Dva materijala koja izgledaju zamjenjivo na papiru
Postrojenje za kemijsku obradu specificira izmjenjivač topline za sumpornu kiselinu na 150 stupnjeva. Dokument o nabavi navodi materijal cijevi kao "PTFE ili ekvivalent", a dimenzije cijevi su 6 mm OD sa stijenkom od 0,8 mm. Primljene su dvije ponude: jedna s PTFE cijevima i jedna s PFA cijevima. PFA kotacija je 15% viša, a rok isporuke četiri tjedna duži.
Odabir se vrši na temelju niže cijene, a naručuje se PTFE jedinica. Jedinica je instalirana i radi otprilike 14 mjeseci prije nego što dođe do curenja na spoju cijevi-na-cijevni lim. Pregled otkriva da je PTFE na spoju puzao i da je zavar napukao. PFA jedinica, da je odabrana, imala bi zavareni spoj s većom otpornošću na puzanje pri radnoj temperaturi.
Odluka o odabiru koja se činila jednostavnom usporedbom cijena bila je zapravo odluka o maksimalnoj radnoj temperaturi i zajedničkom integritetu dva materijala.
Razlika u kemijskoj strukturi
I PTFE i PFA su perfluorirani polimeri, što znači da je okosnica ugljika u potpunosti zaštićena atomima fluora. Razlika je u bočnim lancima. PTFE ima linearnu strukturu bez bočnih lanaca. PFA ima linearnu strukturu s perfluoroalkoksi bočnim lancima koji su pričvršćeni na okosnicu.
Bočni lanci u PFA ometaju kristalnost polimera i smanjuju viskoznost taline. Niža viskoznost taline omogućuje obradu PFA ekstruzijom taline i injekcijskim prešanjem, čime se proizvode cijevi i komponente s glatkijim površinama i pouzdanijim zavarenim spojevima od PTFE-a.
Linearna struktura PTFE-a proizvodi veću kristalnost, što PTFE-u daje veću vlačnu čvrstoću, bolju otpornost na puzanje i višu kontinuiranu radnu temperaturu od PFA.
Maksimalna razlika radne temperature
Maksimalna kontinuirana radna temperatura za PTFE je 260 stupnjeva, a za PFA je 260 stupnjeva. Dva materijala imaju istu granicu nominalne temperature. Praktična razlika pojavljuje se na povišenom kraju raspona, gdje mehanička svojstva počinju odstupati.
Na 150 stupnjeva, oba materijala zadržavaju odgovarajuću mehaničku čvrstoću za rad izmjenjivača topline. Na 200 stupnjeva, PTFE zadržava približno 70% svoje vlačne čvrstoće-na sobnoj temperaturi, dok PFA zadržava približno 50%. Na 250 stupnjeva, PTFE zadržava približno 50%, dok PFA zadržava približno 30%.
Praktična implikacija je da je na temperaturama iznad 200 stupnjeva PTFE bolji izbor za-komponente koje sadrže pritisak, dok je PFA ograničen na-niže primjene naprezanja.
Razlika u otpornosti na puzanje
Puzanje je spora deformacija materijala pod trajnim opterećenjem. PTFE ima bolju otpornost na puzanje od PFA zbog svoje veće kristalnosti i linearne strukture. Razlika je posebno značajna pri povišenoj temperaturi.
U izmjenjivaču topline, cijevi i cijevni lim su pod stalnim opterećenjem unutarnjeg tlaka i toplinskog širenja. Spojevi cijevi-na-cijevne ploče pod stalnim su opterećenjem uslijed kompresije spoja. Tijekom vremena, materijal puzi, a spoj se može olabaviti.
PTFE puzi manjom brzinom od PFA pri istoj temperaturi i naprezanju. U radu na visokim-temperaturama, ova razlika određuje životni vijek spoja. PTFE spoj može trajati 10-15 godina, dok PFA spoj može trajati 5-8 godina.
Razlika u integritetu zavara
PFA se može zavarivati pouzdanije od PTFE zbog svoje niže viskoznosti taline. Zona zavara u PFA je homogenija, a čvrstoća zavara je obično 90-95% čvrstoće osnovnog materijala. Zona zavara u PTFE-u je manje homogena, a čvrstoća zavara je obično 70-85% čvrstoće osnovnog materijala.
Razlika u cjelovitosti zavara posebno je važna na spojevima cijevi-na-cijevni lim, koji su najopterećenija mjesta u izmjenjivaču topline. PFA spoj je pouzdaniji od PTFE spoja, a životni vijek PFA spoja je dulji.
Razlika u glatkoći površine
PFA se može ekstrudirati s glatkijom površinom od PTFE-a zbog njegove niže viskoznosti taline. Glatkija površina smanjuje prianjanje naslaga i čestica, što smanjuje stopu onečišćenja i učestalost čišćenja.
U radu s kiselinom-na visokim temperaturama, glatkija PFA površina je prednost jer kiselina može stvoriti naslage na površini cijevi, a naslage smanjuju koeficijent prijenosa topline. Glatkija površina također smanjuje stvaranje čestica, što je važno u-primjenama visoke čistoće.
Usporedba dva materijala u radu s kiselinom-na visokim temperaturama
Sljedeća tablica sažima performanse i troškovne karakteristike PTFE i PFA izmjenjivača topline u radu sa sumpornom kiselinom na 150 stupnjeva s 50% sumporne kiseline.
| Karakteristično | PTFE izmjenjivač topline | PFA izmjenjivač topline | Prednost |
|---|---|---|---|
| Maksimalna stalna radna temperatura | 260 stupnjeva | 260 stupnjeva | Jednak |
| Vlačna čvrstoća na 150 stupnjeva | 70% RT | 60% RT | PTFE |
| Vlačna čvrstoća na 200 stupnjeva | 50% RT | 35% RT | PTFE |
| Otpornost na puzanje na 150 stupnjeva | visoko | Umjereno | PTFE |
| Otpornost na puzanje na 200 stupnjeva | Umjereno | Niska | PTFE |
| Čvrstoća zavara | 70–85% roditelja | 90–95% roditelja | PFA |
| Glatkoća površine | Dobro | Izvrsno | PFA |
| Otpornost na obraštanje | Umjereno | visoko | PFA |
| Kemijska otpornost na sumpornu kiselinu | Izvrsno | Izvrsno | Jednak |
| Vijek trajanja u kiselini-visoke temperature | 10–15 godina | 8–12 godina | PTFE |
| Trošak kapitala za rad od 30 kW | $28,000 | $32,000 | PTFE |
| Trošak instalacije | $3,000 | $3,000 | Jednak |
| Godišnji trošak održavanja | $2,000 | $2,500 | PTFE |
| Pet{0}}godišnji ukupni trošak | $50,000 | $55,000 | PTFE |
Pet{0}}vrijednosti ukupne cijene pretpostavljaju vrijednost proizvodnje od 600 USD po satu i uključuju kapitalne troškove, troškove instalacije i troškove održavanja tijekom pet godina.
Kada je PFA bolji izbor
PFA je bolji izbor u nekoliko specifičnih aplikacija.
Usluga visoke-čistoće.PFA ima glađu površinu i manje stvaranje čestica od PTFE-a, što ga čini prikladnim za poluvodičke i farmaceutske primjene gdje je kontaminacija česticama zabrinjavajuća.
Usluga obraštanja.Glatkija PFA površina smanjuje prianjanje naslaga, što smanjuje stopu onečišćenja i učestalost čišćenja.
Zavareni spoj-kritična usluga.PFA zavari su pouzdaniji od PTFE zavara, što PFA čini boljim izborom za usluge gdje je integritet spoja kritičan.
Usluga niže-temperature.Na temperaturama ispod 150 stupnjeva, oba materijala dobro funkcioniraju, a glatkija PFA površina i pouzdaniji zavareni spojevi mogu biti u prednosti PFA unatoč višoj cijeni.
Komponente-izrađene po narudžbi.PFA se može oblikovati u složene oblike koje je teško proizvesti s PTFE-om, što ga čini prikladnim za-izrađene komponente izmjenjivača topline.
Kada je PTFE bolji izbor
PTFE je bolji izbor u nekoliko specifičnih primjena.
Rad na visokim-temperaturama iznad 200 stupnjeva.PTFE zadržava svoju mehaničku čvrstoću na temperaturama iznad 200 stupnjeva, dok PFA omekšava i gubi čvrstoću.
Usluga visokog{0}}tlaka.PTFE ima veću otpornost na puzanje od PFA, što ga čini prikladnim za rad pod visokim-tlakom gdje je dugotrajno opterećenje veliko.
Servis velikog izmjenjivača topline.PTFE je jeftiniji od PFA, što ga čini prikladnim za velike izmjenjivače topline gdje je kapitalni trošak značajan faktor.
Usluga termocikliranja.PTFE ima veću otpornost na toplinske udare od PFA, što ga čini pogodnim za rad s čestim promjenama temperature.
Zahtjev za dug radni vijek.PTFE ima bolju otpornost na puzanje i duži radni vijek od PFA u radu na visokim-temperaturama, što ga čini prikladnim za primjene u kojima je životni vijek kritičan faktor.
Parametri specifikacije za rad s kiselinom-na visokim temperaturama
Inženjeri opreme koji procjenjuju PTFE i PFA izmjenjivače topline za visoko{0}}temperaturnu kiselinu trebaju potvrditi sljedeće parametre kod dobavljača.
Kemija kiselina.Navedite sastav kiseline, uključujući koncentraciju i kontaminante.
Radna temperatura.Navedite maksimalnu radnu temperaturu i očekivani profil temperature.
Radni tlak.Navedite maksimalni radni tlak.
Toplinsko opterećenje i površina.Navedite toplinsko opterećenje i potrebnu površinu za svaku opciju materijala.
Zajednički dizajn.Odredite dizajn spoja cijevi-na-cijevni lim i potrebnu čvrstoću zavara.
Završna obrada površine.Navedite potrebnu završnu obradu površine za onečišćenje i kontrolu čestica.
Toplinski ciklus.Navedite očekivani broj i veličinu toplinskih ciklusa.
Zahtjev za vijek trajanja.Navedite očekivani vijek trajanja i raspored zamjene.
Usklađivanje odabira materijala s temperaturom i zahtjevima spojeva
Odabir između PTFE i PFA izmjenjivača topline u radu s kiselinom na visokim-temperaturama ovisi o temperaturi, tlaku, zahtjevu za cjelovitošću spoja i zahtjevu za završnu obradu površine. PTFE ima bolju otpornost na puzanje i višu praktičnu temperaturnu granicu, dok PFA ima bolji integritet zavara i glatku površinu.
Odluka o odabiru trebala bi se temeljiti na-specifičnoj analizi objekta koja uključuje kapitalni trošak, trošak instalacije, trošak održavanja i izloženost gubitku proizvodnje. Jednostavan model proračunske tablice s ovim komponentama troškova pruža informacije potrebne za donošenje odluke.
Za-servisna postrojenja za kiselinu na visokim temperaturama koja procjenjuju opcije izmjenjivača topline, odabir materijala trebao bi se temeljiti na ukupnom trošku vlasništva tijekom očekivanog životnog vijeka, a ne samo na kapitalnom trošku ili toplinskoj izvedbi. PFA jedinica s većim kapitalnim troškom može imati niže troškove tijekom vijeka trajanja ako zahtijeva manje održavanja i proizvodi manje čestica.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za visoko-temperaturnu kiselinu ili druge korozivne usluge mogu zatražiti pregled dizajna koji pokriva kemiju kiseline, radnu temperaturu, radni tlak, dizajn spojeva, završnu obradu površine i zahtjeve za životni vijek kako bi potvrdili da odabir materijala odgovara stvarnim uvjetima rada i strukturi troškova postrojenja.
