্টজ বা ধাতু ব্যবহার করুন দীর্ঘ-মেয়াদী PFA সীমার উপরে
হাইড্রোলাইসিস রিঅ্যাক্টরের জন্য ফিল্ড ডেটা
একটি রাসায়নিক সুবিধা 30% H2SO4 এ বাষ্প ইঞ্জেকশন সহ 150 ডিগ্রিতে কাজ করে দুটি অভিন্ন হাইড্রোলাইসিস চুল্লি ব্যবহার করে। চুল্লি A একটি PFA হিটার (2.0 মিমি প্রাচীর) নিযুক্ত করেছে। চুল্লি বি-তে, একটি FEP হিটার (2.0 মিমি প্রাচীর) ব্যবহার করা হয়েছিল . 18 মাসের একটানা অপারেশনের:

Reactor A (PFA): Heater surface showed slight yellowing, no cracking, insulation resistance >200 MΩ, পরিষেবা 36 মাস।

রিঅ্যাক্টর বি (এফইপি): হিটারের ফ্ল্যাঞ্জে বেশ কয়েকটি পরিধিগত ফাটল ছিল (স্ট্রেস ক্র্যাকিং), নিরোধক প্রতিরোধ ক্ষমতা 10 MΩ-এ কমে গেছে, 22 মাস পরে প্রতিস্থাপিত হয়েছে। ফ্রেশ হিটারের তুলনায় বিরতিতে 30% কম প্রসারণ ছিল।

The plant converted all reactors to PFA and took FEP heaters out of steam acid service >130 ডিগ্রী। প্রথম প্রতিস্থাপন চক্রে (22 মাস বনাম . 36+ মাস) PFA (FEP এর উপর 15-25%) প্রাথমিক খরচ প্রিমিয়াম পুনরুদ্ধার করা হয়েছিল।

স্টিম-অ্যাসিড পরিষেবার জন্য ডিজাইনের বিবেচনা
অ্যাসিড মিশ্রণের জন্য, বাষ্প দিয়ে উত্তপ্ত করা হলে, তাপমাত্রা 130 ডিগ্রির বেশি হলে বা অ্যাসিডের পরিমাণ 20% এর বেশি হলে PFA ব্যবহার করুন এবং অন্যথায় FEP ব্যবহার করুন। 150 ডিগ্রির বেশি তাপমাত্রায় পরিষেবার জন্য, অতিরিক্ত প্রয়োজনীয়তাগুলি হল: (1) ব্যাপ্তিযোগ্যতা কমাতে এবং ক্ষয় ভাতা প্রদানের জন্য পুরু PFA প্রাচীর (2.5-3.0 মিমি)। (2) টার্মিনাল এলাকায় বাষ্পের ঘনীভবন রোধ করার জন্য ঠান্ডা প্রান্তে একটি আর্দ্রতা প্রাপ্তকারী বা নাইট্রোজেন বিশুদ্ধকরণ ইনস্টল করুন। (3) পিএফএ অভ্যন্তরীণ পৃষ্ঠের তাপমাত্রা বজায় রাখতে ওয়াটের ঘনত্ব 2.5 ওয়াট/সেমি² এর কম বা সমান করুন<200°C. (4) Install a steam deflector for direct steam injection onto the heater to prevent localised superheating. (5) Conduct annual insulation resistance testing; a fall from >1,000 MΩ থেকে<100 MΩ indicates penetration or breaking.

ইতিমধ্যে বাষ্প এবং অ্যাসিড পরিষেবাতে FEP হিটারগুলি দেখুন। অধঃপতনের প্রাথমিক সূচক হল পৃষ্ঠের চকচকে ক্ষতি (ম্যাট ফিনিশ), তারপর হলুদ হয়ে যাওয়া, তারপর ফাটল। FEP যে বাদামী হয়ে গেছে ব্যর্থতার কাছাকাছি। অধঃপতনের প্রথম ইঙ্গিতে PFA প্রতিস্থাপনের সুপারিশ করা হয়। ফাঁস জন্য কোন অপেক্ষা.

উপসংহার: পিএফএ বাষ্পের সাথে উত্তপ্ত অ্যাসিডগুলির জন্য আরও ভাল হাইড্রোলাইটিক স্থিতিশীলতা দেখায়
PFA is far more suited for long-term use in steam heated acid combinations than FEP because it has a higher temperature capability (200°C vs. 180°C), lower steam penetration (2-3x lower), and superior resistance to stress cracking and hydrolysis. PFA heaters survive 2-5x longer than FEP heaters in service >শক্তিশালী অ্যাসিড সহ 130 ডিগ্রি। PFA-এর জন্য খরচ প্রিমিয়াম (15-25%) প্রতিস্থাপনের কম হওয়া ফ্রিকোয়েন্সি, কম ডাউনটাইম এবং কম দূষণের ঝুঁকি দ্বারা ন্যায়সঙ্গত। 130 ডিগ্রির নিচে হালকা অ্যাসিডের ক্ষেত্রে FEP কম খরচে গ্রহণযোগ্য কর্মক্ষমতা দেয়। যে কোনো অ্যাপ্লিকেশনে ডাইজেস্টার, হাইড্রোলাইজার বা স্টিম-অ্যাসিড রিঅ্যাক্টরের জন্য হিটার নির্দিষ্ট করা ইঞ্জিনিয়াররা যেখানে দীর্ঘ-মেয়াদী নির্ভরযোগ্যতা অপরিহার্য তাদের অবশ্যই PFA উল্লেখ করতে হবে। FEP নিম্ন তাপমাত্রা বা কম চাহিদাযুক্ত অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপযুক্ত যেখানে স্বল্প জীবন গ্রহণযোগ্য। সন্দেহ হলে, PFA বেছে নিন। গৌণ উপাদান সঞ্চয় একটি গরম অ্যাসিড চুল্লিতে একটি এফইপি হিটার ব্যর্থতা-স্নানের দূষণ, অনির্ধারিত স্টপেজ, প্রতিস্থাপন শ্রম দ্বারা অফসেট করার চেয়ে বেশি। পিএফএ হল বাষ্প উত্তপ্ত অ্যাসিড মিশ্রণের আদর্শ। FEP হল নিম্ন তাপমাত্রা বা অ-{15}}গুরুত্বপূর্ণ পরিষেবার জন্য ব্যতিক্রম৷