Ketonutfordringen
Ketoner-aceton, metyletylketon, metylisobutylketon-er vanlige industrielle løsemidler som brukes i farmasøytisk syntese, polymerbearbeiding og rengjøringsoperasjoner. De er små, polare organiske molekyler med en sterk tendens til å trenge inn i polymerer. PTFE er kjemisk motstandsdyktig mot ketoner, men er ikke ugjennomtrengelig for dem. Ved forhøyede temperaturer diffunderer ketonmolekyler inn i PTFE-strukturen, noe som forårsaker hevelse, plastisering og en reduksjon i mekaniske egenskaper.
Standard PTFE kontinuerlig servicetemperatur på 260 grader gjelder i luft og i kjemisk inerte miljøer. I nærvær av ketonløsningsmidler er den praktiske maksimale driftstemperaturen lavere. Reduksjonen avhenger av det spesifikke ketonet, dets konsentrasjon og eksponeringsvarigheten.
Permeasjons- og hevelsesmekanismen
Ketonmolekyler er små nok til å passe inn i det frie volumet mellom PTFE-polymerkjeder. Ved forhøyede temperaturer har polymerkjedene større mobilitet, og det frie volumet øker. Ketonmolekyler diffunderer inn i polymeren, okkuperer det frie volumet og interagerer med polymerkjedene gjennom van der Waals-krefter og dipolinteraksjoner med C-F-bindingene.
Det absorberte ketonet fungerer som en mykner. Det øker avstanden mellom polymerkjeder, og reduserer de intermolekylære kreftene som gir PTFE dens mekaniske styrke. Polymeren sveller litt (1-3 % dimensjonal økning ved metning), dens strekkstyrke avtar, og krypehastigheten under belastning øker.
Graden av svelling og plastisering avhenger av oppløselighetsparametertilpasningen mellom ketonet og PTFE. Aceton, med en løselighetsparameter på 9,9 (cal/cm³)^(1/2), har en større affinitet for PTFE (løselighetsparameter ca. 6,2) enn metylisobutylketon (8,4). Jo større affinitet, jo større absorpsjon ved en gitt temperatur.
| Prosesstilstand | Maksimal sikker driftstemperatur | Basis |
|---|---|---|
| Rent vann eller uorganiske syrer | 260 grader | Standard PTFE-klassifisering |
| Aceton, > 50 % konsentrasjon | 120 grader | Hevelse > 2 % over denne temperaturen |
| Aceton, 10-50 % | 150 grader | Redusert hevelse ved lavere konsentrasjon |
| MEK, > 50 % | 140 grader | Ligner på aceton; litt mindre aggressiv |
| MEK, 10–50 % | 165 grader | |
| MIBK, > 50 % | 160 grader | Større molekyl; lavere permeasjonshastighet |
| MIBK, 10–50 % | 180 grader | |
| Blandet keton-vann (hvilket som helst forhold) | 150 grader | Konservativ grense for ukjent blanding |
Den mekaniske eiendomspåvirkningen
Den absorberte ketonen reduserer strekkstyrken og elastisitetsmodulen til PTFE. Ved metning i aceton ved 120 grader reduseres strekkstyrken til PTFE med ca. 20-30 % sammenlignet med det ueksponerte materialet ved samme temperatur. Krypehastigheten under en gitt bøylespenning øker med en faktor på 2-4.
Reduksjonen i mekaniske egenskaper betyr at rørveggspenningen fra internt damptrykk må begrenses til en lavere verdi enn det som er tillatt for samme temperatur i et ikke-svellende miljø. Den tillatte bøylespenningen for en 10-årig krypelevetid må reduseres med samme faktor som styrkereduksjonen.
Damptrykket må kanskje reduseres for å holde bøylespenningen innenfor den reduserte grensen. Alternativt kan rørets veggtykkelse økes for å redusere bøylespenningen ved det beregnede damptrykket.
Testanbefalingen
For prosesser hvor ketoneksponering er en betydelig del av driftssyklusen, bør en enkel nedsenkingstest utføres før varmevekslerdesignet ferdigstilles. En prøve av PTFE-slangen nedsenkes i selve prosessvæsken ved designtemperaturen i 168 timer (1 uke). Vektendringen, dimensjonsendringen og strekkegenskapene måles før og etter eksponering.
Hvis vektøkningen overstiger 2 % eller strekkfastheten er under 80 %, bør designtemperaturen reduseres eller rørets veggtykkelse økes. Testen gir direkte anvendelige data som er mer pålitelige enn generaliserte kompatibilitetstabeller.
Sammendrag
Den maksimale sikre driftstemperaturen for en PTFE-varmeveksler i ketonholdige-væsker er lavere enn standarden på 260 grader på grunn av gjennomtrengning-indusert svelling og plastisering. For aceton er grensen 120-150 grader avhengig av konsentrasjon. For MEK, 140-165 grader . For MIBK, 160-180 grader . De reduserte mekaniske egenskapene krever reduksjon av den tillatte bøylespenningen for beregninger av krypelevetid. En enkel nedsenkingstest med selve prosessvæsken gir de mest pålitelige designdataene.
Teknisk støtte for PTFE-varmevekslertemperaturgrenser i organiske løsningsmidler er tilgjengelig ved innsending av løsningsmiddelidentitet, konsentrasjon, driftstemperatur og trykk, og eventuelle eksisterende kompatibilitetsdata.
