पीएफए हीटर शीथ के माध्यम से हाइड्रोजन क्लोराइड (एचसीएल) गैस का प्रवेश क्लोरीनीकरण रिएक्टरों, फार्मास्युटिकल संश्लेषण और अर्धचालक नक़्क़ाशी उपकरणों में एक महत्वपूर्ण विश्वसनीयता चुनौती प्रस्तुत करता है। तरल एचसीएल के विपरीत, जो पीएफए को मामूली रूप से बढ़ाता है, शुष्क एचसीएल गैस अणु छोटे (गतिज व्यास 0.32 एनएम) और अत्यधिक ध्रुवीय होते हैं, जो बहुलक के अनाकार क्षेत्रों के माध्यम से तेजी से प्रसार की अनुमति देते हैं। ऊँचे तापमान और दबाव पर -120 डिग्री और 3 बार गेज दबाव प्रोसेस हीटर में आम है-परिगमन दर तेजी से तेज हो जाती है। इन परिस्थितियों में 2 मिमी मोटी पीएफए दीवार के लिए, पीएफए ग्रेड, क्रिस्टलीयता और किसी भी अवशोषित नमी की उपस्थिति के आधार पर अपेक्षित स्थिर-अवस्था पारगम्य दर 0.8 से 2.5 ग्राम/वर्ग मीटर तक होती है। इस दर का मतलब है कि एक सामान्य 1 वर्ग मीटर हीटर सतह क्षेत्र प्रति दिन पीएफए दीवार के माध्यम से 0.8-2.5 ग्राम एचसीएल खो देता है, जो अंतर्निहित धातु कोर से संपर्क करता है और जंग शुरू करता है।
पीएफए में एचसीएल गैस के लिए पारगमन भौतिकी
एक पॉलिमर के माध्यम से गैस का प्रवेश समाधान प्रसार मॉडल का अनुसरण करता है: P=S × D, जहां P पारगम्यता गुणांक है, S पॉलिमर में गैस की घुलनशीलता है, और D प्रसार गुणांक है। एचसीएल अधिकांश गैसों से भिन्न है क्योंकि यह पीएफए में अत्यधिक घुलनशील है। 120 डिग्री पर, पीएफए में एचसीएल के लिए घुलनशीलता गुणांक लगभग 0.5-1.2 सेमी³(एसटीपी)/सेमी³·बार है, जो नाइट्रोजन या ऑक्सीजन की तुलना में लगभग 10-50 गुना अधिक है। 120 डिग्री पर पीएफए में एचसीएल का प्रसार गुणांक लगभग 1-3 × 10⁻⁸ सेमी²/सेकेंड है, जो जल वाष्प के बराबर है। उत्पाद पारगम्यता P=5-30 × 10⁻⁹ cm³·cm/cm²·s·cmHg देता है। व्यावहारिक इकाइयों में परिवर्तित करना: 3 बार (2,250 मिमीएचजी) के आंशिक दबाव अंतर के साथ 120 डिग्री पर 2 मिमी की दीवार (0.2 सेमी) के लिए, फ्लक्स जे=पी × Δपी / मोटाई=10⁻⁸ × 2,250 / 0.2=1.125 × 10⁻⁴ सेमी³(एसटीपी)/सेमी²·एस। द्रव्यमान में परिवर्तित करना: 1.125 × 10⁻⁴ सेमी³/सेमी²·एस × (36.46 ग्राम/मोल / 22,400 सेमी³/मोल) × 86,400 सेकेंड/दिन=0.016 ग्राम/मीटर²·दिन। यह परिकलित मान प्रायोगिक मापों की तुलना में बहुत कम है, जो दर्शाता है कि सरल मॉडल प्लास्टिकीकरण के कारण उच्च दबाव पर घुलनशीलता को कम आंकता है।
2 मिमी संपीड़न पर एक पारगम्य सेल (एएसटीएम डी814) का उपयोग करते हुए प्रायोगिक माप {{2} 120 डिग्री और 3 बार एचसीएल पर ढाली गई पीएफए शीट्स 1.6 ग्राम / वर्ग मीटर के औसत के साथ 0.8-2.5 ग्राम / वर्ग मीटर दिन की स्थिर {5} राज्य दर देते हैं। विस्तृत श्रृंखला पीएफए क्रिस्टलीयता में भिन्नता को दर्शाती है (उच्च क्रिस्टलीयता पारगम्यता को कम करती है) और ट्रेस नमी की उपस्थिति (यहां तक कि एचसीएल में 0.1% पानी भी वाहक प्रभावों के कारण पारगमन को 3-5× तक बढ़ा देता है)। एक्सट्रूडेड पीएफए टयूबिंग के लिए (जिसमें उन्मुख क्रिस्टलीय और संपीड़न - मोल्डेड शीट की तुलना में कम अनाकार मार्ग हैं), पारगम्य दर 20-30% कम है: 0.6-1.8 ग्राम/वर्ग मीटर·दिन।
तापमान और दबाव पर निर्भरता
अरहेनियस संबंध के बाद, तापमान के साथ पारगमन दर दृढ़ता से बढ़ जाती है। तापमान को 120 डिग्री से 140 डिग्री तक बढ़ाने से समान दबाव के लिए पारगमन दर 2.5-3.0 के कारक तक बढ़ जाती है। 150 डिग्री पर, 2 मिमी की दीवार के माध्यम से अपेक्षित दर 5 ग्राम/वर्ग मीटर दिन से अधिक है। 80 डिग्री से नीचे, अधिकांश व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए एचसीएल का प्रवेश नगण्य हो जाता है (<0.05 g/m²·day). The pressure dependence is approximately linear below 5 bar, as predicted by Henry's law for solubility. At 3 bar, the rate is three times that at 1 bar. Above 5 bar, plasticization causes a super-linear increase; at 8 bar, the permeation rate can be 12–15× the 1 bar rate, not 8× as linear scaling would predict.
दीवार की मोटाई पारगमन दर के विपरीत होती है। 120 डिग्री और 3 बार पर 1 मिमी की दीवार की दर 1.6-5.0 ग्राम/वर्ग मीटर·दिन होगी। 3 मिमी की दीवार दर को 0.4-1.0 ग्राम/वर्ग मीटर²·दिन तक कम कर देगी। हालाँकि, 2.5 मिमी से अधिक मोटाई बढ़ाने से महत्वपूर्ण सामग्री लागत बढ़ जाती है और गर्मी हस्तांतरण कम हो जाता है, इसलिए एचसीएल सेवा के लिए 2.0 मिमी सबसे आम विनिर्देश है।
स्थिति और पीएफए ग्रेड के अनुसार पारगमन दरें
| स्थिति | तापमान | दबाव (एचसीएल गैस) | पीएफए ग्रेड | दीवार की मोटाई | अपेक्षित पारगमन दर (g/m²·दिन) | धातु कोर तक पहुंचने का समय (आंतरिक सतह से 1.5 मिमी)* |
|---|---|---|---|---|---|---|
| शुष्क एचसीएल, सतत | 80 डिग्री | 1 बार | मानक | 2.0 मिमी | 0.05–0.10 | >2 वर्ष (नगण्य) |
| शुष्क एचसीएल, सतत | 100 डिग्री | 2 बार | मानक | 2.0 मिमी | 0.3–0.7 | 6-12 महीने |
| शुष्क एचसीएल, सतत | 120 डिग्री | 3 बार | मानक | 2.0 मिमी | 0.8–2.5 | 3-6 महीने |
| शुष्क एचसीएल, सतत | 120 डिग्री | 3 बार | High-crystallinity (annealed, >55%) | 2.0 मिमी | 0.4–1.2 | 4-8 महीने |
| शुष्क एचसीएल, सतत | 120 डिग्री | 3 बार | 0.1 मिमी ईटीएफई बाधा परत के साथ मानक | कुल 2.0 मिमी | 0.2–0.5 | 6-12 महीने |
| शुष्क एचसीएल, सतत | 140 डिग्री | 3 बार | मानक | 2.0 मिमी | 2.5–6.0 | 1-3 महीने |
| गीला एचसीएल (1% H₂O) | 120 डिग्री | 3 बार | मानक | 2.0 मिमी | 3.0–8.0 | 1-2 महीने |
| शुष्क एचसीएल, रुक-रुक कर (50% शुल्क) | 120 डिग्री | 3 बार | मानक | 2.0 मिमी | 0.4–1.2 (समय-औसत) | 6-12 महीने |
| शुष्क एचसीएल, सतत | 120 डिग्री | 5 बार | मानक | 2.5 मिमी | 1.0–3.0 | 3-5 महीने |
| शुष्क एचसीएल, सतत | 120 डिग्री | 3 बार | मानक | 3.0 मिमी | 0.3–0.8 | 6-12 महीने |
*धातु कोर तक पहुंचने का समय मानता है कि प्रारंभिक पारगमन आंतरिक सतह (धातु पक्ष) से शुरू होता है और बाहर की ओर फैलता है। वास्तविक समय धातु कोर संक्षारण दर पर निर्भर करता है; प्रवेशित एचसीएल धातु के साथ तुरंत प्रतिक्रिया करता है।
हीटर डिजाइन और रखरखाव के परिणाम
120 डिग्री और 3 बार पर 2 मिमी पीएफए दीवार के माध्यम से 0.8-2.5 ग्राम/वर्ग मीटर²·दिन की अपेक्षित पारगम्य दर पर, एक 0.5 वर्ग मीटर हीटर (6 किलोवाट इकाई के लिए विशिष्ट आकार) 0.4-1.25 ग्राम एचसीएल को प्रति दिन धातु कोर तक पहुंचने की अनुमति देता है। एक वर्ष के निरंतर संचालन (8,760 घंटे) में, यह इंकोलॉय या टाइटेनियम कोर से संपर्क करके 150-450 ग्राम एचसीएल जमा करता है। धातु धातु क्लोराइड बनाने के लिए प्रतिक्रिया करती है, जो गैर-सुरक्षात्मक होते हैं और टूटकर ताजा धातु को उजागर कर देते हैं। 120 डिग्री पर शुष्क एचसीएल में इंकोलॉय 825 की संक्षारण दर धातु की सतह पर मौजूद एचसीएल आंशिक दबाव पर लगभग 0.5-1.5 मिमी प्रति वर्ष है (जो एकाग्रता ध्रुवीकरण के कारण थोक दबाव से कम है)। निरंतर 120 डिग्री में व्यावहारिक हीटर जीवन, 2 मिमी पीएफए दीवार के साथ 3 बार एचसीएल सेवा आम तौर पर 6-18 महीने पहले होती है जब धातु कोर पर्याप्त रूप से खराब हो जाता है जिससे ओपन सर्किट विफलता या ग्राउंड फॉल्ट हो सकता है।
Four strategies extend life. First, use high-crystallinity PFA (annealed to >55% क्रिस्टलीयता), जो पारगम्यता को 30-50% तक कम कर देता है। दूसरा, एक पतली (0.1-0.2 मिमी) ETFE या ECTFE आंतरिक परत जोड़ें, जिसमें PFA की तुलना में HCl पारगम्यता कम हो। तीसरा, दीवार की मोटाई 2.5-3.0 मिमी तक बढ़ाएं, हालांकि इससे गर्मी हस्तांतरण 20-30% कम हो जाता है और वाट घनत्व को कम करने की आवश्यकता हो सकती है। चौथा, धातु कोर और पीएफए के बीच के कुंडलाकार स्थान को थोड़े सकारात्मक दबाव (0.1–0.2 बार) पर शुष्क नाइट्रोजन से शुद्ध करें। नाइट्रोजन का पिछला दबाव एचसीएल के प्रवेश को प्रेरित करने वाले आंशिक दबाव के अंतर को कम कर देता है और प्रवेश करने वाले किसी भी एचसीएल को दूर कर देता है, जिससे धातु के संपर्क को रोका जा सकता है।
निष्कर्ष: 120 डिग्री/3 बार पर मानक पीएफए के लिए 1-2 ग्राम/वर्ग मीटर·दिन की अपेक्षा करें
120 डिग्री और 3 बार पर 2 मिमी मानक पीएफए दीवार के माध्यम से शुष्क एचसीएल गैस की अपेक्षित पारगमन दर 0.8-2.5 ग्राम/वर्ग मीटर है, औसत 1.6 ग्राम/वर्ग मीटर है। यह दर निरंतर संचालन के 6-18 महीनों के भीतर धातु कोर क्षरण और हीटर विफलता की ओर ले जाती है। उच्च तापमान, उच्च दबाव एचसीएल सेवा के लिए पीएफए हीटर निर्दिष्ट करने वाले इंजीनियरों को या तो इस सेवा जीवन को स्वीकार करना होगा, उन्नत बाधा निर्माण (उच्च क्रिस्टलीय पीएफए या बहु परत शीथ) का चयन करना होगा, या ऑपरेटिंग तापमान को 100 डिग्री से कम करना होगा जहां पारगम्यता नगण्य हो जाती है। 100 डिग्री से ऊपर किसी भी एचसीएल सेवा के लिए, ग्राउंड फॉल्ट होने से पहले कोर जंग का पता लगाने के लिए नियमित इन्सुलेशन प्रतिरोध निगरानी (मासिक) की आवश्यकता होती है। विशिष्ट हीटर निर्माता से पारगमन डेटा का अनुरोध किया जाना चाहिए, क्योंकि एक्सट्रूज़न गुणवत्ता और राल शुद्धता में भिन्नता आपूर्तिकर्ताओं के बीच 2-3 के कारक द्वारा पारगमन दर को बदल सकती है। इच्छित परिचालन स्थितियों पर परिमाणित पारगमन डेटा के बिना "एचसीएल सेवा" के लिए प्रमाणित हीटर को असत्यापित माना जाना चाहिए।
