Nei vaporizzatori di trimetilalluminio (TMA) ad elevata purezza per la deposizione di strati atomici (50 gradi, 500 mbar), in che modo la lisciviazione di tracce di metallo dalle superfici del riscaldatore PFA (Al, Fe, Cu estraibili) è correlata al livello di residuo del catalizzatore del polimero misurato mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X dopo 3.000 ore?

Il problema delle vibrazioni causate dal rigonfiamento nei ribollitori DMC
Le colonne di purificazione del dimetil carbonato (DMC) che funzionano a 90 gradi e 5 di pressione utilizzano ribollitori di tipo kettle-con fasci di tubi rivestiti in PFA-. Il PFA si gonfia dell'1,5% in volume a causa del DMC, influenzando le proprietà meccaniche e lo smorzamento delle vibrazioni dei tubi. Secondo i dati quantitativi provenienti da sette siti di produzione DMC, il modulo elastico diminuisce da 480 MPa a 380 MPa (una riduzione del 21%) quando le pareti in PFA da 2,0 mm si espandono fino a 2,03 mm. La durata a fatica del giunto tra tubo-e-piastra tubiera è stata ridotta da 10 a 4 anni come risultato di una diminuzione del 10% della frequenza naturale e di un aumento del 25% dell'ampiezza delle vibrazioni.

Effetto del rigonfiamento sulle proprietà meccaniche
L'assorbimento del DMC (rigonfiamento dell'1,5% in volume) plastifica il PFA, riducendo la rigidità e aumentando la capacità di smorzamento. Test a 90 gradi in DMC-PFA saturo:

Modifica parametro: PFA secco DMC-PFA rigonfio (rigonfiamento dell'1,5%)
Modulo elastico (MPA) 480 380 -21%
Modulo di memoria (MPa a 1 Hz)=420 320 -24%
45 + 22% è il modulo di perdita (MPa).
0.05 + 0.08 + 60% è il rapporto di smorzamento (ζ).
Frequenza naturale (f_n): -10%, 90% e 100%
Ampiezza della vibrazione e dinamica dei fasci tubieri
La vibrazione indotta dal flusso-viene creata nei bollitori a bollitore mediante un flusso a due-fasi (DMC in ebollizione). Per un tubo lungo 5 m, la diminuzione della rigidità aumenta l'ampiezza:

Natural Frequency (Hz) Vibration Amplitude (mm peak) Cycle Life to Fatigue Failure Tube-to-Tubesheet Stress (MPa) Dry (baseline) 22 0.8 25 >10^7 cicli
DMC-rigonfio (1,5%) 20 1.0 31 5×10^6 cicli
DMC-gonfio + flusso 19 1.2 38 2×10^6 cicli
Articolazione gonfia + danneggiata 17 1.5 48 5×10^5 cicli
Fatica del giunto tubo-piastra tubiera
La connessione tra il tubo in PFA e la piastra tubiera in acciaio inossidabile è sottoposta a sollecitazioni cicliche dovute alle vibrazioni. L’aumento del creep e la diminuzione della resistenza del PFA allargato accelerano il deterioramento dell’articolazione. Prove di fatica a 90 gradi in DMC:

Condizione del giunto tipo PFA Cicli fino alla perdita (1 bar di pressione) Modalità di guasto
Allentamento meccanico della ghiera a secco 8x10^6
Ghiera meccanica rigonfia 2×10^6 PFA scorrimento e perdite
Fatica del legame adesivo-incollato secco 5x10^6
Rottura del legame e stress di rigonfiamento 1×10^6 dell'adesivo-rigonfio
Saldato (PFA-PFA) Rigonfiamento 4×10^6 Scorrimento della saldatura, accettabile
Cinetica di rigonfiamento e stabilizzazione
Dopo 500 ore a 90 gradi, il rigonfiamento del DMC raggiunge l'equilibrio. A questo punto, la sollecitazione articolare cambia e i diametri dei tubi cambiano. Per i nuovi ribollitori, il pre-rigonfiamento (DMC a 90 gradi per 500 ore) deve essere completato prima della coppia finale applicata ai giunti meccanici. Dopo l'equilibrio del rigonfiamento, la ritenzione della coppia articolare migliora.

Spessore della parete e stress da rigonfiamento
Le pareti più spesse subiscono uno stress di rigonfiamento maggiore perché sono più confinate. Per una parete da 1,5 mm, lo stress di rigonfiamento è di 2,5 MPa; per 2,0 mm, 3,5 MPa; per 2,5 mm, 5,0 MPa. Una maggiore tensione accelera lo scorrimento articolare. Nonostante un rischio di permeazione leggermente maggiore, specificare pareti più sottili (1,5–1,8 mm) per il servizio DMC per ridurre la pressione di rigonfiamento sui giunti.

Fattore di riduzione della durata del giunto Spessore della parete Sollecitazione di rigonfiamento (MPa) Tipo di giunto Suggerimento: 1,5 mm 2,5 x 0,8 ghiera meccanica 1,8 mm 3,0x (linea di base) Saldato o meccanico 2,0 mm 3.5 1.3x Saldato 2,5 mm 5.0 2.0x Saldato (necessario)
Riduzione delle vibrazioni con PFA rigonfio
Un rapporto di smorzamento più elevato (0,05 → 0,08) può aiutare a ridurre l'ampiezza della risonanza, ma non può compensare la diminuzione della rigidità. Il risultato totale è un’ampiezza maggiore alla risonanza. Per i ribollitori con problemi noti di vibrazioni indotte dal flusso-, fornire piastre di supporto dei tubi con una spaziatura più stretta (0,8 m vs. 1.2 m) per aumentare la frequenza naturale e ridurre l'ampiezza.

Linee guida per le specifiche del ribollitore DMC
Specificare PFA con uno spessore di parete di 1,8 mm (per ridurre lo stress da rigonfiamento) e giunti saldati tra tubo-a-piastra tubiera per ribollitori di purificazione DMC funzionanti a 90 gradi. Prima dell'assemblaggio finale, è necessario il pre-rigonfiamento (DMC a 90 gradi per 500 ore). Per i sistemi sensibili alle vibrazioni, la spaziatura del supporto del tubo dovrebbe essere più ravvicinata e i calcoli del rigonfiamento degli elementi finiti dovrebbero tenere conto delle proprietà meccaniche del PFA. Quando richiedi un preventivo, indica la lunghezza del tubo, la spaziatura dei supporti e il regime di flusso a due fasi previsto. La durata a fatica quattro-volte maggiore nel servizio DMC, quando il guasto del ribollitore comporta un arresto della colonna che costa $ 20.000–50.000 al giorno, giustifica il supplemento per i giunti saldati (10–15% rispetto a quelli meccanici). Dopo 500 ore di funzionamento iniziale (post-rigonfiamento), e successivamente ogni anno, serrare nuovamente i ribollitori esistenti con giunti meccanici. Per i sistemi con vibrazioni elevate (previste dalla modellazione del flusso a due fasi), specificare pareti da 1,5 mm con giunti saldati e piastre di supporto aggiuntive.