El desafío de la permeación del cloro
En las plantas de cloro-álcali, los intercambiadores de calor manejan cloro gaseoso húmedo a temperaturas de 80-100 grados. El cloro es corrosivo y tóxico. El material del intercambiador de calor debe resistir el ataque químico y también debe minimizar la permeación de cloro a través de la pared del tubo. El cloro que penetra a través de los tubos ingresa al sistema de vapor-condensado, donde forma ácido clorhídrico y ácido hipocloroso, corroyendo los componentes metálicos aguas abajo y creando un peligro para la seguridad.
Tanto el PTFE como el FEP son polímeros totalmente fluorados con una excelente resistencia química al cloro. Ambos son candidatos para este servicio. Sus tasas de permeación al cloro difieren significativamente debido a diferencias en cristalinidad, volumen libre y estructura molecular. La diferencia puede determinar qué material proporciona una vida útil y seguridad aceptables.
La relación de cristalinidad-permeación
La permeación de gas a través de un polímero se produce sólo a través de las regiones amorfas. Las regiones cristalinas son impermeables-las cadenas están demasiado apretadas para que pasen las moléculas de gas. La tasa de permeación global es proporcional a la fracción amorfa y al coeficiente de difusión a través de esa fracción.
El PTFE tiene una cristalinidad del 50-70%. FEP tiene una cristalinidad del 30-45%. La fracción amorfa del FEP es entre un 50 y un 70% mayor que la del PTFE. La vía de difusión de las moléculas de cloro es correspondientemente mayor.
El cloro gaseoso (Cl₂) es una molécula relativamente grande con un diámetro cinético de aproximadamente 4,2 Å. Se difunde lentamente a través del volumen libre limitado de la fase amorfa. En FEP, la fracción amorfa más grande y la estructura ligeramente más abierta (debido a los grupos laterales -CF₃ en la cadena polimérica) dan como resultado un coeficiente de difusión más alto que en PTFE.
La combinación de una fracción amorfa más grande y un coeficiente de difusión más alto le da al FEP una tasa de permeación aproximadamente 2-3 veces mayor que la del PTFE a la misma temperatura.
| Parámetro de permeación | PTFE | FEP |
|---|---|---|
| Cristalinidad (%) | 55-65 (típico) | 35-42 (típico) |
| Fracción amorfa (%) | 35-45 | 58-65 |
| Coeficiente relativo de difusión de Cl₂ | 1,0 (línea de base) | 1.3-1.6 |
| Tasa relativa de permeación de Cl₂ a 100 grados | 1,0 (línea de base) | 2.0-3.0 |
| Tasa de permeación a 100 grados, 1 bar ΔP (cm³·mm/m²·día·bar) | 0.8-1.5 | 2.0-4.5 |
| Efecto del aumento de temperatura de 20 grados | Permeación ~2× | Permeación ~2× |
La aceleración de la temperatura
La tasa de permeación aumenta exponencialmente con la temperatura. La energía de activación para la permeación del cloro a través de PTFE y FEP es de aproximadamente 30-40 kJ/mol. La tasa aproximadamente se duplica por cada aumento de temperatura de 20 grados. A 80 grados, las tasas de permeación son aproximadamente la mitad de los valores a 100 grados. A 120 grados, son aproximadamente el doble.
Para procesos que operan cerca del extremo superior del rango de temperatura, la tasa de permeación más alta del FEP puede resultar inaceptable. La concentración de cloro en el sistema de vapor-condensado puede exceder los límites de seguridad o la tasa de corrosión aguas abajo puede volverse excesiva. La menor tasa de permeación del PTFE proporciona un margen de seguridad.
La implicación de seguridad y mantenimiento
El cloro que penetra a través de la pared del tubo no causa falla inmediata. Se acumula en el sistema de vapor-condensado con el tiempo. El primer indicio de un problema puede ser la corrosión de una tubería de retorno de condensado o de una trampa de vapor, o un olor a cloro durante el mantenimiento. Para entonces, el daño ya está hecho.
La menor tasa de permeación del PTFE reduce la entrada de cloro acumulativo durante la vida útil del equipo. Los componentes del sistema de vapor-condensado duran más. La carga de mantenimiento es menor. Se reduce el riesgo de seguridad por exposición al cloro.
La selección de PTFE en lugar de FEP para el servicio de cloro se basa en la diferencia en la tasa de permeación y sus consecuencias a largo plazo-para todo el sistema, no solo para el intercambiador de calor en sí.
Resumen
Los tubos intercambiadores de calor de FEP tienen una tasa de permeación de cloro 2-3 veces mayor que la de PTFE a 100 grados, debido a la menor cristalinidad y la estructura molecular más abierta del FEP. La mayor tasa de permeación aumenta la entrada de cloro al sistema de vapor-condensado, lo que acelera la corrosión de los componentes posteriores y aumenta el riesgo de seguridad. La menor tasa de permeación del PTFE proporciona una protección superior del sistema a largo plazo. Para servicios de cloro por encima de 80 grados, el PTFE es el fluoropolímero preferido.
El soporte de ingeniería para la selección de fluoropolímeros en servicios de cloro y halógenos está disponible previa presentación de la composición del gas, la temperatura y presión de funcionamiento, los materiales del sistema aguas abajo y el historial de corrosión.
