VCM リボイラーにおける重合汚れの問題
塩化ビニルモノマーリボイラーは、加熱された表面上でフリーラジカル側流重合を起こす反応性モノマーに連続的に曝露されながら 60 度から 90 度で作動します。-ポリマーの堆積物は熱伝達を低下させ、圧力降下を増大させ、制御されていない発熱による安全上の危険を引き起こします。ヒーター材料の表面エネルギーは、ポリマー核が付着して成長するまでに表面がどれくらいの時間きれいな状態を保つかを直接決定します。 18 台の VCM 生産ユニットからの比較データは、18 ダイン/cm の表面エネルギーを持つ PFA- でコーティングされた表面は、コーティングされていないステンレス鋼または炭素鋼の表面と比較して、堆積物付着の誘導時間を 6 ～ 10 倍延長することを示しています。
表面エネルギーとポリマー核生成熱力学
表面への塩化ビニルポリマー核の接着は、ヤング-デュプレの式に従います。ここで、接着仕事 W= _sv + _lv - _sl。固体表面エネルギー (_sv) が低いと、ポリマー堆積の熱力学的駆動力が減少します。コーティングされていない炭素鋼は、45 ～ 55 ダイン/cm の表面エネルギーを示します。ステンレス鋼の寸法は、仕上げに応じて 35 ～ 45 ダイン/cm です。 PFA は臨界表面張力が 18 ダイン/cm であり、入手可能な固体表面の中で最もエネルギーが低いものの 1 つです。- 75 度の VCM を使用した実験室の汚れテストでは、曝露後 30 分以内にポリマー核がコーティングされていないステンレス鋼に付着し、2 時間後には目に見える堆積物の形成が見られることが示されています。 PFA 表面では、同じテストでは 6 時間では測定可能な接着が示されず、最初に検出可能な核が 8 ～ 10 時間で出現しました。誘導時間が延長されることで、洗浄サイクル間のリボイラーの稼働時間を長くすることができます。
導入後の預金増加率
誘導期間が終了し、最初のポリマー核が付着すると、その後の成長速度も表面エネルギーに依存します。コーティングされていない炭素鋼では、典型的な VCM リボイラー条件下で堆積物の厚さは 1 日あたり 0.8 mm 増加します。ステンレス鋼では、1 日あたり 0.4 ～ 0.6 mm の成長速度が一般的です。 PFA 表面では、誘導後の成長速度は 1 日あたり 0.08 ～ 0.12 mm であり、ステンレス鋼と比較して 5 分の 1 です。{6}}表面エネルギーが低いため、ポリマー前駆体が表面全体に広がるのを防ぎ、成長を孤立したアイランドに限定します。アイランドは小さいままで、通常のプロセス フローせん断によって容易に除去されます。 VCM に 14 日間暴露した後の PFA 表面の電子顕微鏡検査では、直径 50 ～ 100 ミクロンの散乱ポリマー小塊が見られますが、同一条件下のステンレス鋼表面では厚さ 800 ミクロンの連続ポリマー膜が見られます。
VCM サービス下の表面エネルギーの安定性
PFA の 18 ダイン/cm の表面エネルギーは、表面近くの層へのモノマーの吸収により表面特性が変化する可能性があるため、塩化ビニル モノマーの使用では永続的に安定しません。-。 80 度の VCM に 30 日間浸漬した PFA サンプルの接触角測定では、表面エネルギーが 18 ダイン/cm から 23 ダイン/cm に増加していることがわかります。この増加は、化学的劣化ではなく、極性末端基の表面再配向によって起こります。この増加にもかかわらず、表面のエネルギーはコーティングされていない金属よりも大幅に低いままであり、汚れの減少に関する実際的な利点は持続します。 60 日間浸漬した後でも、PFA はステンレス鋼と比較して堆積物の付着力が 60% ～ 70% 減少しています。 12 か月の稼働期間向けに設計されたリボイラーの場合、PFA の利点はキャンペーン全体を通じて引き続き顕著です。
表面タイプ別の汚れ性能の比較
| リボイラー表面材質 | 表面エネルギー (ダイン/cm) | デポジット付着誘導時間（75℃時間） | 導入後の成長率（mm/日）- | クリーニング前の推定実行時間 (日) |
|---|---|---|---|---|
| PFAコーティング | 18～23 | 8～10 | 0.08～0.12 | 45～60 |
| 電解研磨ステンレス鋼（Ra0.4μm） | 35～40 | 1.5～2.0 | 0.35～0.50 | 10～14 |
| 標準ステンレス鋼（Ra0.8μm） | 38～42 | 1.0～1.5 | 0.40～0.60 | 7～10 |
| 炭素鋼 | 45～55 | 0.3～0.5 | 0.70～0.90 | 3～5 |
低い表面エネルギーによる流体力学的せん断相互作用
PFA の表面エネルギーによる汚れの減少と流速を組み合わせて、実際のリボイラーの稼働時間を決定します。チューブ-側の速度が 1.5 m/s を超える VCM リボイラーでは、誘導期間が終了した後でも、8 ～ 12 Pa のせん断応力により、弱く付着したポリマーの塊がかなりの厚さに成長する前に除去されます。 0.6 m/s 未満の低速では、2 ～ 4 Pa のせん断応力ではポリマーを PFA 表面から剥離できず、表面エネルギーが低いにもかかわらず最終的には堆積物が蓄積します。 VCM リボイラーの PFA コーティングを評価するプロセス エンジニアは、まず最小速度が 0.8 m/s を超えていることを確認する必要があります。このしきい値を下回る速度の場合、PFA は、より高い流量で見られる 6 倍から 10 倍ではなく、ランレングスを 3 倍から 4 倍に延長します。
壁の厚さと表面エネルギーの利点との相互作用
PFA の壁の厚さは表面エネルギーに直接影響しませんが、壁が厚いと、最終的に堆積物が蓄積した場合に、より強力な機械的洗浄が可能になります。ハイドロブラストにアクセス可能なリボイラーの場合、2.5 mm PFA 壁は損傷することなく 3000 psi のウォーター ジェット洗浄に耐えますが、1.5 mm 壁ではポリマーの浸食を防ぐために 1500 psi 未満の圧力が必要です。清掃間隔によって壁の厚さの要件が決まります。 30 日ごとに清掃を計画している施設では、1.8 mm の壁を使用できます。洗浄間隔が 60 日間に及ぶ施設では、より積極的な除去が必要な厚い堆積物層に対応するために、2.2 mm から 2.5 mm を指定する必要があります。
VCM リボイラー設計の仕様ガイダンス
側流重合防止のために PFA コーティングを選択するには、表面エネルギーの検証と最小の壁厚の両方を指定する必要があります。脱イオン水とジヨードメタンを使用してサプライヤーに接触角測定を依頼し、Owens-Wendt 法で表面エネルギーを計算し、出荷前に値が 22 ダイン/cm 未満であることを確認します。新しいリボイラー構造の場合、ポリマーの核生成は金属-ポリマーの遷移時に優先的に発生するため、チューブシートやチャネルヘッドを含むすべての接液面に PFA コーティングを指定してください。ヒーター表面のみに PFA を適用する改造用途の場合は、リボイラー内の他の場所にある露出した金属表面がポリマーの核生成サイトとなり、その後ヒーターに広がるため、6 倍から 10 倍までのランレングス延長ではなく、3 倍から 4 倍までのランレングスの延長を期待してください。 PFA コーティングとプロセスの最適化 (酸素侵入の低減、抑制剤の追加) の組み合わせにより、信頼性の高い最長の稼働時間が実現され、適切に設計されたシステムの洗浄間隔は 90 日を超えるという業界の報告があります。
