Завод з обробки металу, на якому працює лінія анодування хромовою кислотою при 55 градусах, потрібна для заміни несправного занурювального нагрівача. Команда технічного обслуговування мала два варіанти: нагрівач із PTFE-оболонкою та нагрівач з PVDF-оболонкою. Обидва були оцінені за температуру та хімію. Варіант PVDF був дешевшим. Варіант PTFE мав довший досвід у подібних установках. Рішення звелося до порівняння, яке часто надто спрощують як «PTFE кращий» або «PVDF дешевший».
PTFE і PVDF є фторполімерами з чудовою хімічною стійкістю. Обидва вони стійкі до хромової кислоти при типових концентраціях і температурах анодування. Але вони відрізняються тепловими властивостями, механічною міцністю, стійкістю до проникнення та вартістю. У службі хромової кислоти ці відмінності визначають, який матеріал забезпечує нижчу загальну вартість володіння.
Хімічна стійкість хромової кислоти
Хромова кислота є сильним окислювачем. І PTFE, і PVDF стійкі до окислення за концентрацій і температур, які використовуються для анодування-зазвичай 5–10% CrO₃ при 40–60 градусах. Жоден матеріал не піддається атаці за нормальних умов експлуатації.
Різниця проявляється при вищих температурах або концентраціях. PTFE зберігає свою хімічну стійкість до 260 градусів. PVDF починає розм'якшуватися та розкладатися при температурі вище 150 градусів, а його хімічна стійкість знижується вище 120 градусів. При роботі з хромовою кислотою при 55 градусах обидва матеріали знаходяться в межах безпечних діапазонів, але PTFE забезпечує більший запас, якщо температура процесу коливається або якщо відбувається локальне перегрівання.
| матеріал | Безперервна температура обслуговування | Максимальна температура хромової кислоти | Стійкість до окислення | Стійкість до проникнення |
|---|---|---|---|---|
| PTFE | 260 градусів | 200 градусів + | Чудово | Чудово |
| PVDF | 150 градусів | 120 градусів | добре | Помірний |
| FEP | 200 градусів | 150 градусів | Дуже добре | добре |
| PFA | 260 градусів | 200 градусів + | Чудово | Чудово |
Хімічні та термічні обмеження для фторполімерних матеріалів оболонки в хромовій кислоті
Теплопровідність і ватна щільність
ПВДФ має теплопровідність приблизно 0,20 Вт/м·К, що трохи нижче, ніж 0,25 Вт/м·К для ПТФЕ. Це означає, що ПВДФ вимагає меншої щільності ват для тієї самої температури оболонки або більшої площі поверхні для тієї самої потужності.
На практиці різниця скромна. ПВДФ-нагрівач може потребувати на 10–15% більшої площі поверхні, ніж ПТФЕ-нагрівач для того самого навантаження за тієї самої температури оболонки. У танках з обмеженим простором ця різниця може мати значення. У резервуарах з достатнім простором це не є вирішальним фактором.
| матеріал | Теплопровідність | Безпечна ватна щільність у хромовій кислоті | Площа поверхні для 5 кВт | Відносний слід |
|---|---|---|---|---|
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 Вт/см² | 3300–4200 см² | Базовий рівень |
| PVDF | 0.20 W/m·K | 1,0–1,3 Вт/см² | 3800–5000 см² | на 10–20% більше |
| FEP | 0.24 W/m·K | 1,2–1,4 Вт/см² | 3500–4200 см² | Схожі |
| PFA | 0.26 W/m·K | 1,2–1,5 Вт/см² | 3300–4200 см² | Схожі |
Вимоги до теплопровідності та площі поверхні фторполімерних оболонок у хромовій кислоті
Механічна міцність і довговічність
PTFE є м'яким полімером. Він схильний до холодного течії під навантаженням на стиснення, тому фланцеві з’єднання потребують механічних блокувань або частої повторної затяжки. PVDF твердіший і жорсткіший за PTFE. Він краще протистоїть холодному потоку і тримає форму під навантаженням.
При анодуванні хромовою кислотою, де стійки та заготовки можуть контактувати з нагрівачем під час завантаження та розвантаження, більша твердість PVDF забезпечує кращу стійкість до механічних пошкоджень. Виїмка в PTFE може створити місце зародження для осадження та шлях для хімічного проникнення. Такий самий вплив на PVDF може залишити лише поверхневий слід.
PVDF також більш стійкий до стирання, ніж PTFE. У резервуарах із завислими твердими речовинами або при частому очищенні PVDF довше зберігає свою поверхню. Гладка поверхня запобігає налипанню накипу та її легше чистити.
| Механічна властивість | PTFE | PVDF | Перевага |
|---|---|---|---|
| Твердість (Шор D) | 50–60 | 70–80 | PVDF |
| Міцність на розрив | 20–30 МПа | 40–55 МПа | PVDF |
| Стійкість до холодного потоку | Бідний | добре | PVDF |
| Стійкість до стирання | Помірний | добре | PVDF |
| Ударостійкість | Помірний | Помірний – Добре | PVDF |
Порівняння механічних властивостей оболонок нагрівача з PTFE та PVDF
Проникнення та термін служби
Проникнення – це повільна дифузія хімічних речовин через полімерну оболонку. При роботі з хромовою кислотою проникнення дозволяє іонам хрому та волозі досягати ізоляції MgO, знижуючи опір ізоляції та, зрештою, спричиняючи поломку.
PTFE має кращу стійкість до проникнення, ніж PVDF, особливо при підвищених температурах. Фторвуглецеві ланцюги в PTFE щільніше упаковані та менш рухливі, ніж ланцюги в PVDF, які містять атоми водню, які створюють проміжки в структурі полімеру. У хромовій кислоті при 55 градусах PTFE-оболонка може зайняти вдвічі більше часу, ніж PVDF-оболонка, щоб досягти того самого рівня проникнення.
Практичний наслідок - термін служби. Обігрівач PVDF в хромовій кислоті може прослужити 2-3 роки. Обігрівач PTFE у тій самій експлуатації може прослужити 4–6 років. Довший термін служби PTFE компенсує його вищу ціну протягом усього терміну служби установки.
| матеріал | Час до опору ізоляції<50 MΩ | Очікуваний термін служби в хромовій кислоті | Відносна швидкість проникнення |
|---|---|---|---|
| PTFE | 24–48 місяців | 4–6 років | 1× |
| PVDF | 12–24 місяці | 2–3 роки | 2–3× |
| FEP | 18-36 місяців | 3–4 роки | 1.5–2× |
| PFA | 24–48 місяців | 4–6 років | 1× |
Швидкість проникнення та термін служби фторполімерних оболонок у хромовій кислоті при 55 градусах
Порівняння витрат за часом
Нагрівачі PVDF зазвичай коштують на 20–30% дешевше, ніж нагрівачі PTFE аналогічної потужності та конфігурації. У -низькотемпературних, помірних-хімічних умовах, де обидва матеріали служать однаково довго, ПВДФ є економічним вибором.
У сфері використання хромової кислоти менший термін служби ПВДФ компенсує його нижчу ціну. Протягом десяти-років нагрівач PVDF може потребувати 3–5 замін, тоді як нагрівач PTFE потребує 2. Робота та час простою для кожної заміни додають різницю у вартості.
| матеріал | Ціна покупки | Термін служби | 10-річна заміна | Загальна вартість за 10 років |
|---|---|---|---|---|
| PTFE | Базовий рівень | 4–6 років | 2 | 2× ціна покупки |
| PVDF | 0,7–0,8 × базової лінії | 2–3 роки | 3–5 | 2,1–4,0× базова лінія |
| FEP | 0,8–0,9 × вихідного рівня | 3–4 роки | 2–3 | 1,6–2,7× базова лінія |
| PFA | 1,1–1,3× базова лінія | 4–6 років | 2 | 2,2–2,6× базова лінія |
Порівняння вартості фторполімерних нагрівачів за десяти-річний період використання хромової кислоти
Коли ПВДФ є кращим вибором
PVDF є кращим вибором, коли концентрація хромової кислоти низька, температура помірна, а резервуар має обмежений простір, що сприяє більш компактному нагрівачу. Він також підходить для застосувань, де механічна міцність важливіша за стійкість до проникнення-, наприклад, для резервуарів із частим завантаженням і розвантаженням, що створює ризик контакту з нагрівачем.
ПВДФ не підходить для високо-температурної роботи з хромовою кислотою, для ванн, температура яких може перевищувати 80 градусів, або для застосувань, де нагрівач повинен пропрацювати більше трьох років без заміни.
Коли PTFE є кращим вибором
PTFE є кращим вибором для більшості застосувань анодування хромовою кислотою. Вища стійкість до проникнення, більший температурний запас і довший термін служби виправдовують вищу ціну. У резервуарах, де заміна нагрівача заважає-великим резервуарам, критичним виробничим лініям або важко{3}}до{4}}доступним установкам-довший термін служби PTFE є значною перевагою.
Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з PTFE з низькою щільністю ват, великою площею поверхні та герметичними корпусами клем продовжує термін служби. Процес специфікації вимагає концентрації хромової кислоти, робочої температури, розмірів бака та необхідної потужності. На підприємствах, на яких працюють лінії анодування хромовою кислотою, цей-спеціальний підхід забезпечує надійне обслуговування там, де PVDF може не вистачати.
