Молекулярна різниця, яка сприяє розриву опору
Різниця між PTFE та PVDF полягає в вуглець-водневих зв’язках. ПВДФ є сополімером вініліденфториду, і його молекулярна структура містить вуглець-водневі зв’язки, яких немає в ПТФЕ. Карбон-водневий зв’язок слабший, ніж карбон-фторний зв’язок, і це місце, де починається окислювальна атака.
PTFE має повністю фторовану вуглецеву основу без вуглець-водневих зв’язків. Карбон-фторний зв’язок є одним із найміцніших в органічній хімії з енергією зв’язку приблизно 485 кДж/моль. Окислювальні кислоти не мають достатньо енергії, щоб розірвати цей зв'язок при температурах нижче 260 градусів.
PVDF має вуглець-водневі зв’язки з енергією зв’язку приблизно 413 кДж/моль. Різниця становить приблизно 15%, але практичний вплив на стійкість до окислення набагато більший. Окислювальна атака на ПВДФ починається з вуглецевого-водневого зв’язку, а деградація поширюється вздовж полімерного ланцюга. Швидкість окислення зростає з підвищенням температури і концентрації кислоти-окислювача.
Порівняння кислотостійкості
Стійкість ПТФЕ та ПВДФ до окислюючих кислот залежить від конкретної кислоти, концентрації та температури.
Азотна кислота.PTFE стійкий до азотної кислоти в концентраціях до 70% і температурах до 200 градусів. PVDF стійкий до азотної кислоти в концентраціях до 50% і температурах до 100 градусів. При перевищенні цих меж PVDF атакується, і матеріал деградує.
Хромова кислота.PTFE протистоїть хромовій кислоті в концентраціях до 50% і температурах до 150 градусів. PVDF стійкий до хромової кислоти в концентраціях до 30% і температурах до 80 градусів. Понад цими межами PVDF піддається руйнуванню, і матеріал знебарвлюється та стає крихким.
Хлорна кислота.PTFE стійкий до хлорної кислоти в концентраціях до 70% і температурах до 150 градусів. PVDF стійкий до хлорної кислоти в концентраціях до 30% і температурах до 60 градусів. Хлорна кислота є особливо агресивною для PVDF через її сильний окислювальний потенціал.
Перекис водню.PTFE стійкий до перекису водню в концентраціях до 50% і температурах до 100 градусів. PVDF стійкий до перекису водню в концентраціях до 30% і температурах до 60 градусів. Розкладання перекису водню генерує кисневі радикали, які атакують PVDF.
Порівняння теплопровідності
ПТФЕ і ПВДФ мають однакову теплопровідність. PTFE має провідність 0,25 Вт/м·K, а PVDF має провідність 0,19 Вт/м·K. Різниця невелика, і вона не суттєво впливає на необхідну площу поверхні для даного теплового навантаження.
Загальний коефіцієнт теплопередачі для обох матеріалів визначається опором плівки рідини, а не опором стінки. У роботі з рідиною--загальний коефіцієнт для теплообмінника з PTFE зазвичай становить 200–300 Вт/м²·K, а коефіцієнт для теплообмінника з ПВДФ зазвичай становить 180–280 Вт/м²·K. Різниця становить менше 10%, що знаходиться в межах похибки розрахунку теплопередачі.
Тому порівняння теплопровідності не надає суттєвої переваги жодному з матеріалів. Вибір повинен ґрунтуватися на хімічній сумісності та механічних властивостях.
Порівняння двох матеріалів у окислювальній кислоті
У наведеній нижче таблиці наведені характеристики продуктивності та вартості теплообмінників з ПТФЕ та ПВДФ в окислювальній кислоті при 60 градусах з 30% азотною кислотою.
| Характеристика | PTFE теплообмінник | PVDF теплообмінник | Перевага |
|---|---|---|---|
| Теплопровідність | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| Загальний коефіцієнт теплопередачі | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| Максимальна робоча температура | 260 градусів | 150 градусів | PTFE |
| Межа стійкості до азотної кислоти | 70% при 200 градусах | 50% при 100 градусах | PTFE |
| Межа стійкості до хромової кислоти | 50% при 150 градусах | 30% при 80 градусах | PTFE |
| Межа стійкості до хлорної кислоти | 70% при 150 градусах | 30% при 60 градусах | PTFE |
| Межа стійкості до пероксиду водню | 50% при 100 градусах | 30% при 60 градусах | PTFE |
| Механічна міцність | Помірний | Високий | PVDF |
| Максимальний робочий тиск | 0,5 МПа | 1,0 МПа | PVDF |
| Термін служби в окислювально-кислотній службі | 12–18 років | 5–8 років | PTFE |
| Капітальні витрати для роботи 30 кВт | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| Вартість монтажу | $3,000 | $3,000 | Рівні |
| Річна вартість обслуговування | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| Загальна вартість за-роки | $47,500 | $53,000 | PTFE |
Значення загальної вартості за п’ять- років передбачають виробничу вартість 500 доларів США за годину та включають капітальні витрати, вартість встановлення та вартість обслуговування протягом п’яти років.
Коли ПВДФ є кращим вибором
ПВДФ є кращим вибором у кількох конкретних сферах застосування.
Низько{0}}температурне обслуговування.При температурах нижче 40 градусів PVDF без труднощів протистоїть більшості окислюючих кислот, а нижча капітальна вартість сприяє PVDF.
Служба низької-концентрації.У концентраціях нижче 20% ПВДФ стійкий до більшості окислюючих кислот при температурах до 60 градусів, а нижчі капітальні витрати надають перевагу ПВДФ.
Служба високого{0}}тиску.PVDF має вищу механічну міцність, ніж PTFE, і може витримувати більш високий тиск. Для окисної кислоти під тиском вище 5 бар PVDF може бути єдиним життєздатним варіантом.
Не{0}}критична служба.Коли теплообмінник не є критичним для процесу, а вартість заміни є прийнятною, PVDF забезпечує адекватну продуктивність за нижчої вартості.
Вимога щодо короткого терміну служби.Якщо очікується, що термін служби теплообмінника становить 5 років або менше, PVDF є достатнім і менш дорогим.
Коли PTFE є кращим вибором
PTFE є кращим вибором у кількох конкретних сферах застосування.
Обслуговування-високої температури.При температурах вище 60 градусів PTFE протистоїть окислювальним кислотам краще, ніж PVDF, і термін служби довший.
Служба високої-концентрації.У концентраціях понад 30% PTFE протистоїть окисним кислотам краще, ніж PVDF.
Служба хлорної кислоти.PTFE є єдиним життєздатним фторполімером для хлорної кислоти, оскільки PVDF піддається руйнуванню при низькій концентрації та температурі.
Вимога тривалого терміну служби.Якщо очікується, що термін служби теплообмінника становить 10 років або більше, PTFE є кращим вибором, оскільки він стійкий до хімічного впливу протягом більш тривалого періоду.
Критична служба.Коли теплообмінник має вирішальне значення для процесу, а вартість простою висока, PTFE є кращим вибором, оскільки він має меншу ймовірність відмови.
Конструктивні особливості, які продовжують термін служби
Декілька конструктивних особливостей подовжують термін служби теплообмінників з ПТФЕ та ПВДФ у роботі з окисною кислотою.
Нижча робоча температура.Зниження робочої температури знижує швидкість окислення і продовжує термін служби обох матеріалів.
Нижча концентрація.Зменшення концентрації кислоти знижує швидкість окислення і продовжує термін служби.
Контроль швидкості потоку.Підтримка помірної швидкості потоку зменшує товщину прикордонного шару та концентрацію окислювачів на поверхні труби.
Забезпечення-прибирання на місці.З'єднання для подачі та повернення миючого розчину дозволяють чистити теплообмінник без розбирання, що зменшує час простою та втрати виробництва.
Контроль температури.Температурні датчики на вході та виході теплообмінника дозволяють контролювати ефективність теплопередачі, що дозволяє ранньо виявити забруднення або деградацію.
Специфікаційні параметри для служби окисної кислоти
Інженери з обладнання, які оцінюють теплообмінники PTFE та PVDF для роботи з окисною кислотою, 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.
Хімічна сумісність.Підтвердьте, що матеріал сумісний із конкретною кислотою при робочій температурі та концентрації.
Вимога до терміну служби.Вкажіть очікуваний термін служби та графік заміни.
Можливість обслуговування.Вкажіть можливості обслуговування об’єкта, включаючи можливість ремонту теплообмінника на місці.
Виробнича вартість і вартість простою.Надайте вартість виробництва та вартість простою, щоб аналіз загальної вартості володіння можна було пристосувати до об’єкта.
Відповідність вибору матеріалу умовам експлуатації окисної кислоти
Вибір між теплообмінниками з ПТФЕ та ПВДФ для роботи з окислювальною кислотою залежить від хімічного складу кислоти, температури, концентрації та терміну служби. ПВДФ має менші капітальні витрати та вищу механічну міцність, але він більш сприйнятливий до окислення при високій температурі та високій концентрації. PTFE має вищі капітальні витрати, але більший термін служби в агресивній окислювальній кислоті.
Рішення про вибір має ґрунтуватися на-аналізі конкретного об’єкта, який включає капітальні витрати, витрати на технічне обслуговування та ризик виробничих втрат. Проста модель електронної таблиці з цими компонентами витрат надає інформацію, необхідну для прийняття рішення.
Для об’єктів обслуговування окисної кислоти, які оцінюють варіанти теплообмінника, вибір матеріалу має ґрунтуватися на загальній вартості володіння протягом очікуваного терміну служби, а не лише на капітальних витратах. Блок PVDF з нижчими капітальними витратами може мати вищу вартість терміну служби, якщо він потребує частішої заміни.
Інженери з обладнання та спеціалісти з закупівель, які оцінюють технічні характеристики теплообмінника PTFE для окислювальної кислоти або інших корозійних умов, можуть вимагати перевірки конструкції, що охоплює хімічний склад кислоти, робочу температуру, робочий тиск, хімічну сумісність і вимоги до терміну служби, щоб підтвердити, що вибір матеріалу відповідає фактичним умовам експлуатації та структурі витрат об’єкта.
