Den molekylære forskjellen som driver motstandsgapet
Forskjellen mellom PTFE og PVDF ligger i karbon-hydrogenbindingene. PVDF er en kopolymer av vinylidenfluorid, og dens molekylære struktur inneholder karbon-hydrogenbindinger som ikke er tilstede i PTFE. Karbon-hydrogenbindingen er svakere enn karbon-fluorbindingen, og det er stedet der oksidasjonsangrepet begynner.
PTFE har en fullstendig fluorert karbonryggrad uten karbon-hydrogenbindinger. Karbon-fluorbindingen er en av de sterkeste i organisk kjemi, med en bindingsenergi på omtrent 485 kJ/mol. Oksiderende syrer har ikke nok energi til å bryte denne bindingen ved temperaturer under 260 grader.
PVDF har karbon-hydrogenbindinger med en bindingsenergi på omtrent 413 kJ/mol. Forskjellen er omtrent 15 %, men den praktiske effekten på oksidasjonsmotstanden er mye større. Oksydasjonsangrepet på PVDF starter ved karbon-hydrogenbindingen, og nedbrytningen forplanter seg langs polymerkjeden. Oksydasjonshastigheten øker med temperaturen og med konsentrasjonen av den oksiderende syren.
Sammenligning av oksiderende syremotstand
Motstanden til PTFE og PVDF mot oksiderende syrer avhenger av den spesifikke syren, konsentrasjonen og temperaturen.
Salpetersyre.PTFE motstår salpetersyre ved konsentrasjoner opp til 70 % og temperaturer opp til 200 grader. PVDF motstår salpetersyre ved konsentrasjoner opp til 50 % og temperaturer opp til 100 grader. Over disse grensene blir PVDF angrepet, og materialet brytes ned.
Kromsyre.PTFE motstår kromsyre ved konsentrasjoner opp til 50 % og temperaturer opp til 150 grader. PVDF motstår kromsyre ved konsentrasjoner opp til 30% og temperaturer opp til 80 grader. Over disse grensene blir PVDF angrepet, og materialet blir misfarget og sprøtt.
Perklorsyre.PTFE motstår perklorsyre ved konsentrasjoner opp til 70 % og temperaturer opp til 150 grader. PVDF motstår perklorsyre ved konsentrasjoner opp til 30 % og temperaturer opp til 60 grader. Perklorsyre er spesielt aggressiv mot PVDF på grunn av dets sterke oksidasjonspotensial.
Hydrogenperoksid.PTFE motstår hydrogenperoksid ved konsentrasjoner opp til 50 % og temperaturer opp til 100 grader. PVDF motstår hydrogenperoksid ved konsentrasjoner opp til 30 % og temperaturer opp til 60 grader. Nedbrytningen av hydrogenperoksid genererer oksygenradikaler som angriper PVDF.
Sammenligning av termisk konduktivitet
PTFE og PVDF har lignende varmeledningsevner. PTFE har en konduktivitet på 0,25 W/m·K, og PVDF har en konduktivitet på 0,19 W/m·K. Forskjellen er liten, og den påvirker ikke nevneverdig overflateareal for en gitt varmebelastning.
Den totale varmeoverføringskoeffisienten for begge materialene domineres av væskefilmmotstandene, ikke av veggmotstanden. Ved bruk av væske-til-væske er den totale koeffisienten for en PTFE-varmeveksler typisk 200–300 W/m²·K, og koeffisienten for en PVDF-varmeveksler er typisk 180–280 W/m²·K. Forskjellen er mindre enn 10 %, som er innenfor usikkerheten til varmeoverføringsberegningen.
Den termiske konduktivitetssammenligningen favoriserer derfor ikke noen av materialene på en meningsfull måte. Utvalget må være basert på den kjemiske kompatibiliteten og de mekaniske egenskapene.
Sammenligning av de to materialene i oksiderende syretjeneste
Følgende tabell oppsummerer ytelsen og kostnadsegenskapene til PTFE- og PVDF-varmevekslere ved oksiderende syre ved 60 grader med 30 % salpetersyre.
| Karakteristisk | PTFE varmeveksler | PVDF varmeveksler | Fordel |
|---|---|---|---|
| Termisk ledningsevne | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| Total varmeoverføringskoeffisient | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| Maksimal driftstemperatur | 260 grader | 150 grader | PTFE |
| Resistensgrense for salpetersyre | 70 % ved 200 grader | 50 % ved 100 grader | PTFE |
| Grense for motstand mot kromsyre | 50 % ved 150 grader | 30 % ved 80 grader | PTFE |
| Perklorsyreresistensgrense | 70 % ved 150 grader | 30 % ved 60 grader | PTFE |
| Grense for motstand mot hydrogenperoksid | 50 % ved 100 grader | 30 % ved 60 grader | PTFE |
| Mekanisk styrke | Moderat | Høy | PVDF |
| Maksimalt driftstrykk | 0,5 MPa | 1,0 MPa | PVDF |
| Levetid ved bruk av oksiderende syre | 12–18 år | 5–8 år | PTFE |
| Kapitalkostnad for 30 kW avgift | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| Installasjonskostnad | $3,000 | $3,000 | Lik |
| Årlig vedlikeholdskostnad | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| Fem-års totalkostnad | $47,500 | $53,000 | PTFE |
De fem-års totale kostnadsverdiene antar en produksjonsverdi på 500 USD per time og inkluderer kapitalkostnaden, installasjonskostnaden og vedlikeholdskostnaden over fem år.
Når PVDF er det bedre valget
PVDF er det bedre valget i flere spesifikke bruksområder.
Lav-temperaturtjeneste.Ved temperaturer under 40 grader motstår PVDF de fleste oksiderende syrer uten problemer, og de lavere kapitalkostnadene favoriserer PVDF.
Lav-konsentrasjonstjeneste.Ved konsentrasjoner under 20 % motstår PVDF de fleste oksiderende syrer ved temperaturer opp til 60 grader, og de lavere kapitalkostnadene favoriserer PVDF.
Høytrykkstjeneste.{{0}PVDF har høyere mekanisk styrke enn PTFE og tåler høyere trykk. For oksiderende syreservice ved trykk over 5 bar, kan PVDF være det eneste levedyktige alternativet.
Ikke-kritisk tjeneste.Når varmeveksleren ikke er kritisk for prosessen og erstatningskostnaden er akseptabel, gir PVDF tilstrekkelig ytelse til en lavere kostnad.
Krav til kort levetid.Når varmeveksleren forventes å ha en levetid på 5 år eller mindre, er PVDF tilstrekkelig og rimeligere.
Når PTFE er det bedre valget
PTFE er det bedre valget i flere spesifikke bruksområder.
Høy-temperaturtjeneste.Ved temperaturer over 60 grader motstår PTFE oksiderende syrer bedre enn PVDF, og levetiden er lengre.
Høy-konsentrasjonstjeneste.Ved konsentrasjoner over 30 % motstår PTFE oksiderende syrer bedre enn PVDF.
Perklorsyretjeneste.PTFE er den eneste levedyktige fluorpolymeren for perklorsyretjeneste fordi PVDF angripes ved lav konsentrasjon og temperatur.
Krav til lang levetid.Når varmeveksleren forventes å ha en levetid på 10 år eller mer, er PTFE det bedre valget fordi den motstår det kjemiske angrepet over en lengre periode.
Kritisk tjeneste.Når varmeveksleren er kritisk for prosessen og nedetidskostnadene er høye, er PTFE det bedre valget fordi det har lavere feilsannsynlighet.
Designfunksjoner som forlenger levetiden
Flere designfunksjoner forlenger levetiden til både PTFE- og PVDF-varmevekslere ved bruk av oksiderende syre.
Lavere driftstemperatur.Redusering av driftstemperaturen reduserer oksidasjonshastigheten og forlenger levetiden til begge materialene.
Lavere konsentrasjon.Redusering av syrekonsentrasjonen reduserer oksidasjonshastigheten og forlenger levetiden.
Strømningshastighetskontroll.Ved å opprettholde en moderat strømningshastighet reduseres grenselagets tykkelse og konsentrasjonen av oksiderende stoffer ved røroverflaten.
På-plasser rengjøringsmidler.Koblinger for tilførsel og retur av renseløsning gjør at varmeveksleren kan rengjøres uten demontering, noe som reduserer nedetiden og produksjonstapet.
Temperaturovervåking.Temperatursensorer ved varmevekslerens innløp og utløp lar varmeoverføringsytelsen overvåkes, noe som muliggjør tidlig oppdagelse av begroing eller nedbrytning.
Spesifikasjonsparametre for oksiderende syreservice
Utstyrsingeniører som vurderer PTFE- og PVDF-varmevekslere for oksiderende syreservice, bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Syrekjemi.Spesifiser syresammensetningen, inkludert konsentrasjonen og forurensningene.
Driftstemperatur.Angi maksimal driftstemperatur og forventet temperaturprofil.
Driftstrykk.Angi maksimalt driftstrykk.
Varmebelastning og overflateareal.Spesifiser varmebelastningen og nødvendig overflateareal for hvert materialalternativ.
Kjemisk kompatibilitet.Bekreft at materialet er kompatibelt med den spesifikke syren ved driftstemperatur og konsentrasjon.
Levetid krav.Angi forventet levetid og utskiftingsplanen.
Vedlikeholdsevne.Spesifiser vedlikeholdsevnen til anlegget, inkludert muligheten til å reparere varmeveksleren på stedet.
Produksjonsverdi og nedetidskostnad.Oppgi produksjonsverdien og nedetidskostnaden slik at den totale eierkostnadsanalysen kan skreddersys til anlegget.
Matchende materialvalg til bruksforhold for oksiderende syre
Valget mellom PTFE- og PVDF-varmevekslere i oksiderende syredrift avhenger av syrekjemien, temperaturen, konsentrasjonen og levetidskravet. PVDF har lavere kapitalkostnader og høyere mekanisk styrke, men det er mer utsatt for oksidasjonsangrep ved forhøyet temperatur og høy konsentrasjon. PTFE har en høyere kapitalkostnad, men en lengre levetid ved aggressiv oksiderende syredrift.
Valgbeslutningen bør være basert på en anleggsspesifikk analyse som inkluderer kapitalkostnaden, vedlikeholdskostnaden og eksponeringen for produksjonstap. En enkel regnearkmodell med disse kostnadskomponentene gir informasjonen som trengs for å ta avgjørelsen.
For oksiderende syreserviceanlegg som evaluerer varmeveksleralternativer, bør materialvalget være basert på de totale eierkostnadene over forventet levetid, ikke bare kapitalkostnaden. En PVDF-enhet med lavere kapitalkostnad kan ha høyere levetidskostnad dersom den krever hyppigere utskifting.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som vurderer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for oksiderende syre eller annen korrosiv tjeneste, kan be om en designgjennomgang som dekker syrekjemi, driftstemperatur, driftstrykk, kjemisk kompatibilitet og levetidskrav for å bekrefte at materialvalget er tilpasset de faktiske driftsforholdene og kostnadsstrukturen til anlegget.
