O ambiente de cloro
Os processos de clorato e cloro{0}}álcalis geram gás cloro, ácido hipocloroso e íons hipoclorito -espécies oxidantes poderosas que atacam a maioria dos polímeros e metais. Os trocadores de calor nesses processos são expostos a fluxos de processo contendo cloro dissolvido em temperaturas elevadas, muitas vezes com baixo pH do subproduto de ácido clorídrico.
ECTFE (copolímero de etileno-clorotrifluoroetileno) é um polímero parcialmente fluorado com a unidade de repetição -CH₂-CFCl-CF₂-. É utilizado em processamento químico por sua excelente resistência química e propriedades mecânicas. O PTFE é totalmente fluorado. Ambos são especificados para serviços com cloro, mas seus mecanismos de resistência e modos de falha diferem significativamente.
O mecanismo de ataque do cloro
O cloro úmido ataca os polímeros através de uma combinação de oxidação e cloração. Moléculas de cloro (Cl₂) se dissolvem em água para formar ácido hipocloroso (HOCl) e ácido clorídrico (HCl). HOCl é um oxidante poderoso. Ele pode abstrair átomos de hidrogênio das ligações C-H na estrutura do polímero, criando radicais que reagem ainda mais com cloro ou oxigênio.
ECTFE contém ligações C-H nas unidades de comonômero de etileno (-CH₂-CH₂-). Estas ligações são vulneráveis à abstração de hidrogênio pelo HOCl. Os radicais de carbono resultantes reagem com o cloro para formar ligações C-Cl, ou com o oxigênio para formar grupos carbonila. A cloração e a oxidação degradam o polímero, causando fragilização e eventual falha.
O PTFE não contém ligações C-H. Todo carbono é totalmente substituído por flúor. Não há átomos de hidrogênio para o HOCl abstrair. As ligações C-F são muito fortes (485 kJ/mol) para serem quebradas pelo cloro ou HOCl. O PTFE é imune ao mecanismo de ataque do cloro que degrada o ECTFE.
| Parâmetro de resistência ao cloro | ECTFE | PTFE |
|---|---|---|
| Ligações C-H no polímero | Sim (unidades de etileno) | Nenhum |
| Ataque por Cl₂ / HOCl úmido | Captação de hidrogênio → cloração e oxidação | Nenhuma reação |
| Temperatura máxima de serviço em Cl₂ úmido (grau) | ~120 (limitado pela taxa de ataque) | 260 (independente-de química) |
| Retenção da resistência à tração após 1 ano em Cl₂ a 80 graus (%) | 60-80 | > 95 |
| Início da fragilização | 6-18 meses (dependendo da temperatura) | Não ocorre |
| Vida útil no processo de clorato (anos) | 2-5 | 10+ |
O efeito da temperatura
A taxa de degradação do ECTFE no serviço com cloro acelera com a temperatura. A 50 graus, o ataque é lento e a vida útil pode chegar a 10 anos. A 80 graus, a taxa é significativamente mais alta e a vida útil é normalmente de 2 a 5 anos. A 100 graus, a falha pode ocorrer dentro de 12 a 18 meses.
A taxa de degradação do PTFE é zero em todas as temperaturas abaixo de 260 graus. A vida útil em serviço com cloro é independente da temperatura dentro da faixa normal do processo. A vida útil do trocador de calor é-limitada por deformação mecânica, e não por ataque químico.
A orientação de aplicação
Para processos de clorato e cloro-álcalis operando em temperaturas abaixo de 60 graus, o ECTFE pode fornecer vida útil adequada a um custo inicial mais baixo do que o PTFE. Para processos acima de 80 graus, ou onde a longa vida útil e a manutenção mínima são prioridades, o PTFE é o material preferido.
A seleção também deve considerar as consequências do fracasso. Em um processo de clorato, um vazamento no trocador de calor pode liberar gás cloro no sistema-de vapor condensado, criando um sério risco à segurança. A vida útil mais longa e previsível do PTFE reduz esse risco.
Resumo
Os trocadores de calor de PTFE são inerentemente resistentes ao gás cloro úmido e às espécies de hipoclorito porque o polímero totalmente fluorado não possui ligações C-H para o ataque do cloro. O ECTFE, com suas unidades de comonômero de etileno, sofre cloração e fragilização progressivas, com vida útil de 2-5 anos a 80 graus. O PTFE oferece 10+ anos de vida útil com resistência química independente da temperatura. Para processos de clorato acima de 80 graus, o PTFE é o material recomendado.
O suporte de engenharia para especificações de trocadores de calor de PTFE em processos contendo-cloro está disponível mediante envio de dados de concentração de cloro, pH, temperatura e vida útil atual do equipamento.
