PTFE 熱交換器と ECTFE 熱交換器では、パルプや紙の漂白に対する二酸化塩素耐性がどのように異なりますか?

二酸化塩素環境

二酸化塩素は、現代の紙パルプ工場で主に使用されている漂白剤です。還元電位0.95Vの強力な酸化剤で、セルロースを保存しながらリグニンを酸化することができます。また、ほとんどのポリマーや金属に対して強力な腐食性を示します。

漂白プロセスでは、熱交換器が濃度 5 ～ 15 g/L、温度 50 ～ 75 度、pH 2 ～ 4 の ClO2 にさらされます。強力な酸化力、高温、酸性 pH の組み合わせにより、建築材料にとって厳しい環境が生み出されます。

PTFE と ECTFE の 2 つのフッ素ポリマーがこのサービスの候補です。どちらも耐薬品性として販売されています。それらの分子構造は、長期使用における二酸化塩素に対する耐性に重大な影響を与える点で異なります。

分子構造の違い

PTFE はポリ(テトラフルオロエチレン)、つまりフッ素原子が完全に飽和した炭素主鎖です。酸化される可能性のあるすべての炭素-水素結合は炭素-フッ素結合に置き換えられています。 C-F 結合の解離エネルギーは約 485 kJ/mol です。二酸化塩素は、その強力な酸化力にもかかわらず、この結合を破壊することができません。

ECTFE はポリ(エチレン-コ-クロロトリフルオロエチレン): エチレンとクロロトリフルオロエチレンの 1:1 交互共重合体です。主鎖の炭素原子の半分は、フッ素や塩素ではなく水素原子を持っています。 C-H 結合の解離エネルギーは約 410 kJ/mol-C-F 結合よりも大幅に低くなります。

二酸化塩素サービスでは、ECTFE の C-H 結合が酸化攻撃のポイントとなります。二酸化塩素はポリマー主鎖から水素原子を引き抜き、炭素ラジカルを生成します。ラジカルは酸素または水と反応してカルボニル基とカルボキシル基を形成します。チェーンの切断が続きます。表面ポリマーの分子量が減少します。材料が脆くなり、微小な亀裂が形成され、最終的には表面が侵食されます。

表 1: 二酸化塩素耐性の比較 (10 g/L ClO₂、pH 3、70 度)

温度の加速

二酸化塩素中での ECTFE の酸化分解はアレニウス反応速度論に従い、温度が 10 度上昇するごとに速度は約 2 倍になります。 50 度の場合、ECTFE は 5 ～ 8 年間使用できます。 70度では寿命が2～4年に短くなります。 80 度では、12 ～ 18 か月以内に故障が発生する可能性があります。

PTFE の酸化速度は 260 度以下のすべての温度でゼロです。耐用年数は二酸化塩素の濃度や温度には影響されません。寿命を制限する要因は、化学的劣化ではなく、蒸気圧力による機械的クリープです。-

反応速度を最大化するために漂白ラインを温度範囲の上限で運転するパルプおよび製紙工場にとって、PTFE は、ECTFE が徐々に消費される信頼性の高い長期サービスを提供します。{0}

経済計算

ECTFE は、1 キログラム当たりのコストが PTFE よりも安く、熱伝導率がわずかに高いため、所定の用途で熱交換器の表面積を小さくすることができます。 ECTFE の初期設備コストは、通常、同等の PTFE の 60 ～ 80% です。

ただし、二酸化塩素中での ECTFE の耐用年数は有限であるため、2 ～ 5 年ごとに交換する必要があります。交換コストには、新しい交換器だけでなく、設置作業や生産のダウンタイムも含まれます。 10 年間の工場稼働サイクルにわたって、ECTFE 交換器は 2 ～ 4 回交換されます。 PTFE 交換器の交換は 0 回です。

合計ライフサイクル コスト-初期設備と交換イベント-）を考えると、60 度を超える温度での連続漂白サービスでは PTFE が 2 ～ 3 倍有利になります。

まとめ

PTFE には酸化剤が攻撃する炭素水素結合がないため、PTFE は二酸化塩素漂白サービスにおいて ECTFE よりも優れた性能を発揮します。{0} ECTFE のエチレン コモノマーは C-H 結合を提供し、これが徐々に酸化され、通常の漂白温度では 2 ～ 5 年以内に表面の脆化、微小亀裂、最終的には故障につながります。-

PTFE の高い初期コストは、漂白ラインの稼働期間中に交換イベントを排除することで回収できます。 60 度を超える温度で稼働する工場では、二酸化塩素の使用に適したフッ素ポリマーとして PTFE が使用されます。

漂白熱交換器の材料選択のための工学分析は、ClO2 濃度、動作温度、pH、電流交換器の耐用年数データ、および工場生産スケジュールの制約を提出すると利用できます。