Molekularna razlika koja uzrokuje razliku u otporu
Razlika između PTFE i PVDF je u ugljik-vodikovim vezama. PVDF je kopolimer viniliden fluorida, a njegova molekularna struktura sadrži ugljik-vodikove veze koje nisu prisutne u PTFE-u. Ugljik-vodikova veza je slabija od ugljik-fluor veze i to je mjesto gdje počinje oksidacijski napad.
PTFE ima potpuno fluoriranu ugljikovu okosnicu bez ugljikovih-vodikovih veza. Veza ugljik-fluor jedna je od najjačih u organskoj kemiji, s energijom veze od približno 485 kJ/mol. Oksidirajuće kiseline nemaju dovoljno energije za raskid ove veze na temperaturama ispod 260 stupnjeva.
PVDF ima ugljik-vodikove veze s energijom veze od približno 413 kJ/mol. Razlika je oko 15%, ali je praktični učinak na otpornost na oksidaciju mnogo veći. Oksidacijski napad na PVDF započinje na ugljik-vodikovoj vezi, a razgradnja se širi duž polimernog lanca. Brzina oksidacije raste s temperaturom i koncentracijom oksidirajuće kiseline.
Usporedba otpornosti na oksidirajuću kiselinu
Otpornost PTFE i PVDF na oksidirajuće kiseline ovisi o specifičnoj kiselini, koncentraciji i temperaturi.
Dušična kiselina.PTFE je otporan na dušičnu kiselinu u koncentracijama do 70% i temperaturama do 200 stupnjeva. PVDF otporan je na dušičnu kiselinu u koncentracijama do 50% i temperaturama do 100 stupnjeva. Iznad ovih granica, PVDF je napadnut, a materijal se degradira.
Kromna kiselina.PTFE je otporan na kromnu kiselinu u koncentracijama do 50% i temperaturama do 150 stupnjeva. PVDF je otporan na kromnu kiselinu u koncentracijama do 30% i temperaturama do 80 stupnjeva. Iznad ovih granica, PVDF je napadnut, a materijal gubi boju i postaje krt.
Perklorna kiselina.PTFE je otporan na perklornu kiselinu u koncentracijama do 70% i temperaturama do 150 stupnjeva. PVDF otporan je na perklornu kiselinu u koncentracijama do 30% i temperaturama do 60 stupnjeva. Perklorna kiselina je posebno agresivna za PVDF zbog svog snažnog oksidacijskog potencijala.
Vodikov peroksid.PTFE je otporan na vodikov peroksid u koncentracijama do 50% i temperaturama do 100 stupnjeva. PVDF otporan je na vodikov peroksid u koncentracijama do 30% i temperaturama do 60 stupnjeva. Razgradnja vodikovog peroksida stvara kisikove radikale koji napadaju PVDF.
Usporedba toplinske vodljivosti
PTFE i PVDF imaju sličnu toplinsku vodljivost. PTFE ima vodljivost od 0,25 W/m·K, a PVDF ima vodljivost od 0,19 W/m·K. Razlika je mala i ne utječe značajno na potrebnu površinu za određeno toplinsko opterećenje.
Ukupnim koeficijentom prijenosa topline za oba materijala dominiraju otpori filma tekućine, a ne otpor stijenke. U radu tekućine-na-tekućinu, ukupni koeficijent za PTFE izmjenjivač topline je obično 200-300 W/m²·K, a koeficijent za PVDF izmjenjivač topline je obično 180-280 W/m²·K. Razlika je manja od 10%, što je unutar nesigurnosti proračuna prijenosa topline.
Usporedba toplinske vodljivosti stoga ne daje značajnu prednost nijednom materijalu. Odabir se mora temeljiti na kemijskoj kompatibilnosti i mehaničkim svojstvima.
Usporedba dva materijala u službi oksidirajuće kiseline
Sljedeća tablica sažima performanse i troškovne karakteristike PTFE i PVDF izmjenjivača topline u radu s oksidirajućom kiselinom na 60 stupnjeva s 30% dušične kiseline.
| Karakteristično | PTFE izmjenjivač topline | PVDF izmjenjivač topline | Prednost |
|---|---|---|---|
| Toplinska vodljivost | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| Ukupni koeficijent prolaza topline | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| Maksimalna radna temperatura | 260 stupnjeva | 150 stupnjeva | PTFE |
| Granica otpornosti na dušičnu kiselinu | 70% na 200 stupnjeva | 50% na 100 stupnjeva | PTFE |
| Granica otpornosti na kromnu kiselinu | 50% na 150 stupnjeva | 30% na 80 stupnjeva | PTFE |
| Granica otpornosti na perklornu kiselinu | 70% na 150 stupnjeva | 30% na 60 stupnjeva | PTFE |
| Granica otpornosti na vodikov peroksid | 50% na 100 stupnjeva | 30% na 60 stupnjeva | PTFE |
| Mehanička čvrstoća | Umjereno | visoko | PVDF |
| Maksimalni radni tlak | 0,5 MPa | 1,0 MPa | PVDF |
| Vijek trajanja u radu s oksidirajućom kiselinom | 12–18 godina | 5–8 godina | PTFE |
| Trošak kapitala za rad od 30 kW | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| Trošak instalacije | $3,000 | $3,000 | Jednak |
| Godišnji trošak održavanja | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| Pet{0}}godišnji ukupni trošak | $47,500 | $53,000 | PTFE |
Pet{0}}vrijednosti ukupne cijene pretpostavljaju vrijednost proizvodnje od 500 USD po satu i uključuju kapitalne troškove, troškove instalacije i troškove održavanja tijekom pet godina.
Kada je PVDF bolji izbor
PVDF je bolji izbor u nekoliko specifičnih primjena.
Usluga niske-temperature.Na temperaturama nižim od 40 stupnjeva, PVDF se bez poteškoća odupire većini oksidirajućih kiselina, a niži kapitalni troškovi idu u prilog PVDF-u.
Usluga niske-koncentracije.U koncentracijama ispod 20%, PVDF je otporan na većinu oksidirajućih kiselina na temperaturama do 60 stupnjeva, a niži kapitalni troškovi idu u prilog PVDF-u.
Usluga visokog{0}}tlaka.PVDF ima veću mehaničku čvrstoću od PTFE-a i može izdržati veće pritiske. Za rad s oksidirajućom kiselinom pri tlaku iznad 5 bara, PVDF može biti jedina održiva opcija.
Ne{0}}kritična usluga.Kada izmjenjivač topline nije kritičan za proces i cijena zamjene je prihvatljiva, PVDF pruža odgovarajuće performanse po nižoj cijeni.
Zahtjev kratkog životnog vijeka.Kada se očekuje da će izmjenjivač topline imati vijek trajanja od 5 godina ili manje, PVDF je prikladan i jeftiniji.
Kada je PTFE bolji izbor
PTFE je bolji izbor u nekoliko specifičnih primjena.
Usluga na visokim-temperaturama.Na temperaturama iznad 60 stupnjeva, PTFE se odupire oksidirajućim kiselinama bolje od PVDF-a, a vijek trajanja je duži.
Usluga visoke-koncentracije.U koncentracijama iznad 30%, PTFE se bolje odupire oksidirajućim kiselinama nego PVDF.
Usluga perklorne kiseline.PTFE je jedini održivi fluoropolimer za perklornu kiselinu jer se PVDF napada pri niskim koncentracijama i temperaturama.
Zahtjev za dug radni vijek.Kada se očekuje da će izmjenjivač topline imati vijek trajanja od 10 ili više godina, PTFE je bolji izbor jer je otporan na kemijski napad tijekom duljeg razdoblja.
Kritična usluga.Kada je izmjenjivač topline kritičan za proces i kada je trošak zastoja visok, PTFE je bolji izbor jer ima manju vjerojatnost kvara.
Značajke dizajna koje produljuju vijek trajanja
Nekoliko značajki dizajna produljuje životni vijek i PTFE i PVDF izmjenjivača topline u radu s oksidirajućom kiselinom.
Niža radna temperatura.Smanjenje radne temperature smanjuje brzinu oksidacije i produljuje životni vijek oba materijala.
Niža koncentracija.Smanjenje koncentracije kiseline smanjuje brzinu oksidacije i produljuje vijek trajanja.
Kontrola brzine protoka.Održavanje umjerene brzine protoka smanjuje debljinu graničnog sloja i koncentraciju oksidirajućih vrsta na površini cijevi.
Na-odredbe čišćenja na mjestu.Priključci za dovod i povrat otopine za čišćenje omogućuju čišćenje izmjenjivača topline bez rastavljanja, čime se smanjuju zastoji i gubici u proizvodnji.
Praćenje temperature.Senzori temperature na ulazu i izlazu izmjenjivača topline omogućuju praćenje performansi prijenosa topline, što omogućuje rano otkrivanje onečišćenja ili degradacije.
Parametri specifikacije za rad s oksidirajućom kiselinom
Inženjeri opreme koji ocjenjuju PTFE i PVDF izmjenjivače topline za rad s oksidirajućom kiselinom trebaju potvrditi sljedeće parametre s dobavljačem.
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.
Kemijska kompatibilnost.Potvrdite da je materijal kompatibilan s određenom kiselinom pri radnoj temperaturi i koncentraciji.
Zahtjev za vijek trajanja.Navedite očekivani vijek trajanja i raspored zamjene.
Mogućnost održavanja.Navedite sposobnost održavanja objekta, uključujući mogućnost popravka izmjenjivača topline na licu mjesta.
Vrijednost proizvodnje i trošak zastoja.Navedite vrijednost proizvodnje i troškove zastoja kako bi se analiza ukupnog troška vlasništva mogla prilagoditi objektu.
Usklađivanje odabira materijala s uvjetima rada oksidirajuće kiseline
Odabir između PTFE i PVDF izmjenjivača topline u radu s oksidirajućom kiselinom ovisi o kemijskom sastavu kiseline, temperaturi, koncentraciji i zahtjevima životnog vijeka. PVDF ima nižu kapitalnu cijenu i veću mehaničku čvrstoću, ali je osjetljiviji na oksidacijski napad pri povišenoj temperaturi i visokoj koncentraciji. PTFE ima veći kapitalni trošak, ali duži radni vijek u radu s agresivnom oksidirajućom kiselinom.
Odluka o odabiru trebala bi se temeljiti na-specifičnoj analizi objekta koja uključuje kapitalne troškove, troškove održavanja i izloženost gubitku proizvodnje. Jednostavan model proračunske tablice s ovim komponentama troškova pruža informacije potrebne za donošenje odluke.
Za postrojenja za servisiranje oksidacijske kiseline koja procjenjuju opcije izmjenjivača topline, odabir materijala trebao bi se temeljiti na ukupnom trošku vlasništva tijekom očekivanog vijeka trajanja, a ne samo na kapitalnom trošku. PVDF jedinica s nižim kapitalnim troškom može imati veći životni trošak ako zahtijeva češću zamjenu.
Inženjeri opreme i stručnjaci za nabavu koji procjenjuju specifikacije PTFE izmjenjivača topline za oksidirajuću kiselinu ili drugu korozivnu uslugu mogu zatražiti reviziju dizajna koja pokriva kemijski sastav kiseline, radnu temperaturu, radni tlak, kemijsku kompatibilnost i zahtjeve za radni vijek kako bi potvrdili da je odabir materijala usklađen sa stvarnim uvjetima rada i strukturom troškova postrojenja.
