Які межі між теплообмінниками з PTFE та теплообмінниками з PFA у високо-температурній кислотній експлуатації?

Два матеріали, які виглядають взаємозамінними на папері

Об'єкт хімічної обробки визначає теплообмінник для обслуговування сірчаної кислоти при 150 градусах. У закупівельному документі матеріал трубки вказано як «PTFE або еквівалент», а розміри трубки — 6 мм OD зі стінкою 0,8 мм. Отримано дві пропозиції: одна з трубками з ПТФЕ та одна з трубками з ПФА. Котирування PFA на 15% вище, а термін доставки на чотири тижні довший.

Вибір здійснюється за нижчою ціною, і замовляється блок PTFE. Пристрій встановлюється та працює протягом приблизно 14 місяців, перш ніж з’явиться витік на з’єднанні труб--з трубною решеткою. Перевірка показує, що PTFE на з’єднанні поповз і зварний шов тріснув. Блок PFA, якби він був обраний, мав би зварне з’єднання з більш високим опором повзучості при робочій температурі.

Рішення про вибір, яке здавалося простим порівнянням цін, насправді було рішенням щодо максимальної робочої температури та спільної цілісності двох матеріалів.

Різниця в хімічній структурі

PTFE і PFA є перфторованими полімерами, тобто вуглецева основа повністю захищена атомами фтору. Різниця полягає в бічних ланцюгах. PTFE має лінійну структуру без бічних ланцюгів. PFA має лінійну структуру з бічними ланцюгами перфторалкокси, які приєднані до основної кістки.

Бічні ланцюги в PFA порушують кристалічність полімеру та знижують в'язкість розплаву. Низька в’язкість розплаву дозволяє обробляти ПФА за допомогою екструзії з розплаву та лиття під тиском, що виробляє труби та компоненти з гладкішими поверхнями та надійнішими зварними з’єднаннями, ніж ПТФЕ.

Лінійна структура ПТФЕ забезпечує вищу кристалічність, що надає ПТФЕ вищу міцність на розрив, кращий опір повзучості та вищу тривалу температуру експлуатації, ніж ПФА.

Максимальна різниця робочих температур

Максимальна безперервна робоча температура для PTFE становить 260 градусів, а для PFA – 260 градусів. Два матеріали мають однакову номінальну температуру. Практична різниця з'являється на підвищеному кінці діапазону, де механічні властивості починають розходитися.

При 150 градусах обидва матеріали зберігають відповідну механічну міцність для роботи теплообмінника. При 200 градусах PTFE зберігає приблизно 70% міцності на розрив-від кімнатної температури, тоді як PFA зберігає приблизно 50%. При 250 градусах PTFE зберігає приблизно 50%, тоді як PFA зберігає приблизно 30%.

Практичний висновок полягає в тому, що при температурах вище 200 градусів PTFE є кращим вибором для компонентів,-які містять тиск, тоді як PFA обмежується застосуванням із меншим{2}}напруженням.

Різниця в опорі повзучості

Повзучість — це повільна деформація матеріалу під дією тривалого навантаження. ПТФЕ має кращий опір повзучості, ніж ПФА, завдяки вищій кристалічності та лінійній структурі. Різниця особливо значна при підвищеній температурі.

У теплообміннику труби та трубна решетка знаходяться під постійним навантаженням від внутрішнього тиску та теплового розширення. З’єднання труб-–-трубної решетки зазнають постійного навантаження від стиснення з’єднання. З часом матеріал розповзається, і стик може розбовтатися.

ПТФЕ повзе з нижчою швидкістю, ніж ПФА за тієї самої температури та навантаження. Під час експлуатації при високих-температурах ця різниця визначає термін служби з’єднання. З’єднання PTFE може служити 10–15 років, а з’єднання PFA може служити 5–8 років.

Різниця в цілісності зварного шва

PFA можна зварювати надійніше, ніж PTFE, через його нижчу в'язкість розплаву. Зона зварного шва в PFA більш однорідна, а міцність зварного шва зазвичай становить 90–95% від міцності основного матеріалу. Зона зварного шва в ПТФЕ менш однорідна, а міцність зварного шва зазвичай становить 70–85% від міцності основного матеріалу.

Різниця в цілісності зварного шва особливо важлива в місцях з’єднання труб--з трубною решеткою, які є найбільш навантаженими місцями в теплообміннику. З'єднання PFA надійніше, ніж з'єднання PTFE, а термін служби з'єднання PFA довший.

Різниця в гладкості поверхні

ПФА може бути екструдований з більш гладкою поверхнею, ніж ПТФЕ, завдяки його нижчій в'язкості розплаву. Більш гладка поверхня зменшує адгезію відкладень і частинок, що зменшує швидкість забруднення та частоту очищення.

При високій{0}}температурній роботі кислоти більш гладка поверхня PFA є перевагою, оскільки кислота може утворювати відкладення на поверхні труби, а відкладення зменшують коефіцієнт теплопередачі. Більш гладка поверхня також зменшує утворення частинок, що важливо для -додатків високої чистоти.

Порівняння двох матеріалів у високо-температурній кислотній експлуатації

У наведеній нижче таблиці підсумовано робочі та вартісні характеристики теплообмінників з ПТФЕ та ПФА в роботі з сірчаною кислотою при 150 градусах з 50% сірчаної кислоти.

Значення загальної вартості за п’ять- років передбачають вартість виробництва 600 доларів США за годину та включають капітальні витрати, вартість встановлення та вартість обслуговування протягом п’яти років.

Коли PFA є кращим вибором

PFA є кращим вибором у кількох конкретних програмах.

Обслуговування-високої чистоти.PFA має більш гладку поверхню та менше утворення часток, ніж PTFE, що робить його придатним для напівпровідникових і фармацевтичних застосувань, де забруднення частинками є проблемою.

Сервіс обростання.Більш гладка поверхня PFA зменшує адгезію відкладень, що зменшує швидкість забруднення та частоту очищення.

Зварні з’єднання-критично важливі.Зварні шви PFA надійніші, ніж зварні шви PTFE, що робить PFA кращим вибором для обслуговування, де цілісність з’єднання є критичною.

Обслуговування-нижчої температури.При температурах нижче 150 градусів обидва матеріали працюють добре, а більш гладка поверхня PFA і надійніші зварні шви можуть сприяти PFA, незважаючи на вищу вартість.

Компоненти-виготовлення на замовлення.PFA можна формувати у складні форми, які важко виготовити з PTFE, що робить його придатним для-виготовлених на замовлення компонентів теплообмінника.

Коли PTFE є кращим вибором

PTFE є кращим вибором у кількох конкретних сферах застосування.

Висока-температура обслуговування понад 200 градусів.PTFE зберігає свою механічну міцність при температурах вище 200 градусів, тоді як PFA розм'якшується і втрачає міцність.

Служба високого{0}}тиску.ПТФЕ має вищу стійкість до повзучості, ніж ПФА, що робить його придатним для роботи під високим-тиском із високим стійким навантаженням.

Сервіс великого теплообмінника.PTFE дешевший, ніж PFA, що робить його придатним для великих теплообмінників, де капітальні витрати є значним фактором.

Сервіс термоциклінгу.PTFE має більш високу стійкість до термічного удару, ніж PFA, що робить його придатним для експлуатації при частих змінах температури.

Вимога тривалого терміну служби.ПТФЕ має кращий опір повзучості та довший термін служби, ніж ПФА при високій-температурі, що робить його придатним для застосувань, де термін служби є критичним фактором.

Специфікаційні параметри для високо{0}}температурної кислотної роботи

Інженери з обладнання, які оцінюють теплообмінники з PTFE та PFA для високо{0}}температурної кислотної роботи, повинні підтвердити наступні параметри з постачальником.

Хімія кислот.Вкажіть кислотний склад, у тому числі концентрацію та домішки.

Робоча температура.Вкажіть максимальну робочу температуру та очікуваний температурний профіль.

Робочий тиск.Вкажіть максимальний робочий тиск.

Теплове навантаження і площа поверхні.Для кожного варіанту матеріалу вкажіть теплове навантаження та необхідну площу поверхні.

Спільне проектування.Укажіть конструкцію з’єднання труб--з трубною решеткою та необхідну міцність зварювання.

Оздоблення поверхні.Вкажіть необхідну обробку поверхні для контролю забруднення та частинок.

Термічний цикл.Вкажіть очікувану кількість і величину теплових циклів.

Вимога до терміну служби.Вкажіть очікуваний термін служби та графік заміни.

Відповідність вибору матеріалу вимогам до температури та швів

Вибір між теплообмінниками з PTFE та PFA для високо-температурної кислотної роботи залежить від температури, тиску, вимог до цілісності з’єднання та вимог до обробки поверхні. PTFE має кращий опір повзучості та більш високу практичну межу температури, тоді як PFA має кращу цілісність зварного шва та більш гладку поверхню.

Рішення щодо вибору має ґрунтуватися на-аналізі конкретного об’єкта, який включає капітальні витрати, вартість монтажу, вартість обслуговування та ризик виробничих втрат. Проста модель електронної таблиці з цими компонентами витрат надає інформацію, необхідну для прийняття рішення.

Для високотемпературних кислотних установок, які оцінюють варіанти теплообмінників, вибір матеріалу має ґрунтуватися на загальній вартості володіння протягом очікуваного терміну служби, а не лише на капітальних витратах чи теплових характеристиках. Блок PFA з вищими капітальними витратами може мати нижчу вартість терміну експлуатації, якщо він потребує менше обслуговування та виробляє менше частинок.

Інженери з обладнання та спеціалісти з закупівель, які оцінюють технічні характеристики теплообмінника з PTFE для високо-температурної кислоти чи інших корозійних умов, можуть подати запит на перевірку конструкції, яка охоплює хімічний склад кислоти, робочу температуру, робочий тиск, конструкцію з’єднання, оздоблення поверхні та вимоги до терміну служби, щоб підтвердити, що вибір матеріалу відповідає фактичним умовам експлуатації та структурі витрат підприємства.