¿Cuál es el efecto de la despresurización rápida en un calentador de PFA que ha estado funcionando a 2 bar?

En sistemas presurizados como autoclaves, reactores de presión o tanques sellados, los calentadores de PFA están diseñados para funcionar con la presión interna igualada con la del sistema. Durante la despresurización rápida del sistema (ruptura de vacío o ventilación de emergencia), se invierte el diferencial de presión a través de la vaina de PFA. En condiciones normales de funcionamiento a 2 bar (abs), la presión en el calentador (el espacio entre el PFA y el núcleo) es aproximadamente igual a la presión del sistema. Si se ventila rápidamente a 1 bar (atmosférico), la presión del sistema aumentará a 1 bar, pero la presión en el espacio anular del calentador puede permanecer en 2 bar durante segundos a minutos, dependiendo de la permeación y las rutas de ventilación. Esto provoca una diferencia de presión de hasta 1 bar (14,5 psi) desde el interior al exterior, lo que pone la funda de PFA en tensión circular. Para un calentador de PFA con 25 mm de diámetro exterior y 2 mm de pared, una diferencia de 1 barra produce una tensión circular=PD / (2 t)=0.1 25 / (2 2)=2.5 / 4=0.625 MPa, muy por debajo de la resistencia a la tracción del PFA (12–15 MPa). Por tanto, un incidente de despresurización no es catastrófico. Sin embargo, una despresurización rápida y repetida (cientos de ciclos) provoca grietas por fatiga. El efecto es acumulativo: las microfisuras se inician en el contacto después de 500 a 2000 ciclos y progresan hasta la permeación y, finalmente, el fallo.

Diferenciales de tensión y presión en la despresurización.
El proceso principal no es la tensión circular debida al diferencial de presión, sino el rápido enfriamiento que comúnmente acompaña a la despresurización. La expansión adiabática y el enfriamiento ocurrirán durante la despresurización en servicio de vapor o vapor. Si el sistema tiene vapor saturado a 2 bar (120 grados), la ventilación rápida a 1 bar inmediatamente reduce la temperatura a 100 grados (mediante expansión). El calentador de PFA a 120 grados recibe un choque térmico de 20 grados. La combinación de diferencia de presión (tensión circular de 0,625 MPa) y choque térmico (gradiente de temperatura a través de la pared) provoca una tensión máxima mayor en la interfaz metálica del PFA-. Un enfriamiento de 20 grados con un diferencial de presión de 1 bar-acercándose al límite de fatiga da como resultado una tensión máxima de 3 a 5 MPa utilizando el análisis de elementos finitos.

Para sistemas sin-vapor (solo líquido), la despresurización no enfría ya que los líquidos son casi incompresibles. Sin embargo, los gases disueltos pueden salir de la solución y producir burbujas que colapsan en la superficie del PFA (cavitación). La erosión por cavitación (ver Artículo #13) es más destructiva que el diferencial de presión por sí solo.

El peor de los casos es una despresurización rápida de un sistema saturado caliente en el que el PFA ha absorbido agua o vapor ácido. A medida que cae la presión, los volátiles absorbidos se convierten en vapor dentro de la pared de PFA, generando ampollas internas (ver Artículo #61). A 120 grados, el PFA saturado con agua es susceptible de formar ampollas con una diferencia de 1 bar.

Resumen de efectos por tipo de sistema
Tipo de sistema Condiciones de operación Tasa de despresurización Esfuerzos primarios Daño del PFA Falla del mecanismo Ciclos críticos
Sólo líquido (sin gas en solución) 2 bar, 80 grados Rápido (<1 sec) Hoop tension 0.6 MPaNone (too little tension) >10.000 (fatiga no significativa)
Líquido con aire disuelto 2 bar, 80 grados Cavitación rápida por desgasificación Picaduras en la superficie 1.000–5.000
Vapor saturado 2 bar, 120 grados Rápido Choque térmico (20 grados) + aro Fatiga de interfaz 500–2000
Superheated water (>100 grados) 2 bar, 120 grados Parpadeo rápido para vaporizar en PFA Formación de ampollas internas 200–1000
Vapor ácido + vapor 2 bar, 130 grados Rápido Permeación del vapor ácido destellos + calor Formación de ampollas + grietas 100–500
Cualquiera con permeado empapado en PFA Cualquiera Generación de vapor interno Ampollas Saturadas: evento único-
Cuantificación del efecto de la despresurización repetida
Ejemplo: Calentador PFA en servicio de vapor saturado a 120 grados, 2 bar, 10 despresurizaciones rápidas por día. (por ejemplo, ciclos por lotes diarios con ventilación) Esperanza de vida:

Sin despresurización: vida útil de 5 a 8 años (ciclado térmico)

Con descompresión: Vida 1-3 años

La reducción se debe a la combinación de choque térmico (debido al enfriamiento adiabático) y tensión circular. Si el vapor está sobrecalentado (sin agua líquida), el enfriamiento es menos severo ya que no se libera calor latente. El vapor sobrecalentado a 150 grados, 2 bar, enfriándose a 120 grados durante la despresurización (disminución de 30 grados) inducirá estrés térmico adicional.

La despresurización rápida tiene poco efecto en sistemas sólo líquidos (sin vapor). La tensión circunferencial de 0,6 MPa está muy por debajo de los 5 a 10 MPa típicos del ciclo térmico. La tensión principal es causada por la expansión diferencial en calentamiento/enfriamiento, no por la presión.

Despresurización-Mitigación de sistemas propensos
Si no se puede evitar una despresurización rápida, haga lo siguiente:

Aumente el tiempo de ventilación de 1 segundo a 30-60 segundos, ventile lentamente. Esto elimina el choque térmico y permite que el PFA iguale la presión sin estrés.

Instale una línea de ecualización de presión. Conecte el área anular entre el PFA y el núcleo a la presión del sistema usando un tubo de diámetro pequeño. Esto evita diferencias de presión durante la ventilación.

Utilice PFA más grueso: 2,5-pared de 3,0 mm=correspondientemente menos tensión del aro. Para una tensión circular de pared de 3 mm a 1 bar=0.1 x 25 / 2 x 3=0.42 MPa, incluso menos.

Seque el PFA: si el PFA no está saturado con agua o ácido, no se producirá evaporación. Si se produce una despresurización regular, mantenga los calentadores secos y evite la inmersión prolongada en líquidos penetrantes.

Check post-events: Check the insulation resistance after any fast depressurisation. Damage is indicated by drops >20%

Ejemplo en el campo
Un reactor farmacéutico que utiliza calentadores de PFA en un recipiente a presión calentado con vapor-a 120 grados y 2 bar. El ciclo consistió en una despresurización rápida (5 s) al final de cada lote (10 lotes/día). Los calentadores fallaron cada 8 a 12 meses debido a que se quemó la superficie de PFA. La fábrica modificó el ciclo para ventilar durante 60 segundos. Sin ampollas y la vida útil del calentador es de 4+ años. Los 55 segundos adicionales en cada lote (10 minutos/día) fueron tolerables. Por lo demás, nada ha cambiado.

Conclusión: La despresurización rápida sólo daña el PFA en servicio de vapor
Los calentadores de PFA no son muy sensibles a una despresurización rápida a partir de 2 bar en el caso de sistemas sólo líquidos (tensión del aro 1 MPa considerablemente por debajo del límite de fatiga). En servicio de vapor saturado o vapor, el choque térmico (20 a 30 grados), la evaporación interna de los volátiles penetrados y la tensión circular provocan fatiga, grietas y ampollas después de 500 a 2000 ciclos, lo que limita la vida útil del calentador entre un 50 y un 80 %. La ventilación debe realizarse con cuidado (30 a 60 segundos) para evitar dañar el PFA. Agregue líneas de ecualización de presión o seque el PFA antes de la operación presurizada. Si su sistema ventila rápidamente y tiene vapor o vapores calientes, suponga que su calentador PFA está dañado. Probar, reducir o aceptar vida reducida. El problema es el vapor, no la presión. Controla el vapor, controla el daño.