De to materialene som ser like ut ved lav temperatur
FEP og PTFE er begge perfluorerte polymerer, og begge motstår de vanlige kjølevæskene som brukes i kjemisk prosessering: kjølt vann, glykolløsninger, saltlake og kjølemiddel. Ved temperaturer mellom 0 grader og 50 grader er den kjemiske motstanden og de mekaniske egenskapene til de to materialene like, og utvalget gjøres ofte på grunnlag av kostnad.
FEP er en kopolymer av tetrafluoretylen og heksafluorpropylen. Heksafluorpropylen-komonomeren forstyrrer krystalliniteten til polymeren og reduserer smelteviskositeten, noe som gjør at FEP kan behandles ved smelteekstrudering. FEP har en maksimal kontinuerlig driftstemperatur på 200 grader, sammenlignet med 260 grader for PTFE.
PTFE er en homopolymer av tetrafluoretylen. Den lineære strukturen gir en høyere krystallinitet, noe som gir PTFE høyere strekkfasthet, bedre krypemotstand og en høyere kontinuerlig driftstemperatur. PTFE kan ikke smelte-behandles, så det er fremstilt ved formpressing og sintring.
Sammenligning av termisk konduktivitet
FEP og PTFE har lignende varmeledningsevner. PTFE har en konduktivitet på 0,25 W/m·K, og FEP har en konduktivitet på 0,24 W/m·K. Forskjellen er ubetydelig, og den påvirker ikke det nødvendige overflatearealet for en gitt varmebelastning.
Den totale varmeoverføringskoeffisienten for begge materialene domineres av væskefilmmotstandene, ikke av veggmotstanden. I væske-til-væskekjøling er den totale koeffisienten for en PTFE-varmeveksler typisk 200–300 W/m²·K, og koeffisienten for en FEP-varmeveksler er i hovedsak den samme. Valget mellom de to materialene kan ikke gjøres på grunnlag av termisk ytelse.
Forskjellen i Flex Fatigue Resistance
Bøyeutmattingsmotstand er evnen til et materiale til å tåle gjentatt bøyning og bøying uten å sprekke. FEP har lavere motstand mot bøyningsutmatting enn PTFE på grunn av dens lavere krystallinitet og den mer fleksible molekylstrukturen.
Ved kjemisk kjøling med lav-temperatur kan det oppstå flekstretthet i varmevekslere som utsettes for vibrasjoner, termisk syklus eller mekanisk bevegelse. Rørene bøyer seg når varmeveksleren ekspanderer og trekker seg sammen, og den gjentatte bøyningen kan forårsake sprekker i rørveggen.
PTFE har høyere motstand mot bøyning enn FEP, noe som gjør den egnet for bruk der rørene utsettes for gjentatt bøyning. FEP er egnet for bruk der rørene er stivt støttet og ikke utsatt for betydelig bevegelse.
Permeasjonsmotstandsforskjellen
Permeasjon er diffusjon av en gass eller væske gjennom en polymer. FEP har høyere permeasjonshastigheter enn PTFE på grunn av sin lavere krystallinitet og sin mer åpne molekylære struktur.
Ved kjemisk kjøling med lav-temperatur kan permeasjon være et problem hvis kjølevæsken inneholder oppløste gasser eller hvis prosessvæsken er følsom for forurensning. Permeasjonen av oksygen eller karbondioksid gjennom rørveggen kan påvirke prosesskjemien, og gjennomtrengningen av prosessvæsken gjennom rørveggen kan forurense kjølevæsken.
PTFE har lavere permeasjonsrater enn FEP, noe som gjør den egnet for bruk der gjennomtrengningen er et problem. FEP er egnet for service der gjennomtrengningen ikke er en kritisk faktor.
Temperaturkapasitetsforskjellen
FEP har en maksimal kontinuerlig driftstemperatur på 200 grader, mens PTFE har en maksimal kontinuerlig driftstemperatur på 260 grader. Ved lav temperatur er begge materialene godt innenfor tjenesteområdet, og forskjellen i temperaturkapasitet påvirker ikke utvalget.
Temperaturkapasitetsforskjellen blir viktig hvis prosessforholdene endres. Hvis kjøletjenesten senere konverteres til en varmetjeneste eller hvis driftstemperaturen økes, kan det hende at FEP-enheten ikke er egnet, og PTFE-enheten vil være nødvendig.
Sammenligning av de to materialene i lavtemperatur-kjemisk kjøling
Tabellen nedenfor oppsummerer ytelsen og kostnadsegenskapene til PTFE- og FEP-varmevekslere i lav-temperatur kjemisk kjøling ved 10 grader med en 30 % glykolløsning.
| Karakteristisk | PTFE varmeveksler | FEP varmeveksler | Fordel |
|---|---|---|---|
| Termisk ledningsevne | 0.25 W/m·K | 0.24 W/m·K | Lik |
| Total varmeoverføringskoeffisient | 250 W/m²·K | 245 W/m²·K | Lik |
| Maksimal kontinuerlig driftstemperatur | 260 grader | 200 grader | PTFE |
| Flex tretthetsmotstand | Høy | Moderat | PTFE |
| Permeasjonsmotstand | Høy | Moderat | PTFE |
| Kjemisk motstand mot glykolløsning | Glimrende | Glimrende | Lik |
| Mekanisk styrke | Høy | Moderat | PTFE |
| Motstand mot termisk sjokk | Høy | Moderat | PTFE |
| Reparasjonsevne | God | God | Lik |
| Levetid i kjøletjeneste | 15–20 år | 10–15 år | PTFE |
| Kapitalkostnad for 20 kW avgift | $18,000 | $14,000 | FEP |
| Installasjonskostnad | $2,500 | $2,500 | Lik |
| Årlig vedlikeholdskostnad | $1,200 | $1,800 | PTFE |
| Fem-års totalkostnad | $33,500 | $33,500 | Lik |
De fem-års totale kostnadsverdiene antar en produksjonsverdi på $400 per time og inkluderer kapitalkostnaden, installasjonskostnaden og vedlikeholdskostnaden over fem år. De fem-års totale kostnadene er i hovedsak lik fordi den lavere kapitalkostnaden til FEP blir oppveid av den høyere vedlikeholdskostnaden.
Når FEP er det bedre valget
FEP er det bedre valget i flere spesifikke applikasjoner.
Lav-temperaturtjeneste uten bøying.Ved temperaturer under 50 grader og med stivt støttede rør, fungerer FEP like bra som PTFE til en lavere kapitalkostnad.
Ikke-kritisk permeasjonstjeneste.Når gjennomtrenging av gasser eller væsker gjennom rørveggen ikke er et problem, er FEP tilstrekkelig.
Krav til kort levetid.Når varmeveksleren forventes å ha en levetid på 10 år eller mindre, er FEP tilstrekkelig og rimeligere.
Kostnadssensitive applikasjoner-.Når kapitalbudsjettet er begrenset, gir FEP tilstrekkelig ytelse til en lavere kostnad.
Standard kjøletjeneste.For standard kjøletjeneste uten uvanlige kjemiske eller mekaniske krav, er FEP tilstrekkelig.
Når PTFE er det bedre valget
PTFE er det bedre valget i flere spesifikke bruksområder.
Fleksibel tjeneste.Når rørene utsettes for vibrasjon, termisk sykling eller mekanisk bevegelse, har PTFE høyere motstand mot bøyningsutmatting enn FEP.
Permeasjonssensitiv-tjeneste.Når permeasjon av gasser eller væsker gjennom rørveggen er en bekymring, har PTFE lavere permeasjonshastigheter enn FEP.
Høy-temperaturtjeneste.Når driftstemperaturen kan overstige 200 grader, er PTFE nødvendig fordi FEP mykner og mister styrke.
Krav til lang levetid.Når varmeveksleren forventes å ha en levetid på 15 år eller mer, er PTFE det bedre valget fordi den har høyere mekanisk styrke og bedre krypemotstand.
Høy-renhetstjeneste.Når prosessvæsken er følsom for forurensning, har PTFE lavere permeasjonshastigheter og lavere ekstraherbare materialer enn FEP.
Designfunksjoner som påvirker utvalget
Flere designfunksjoner påvirker valget mellom PTFE og FEP.
Rørstøtteavstand.Tettere rørstøtteavstand reduserer bøyningen av rørene, noe som reduserer behovet for bøyningstretthet og gjør at FEP kan brukes.
Strømningshastighet.Høyere strømningshastighet øker vibrasjonen og bøyningen av rørene, noe som favoriserer PTFE.
Termisk sykling frekvens.Hyppigere termisk sykling øker bøyningen av rørene, noe som favoriserer PTFE.
Prosessvæskefølsomhet.Mer følsomme prosessvæsker krever lavere permeasjonshastigheter, noe som favoriserer PTFE.
Driftstemperaturmargin.En større margin mellom driftstemperatur og materialgrense gir mer fleksibilitet for fremtidige prosessendringer, noe som favoriserer PTFE.
Spesifikasjonsparametre for lav-temperatur kjemisk kjøling
Utstyrsingeniører som vurderer PTFE- og FEP-varmevekslere for kjemisk lav-temperatur, bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Kjølevæskekjemi.Spesifiser sammensetningen av kjølevæsken, inkludert konsentrasjonen av glykol, saltvann eller andre tilsetningsstoffer.
Driftstemperatur.Angi maksimal driftstemperatur og forventet temperaturprofil.
Prosessvæskefølsomhet.Spesifiser følsomheten til prosessvæsken for forurensning fra permeasjon.
Fleksible forhold.Spesifiser vibrasjonen, den termiske syklingen og den mekaniske bevegelsen som rørene vil oppleve.
Levetid krav.Angi forventet levetid og utskiftingsplanen.
Varmebelastning og overflateareal.Spesifiser varmebelastningen og nødvendig overflateareal for hvert materialalternativ.
Plassbegrensninger.Spesifiser tilgjengelig plass og maksimalt tillatt fotavtrykk.
Vedlikeholdsevne.Spesifiser vedlikeholdskapasiteten til anlegget.
Matchende materialvalg til kjøleservicebetingelser
Valget mellom PTFE- og FEP-varmevekslere i lav-temperatur kjemisk kjøling avhenger av bøyeforholdene, permeasjonsfølsomheten, levetidskravet og kostnadsfølsomheten. FEP er tilstrekkelig for lav-temperaturtjeneste uten bøyning og uten problemer med gjennomtrengning, og det er rimeligere. PTFE er nødvendig for service med bøyning, gjennomtrengningsproblemer eller krav om lang levetid.
Valgbeslutningen bør være basert på en anleggsspesifikk analyse- som inkluderer kapitalkostnaden, installasjonskostnaden, vedlikeholdskostnaden og eksponeringen for produksjonstap. En enkel regnearkmodell med disse kostnadskomponentene gir informasjonen som trengs for å ta avgjørelsen.
For kjemiske kjøleanlegg med lav-temperatur som evaluerer alternativer for varmeveksler, bør materialvalget være basert på den totale eierkostnaden over forventet levetid, ikke bare kapitalkostnaden. En FEP-enhet med lavere kapitalkostnad kan ha høyere levetidskostnad dersom den krever hyppigere utskifting.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som vurderer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for lav-temperatur kjemisk kjøling eller annen korrosiv tjeneste, kan be om en designgjennomgang som dekker kjølevæskekjemi, driftstemperatur, prosessvæskefølsomhet, bøyningsforhold og levetidskrav for å bekrefte at materialvalget er tilpasset de faktiske serviceforholdene og kostnadsstrukturen til anlegget.
