Molekulaarne erinevus, mis põhjustab takistuse lõhet
PTFE ja PVDF erinevus seisneb süsinik{0}}vesiniksidemetes. PVDF on vinülideenfluoriidi kopolümeer ja selle molekulaarstruktuur sisaldab süsinik-vesiniksidemeid, mida PTFE-s ei ole. Süsinik-vesinikside on nõrgem kui süsinik-fluori side ja see on koht, kus algab oksüdatsioonirünnak.
PTFE-l on täielikult fluoritud süsiniku karkass, millel puuduvad süsinik{0}}vesiniksidemed. Süsinik-fluorsideme on orgaanilises keemias üks tugevamaid sideme energiaga ligikaudu 485 kJ/mol. Oksüdeerivatel hapetel ei ole piisavalt energiat selle sideme katkestamiseks temperatuuril alla 260 kraadi.
PVDF-il on süsinik{0}}vesiniksidemed sideme energiaga ligikaudu 413 kJ/mol. Erinevus on ligikaudu 15%, kuid praktiline mõju oksüdatsioonikindlusele on palju suurem. Oksüdatsioonirünnak PVDF-ile algab süsinik-vesiniksideme juures ja lagunemine levib mööda polümeeri ahelat. Oksüdatsioonikiirus suureneb koos temperatuuri ja oksüdeeriva happe kontsentratsiooniga.
Oksüdeeriva happe resistentsuse võrdlus
PTFE ja PVDF vastupidavus oksüdeerivatele hapetele sõltub konkreetsest happest, kontsentratsioonist ja temperatuurist.
Lämmastikhape.PTFE talub lämmastikhapet kontsentratsioonidel kuni 70% ja temperatuuridel kuni 200 kraadi. PVDF talub lämmastikhapet kontsentratsioonidel kuni 50% ja temperatuuridel kuni 100 kraadi. Üle nende piiride rünnatakse PVDF-i ja materjal laguneb.
Kroomhape.PTFE talub kroomhapet kontsentratsioonidel kuni 50% ja temperatuuridel kuni 150 kraadi. PVDF talub kroomhapet kontsentratsioonidel kuni 30% ja temperatuuridel kuni 80 kraadi. Üle nende piiride rünnatakse PVDF-i ning materjal muutub värviliseks ja rabedaks.
Perkloorhape.PTFE talub perkloorhapet kontsentratsioonidel kuni 70% ja temperatuuridel kuni 150 kraadi. PVDF talub perkloorhapet kontsentratsioonidel kuni 30% ja temperatuuridel kuni 60 kraadi. Perkloorhape on PVDF-i suhtes eriti agressiivne oma tugeva oksüdeeriva potentsiaali tõttu.
Vesinikperoksiid.PTFE talub vesinikperoksiidi kontsentratsioonil kuni 50% ja temperatuuridel kuni 100 kraadi. PVDF talub vesinikperoksiidi kontsentratsioonil kuni 30% ja temperatuuridel kuni 60 kraadi. Vesinikperoksiidi lagunemine tekitab hapnikuradikaale, mis ründavad PVDF-i.
Soojusjuhtivuse võrdlus
PTFE ja PVDF on sarnase soojusjuhtivusega. PTFE juhtivus on 0,25 W/m·K ja PVDF-i juhtivus 0,19 W/m·K. Erinevus on väike ja see ei mõjuta oluliselt antud soojuskoormuse jaoks vajalikku pinda.
Mõlema materjali üldises soojusülekandeteguris domineerivad vedelikukile takistused, mitte seinatakistus. Vedelik-vedelik{2}}teenuse puhul on PTFE-soojusvaheti üldine koefitsient tavaliselt 200–300 W/m²·K ja PVDF-soojusvaheti puhul 180–280 W/m²·K. Erinevus on alla 10%, mis jääb soojusülekande arvutuse määramatuse piiresse.
Soojusjuhtivuse võrdlus ei soosi seega sisuliselt kumbagi materjali. Valik peab põhinema keemilisel ühilduvusel ja mehaanilistel omadustel.
Kahe materjali võrdlemine oksüdeeriva happe teenuses
Järgmises tabelis on kokku võetud PTFE ja PVDF soojusvahetite jõudlus- ja kuluomadused oksüdeeriva happega töötamisel 60 kraadi juures 30% lämmastikhappega.
| Iseloomulik | PTFE soojusvaheti | PVDF soojusvaheti | Eelis |
|---|---|---|---|
| Soojusjuhtivus | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| Üldine soojusülekandetegur | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| Maksimaalne töötemperatuur | 260 kraadi | 150 kraadi | PTFE |
| Lämmastikhappe vastupidavuse piir | 70% 200 kraadi juures | 50% 100 kraadi juures | PTFE |
| Kroomhappe resistentsuse piir | 50% 150 kraadi juures | 30% 80 kraadi juures | PTFE |
| Perkloorhappe resistentsuse piir | 70% 150 kraadi juures | 30% 60 kraadi juures | PTFE |
| Vesinikperoksiidi vastupidavuse piir | 50% 100 kraadi juures | 30% 60 kraadi juures | PTFE |
| Mehaaniline tugevus | Mõõdukas | Kõrge | PVDF |
| Maksimaalne töörõhk | 0,5 MPa | 1,0 MPa | PVDF |
| Kasutusiga oksüdeeriva happe teeninduses | 12-18 aastat | 5-8 aastat | PTFE |
| Kapitalikulu 30 kW tollimaksu jaoks | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| Paigalduskulu | $3,000 | $3,000 | Võrdne |
| Iga-aastane hoolduskulu | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| Viie{0}}aasta kogukulu | $47,500 | $53,000 | PTFE |
Viie{0}}aasta kogumaksumuse väärtused eeldavad tootmisväärtust 500 $ tunnis ja sisaldavad kapitalikulusid, paigalduskulusid ja hoolduskulusid viie aasta jooksul.
Kui PVDF on parem valik
PVDF on parem valik mitmes konkreetses rakenduses.
Madala{0}}temperatuuri teenus.Temperatuuridel alla 40 kraadi peab PVDF raskusteta vastu enamikule oksüdeerivatest hapetest ja madalam kapitalikulu eelistab PVDF-i.
Madala-kontsentratsiooniga teenus.Kui kontsentratsioon on alla 20%, peab PVDF vastu enamikule oksüdeerivatele hapetele temperatuuril kuni 60 kraadi ja madalam kapitalikulu eelistab PVDF-i.
Kõrg{0}}rõhuteenus.PVDF-il on suurem mehaaniline tugevus kui PTFE-l ja see talub suuremat rõhku. Oksüdeeriva happega töötamiseks rõhul üle 5 baari võib PVDF olla ainuke lahendus.
Mitte{0}}oluline teenus.Kui soojusvaheti ei ole protsessi jaoks kriitiline ja asenduskulud on vastuvõetavad, tagab PVDF piisava jõudluse madalamate kuludega.
Lühikese kasutusea nõue.Kui soojusvaheti eeldatav kasutusiga on 5 aastat või vähem, on PVDF piisav ja odavam.
Kui PTFE on parem valik
PTFE on parem valik mitmes konkreetses rakenduses.
Kõrge{0}}temperatuuri teenus.Temperatuuridel üle 60 kraadi talub PTFE oksüdeerivaid happeid paremini kui PVDF ja kasutusiga on pikem.
Kõrge{0}}kontsentratsiooniga teenus.Üle 30% kontsentratsioonidel peab PTFE oksüdeerivatele hapetele paremini vastu kui PVDF.
Perkloorhappe teenus.PTFE on ainus elujõuline fluoropolümeer perkloorhappe kasutamiseks, kuna PVDF-i rünnatakse madalal kontsentratsioonil ja temperatuuril.
Pika kasutusea nõue.Kui soojusvaheti eeldatav kasutusiga on 10 aastat või rohkem, on PTFE parem valik, kuna see peab pikema aja jooksul vastu keemilisele rünnakule.
Kriitiline teenus.Kui soojusvaheti on protsessi jaoks kriitiline ja seisakukulud on suured, on PTFE parem valik, kuna sellel on väiksem rikke tõenäosus.
Disainifunktsioonid, mis pikendavad kasutusiga
Mitmed konstruktsiooniomadused pikendavad nii PTFE kui ka PVDF soojusvahetite kasutusiga oksüdeeriva happe hoolduses.
Madalam töötemperatuur.Töötemperatuuri alandamine vähendab oksüdatsioonikiirust ja pikendab mõlema materjali kasutusiga.
Madalam kontsentratsioon.Happe kontsentratsiooni vähendamine vähendab oksüdatsioonikiirust ja pikendab kasutusiga.
Voolukiiruse juhtimine.Mõõduka voolukiiruse säilitamine vähendab piirkihi paksust ja oksüdeerivate ainete kontsentratsiooni toru pinnal.
Kohaldage-puhastusmeetmed.Puhastuslahuse etteande ja tagasivoolu ühendused võimaldavad soojusvaheti puhastamist lahti võtmata, mis vähendab seisakuid ja tootmiskadusid.
Temperatuuri jälgimine.Soojusvaheti sisse- ja väljalaskeava juures olevad temperatuuriandurid võimaldavad jälgida soojusülekande jõudlust, mis võimaldab varakult tuvastada saastumist või lagunemist.
Oksüdeeriva happe teenuse spetsifikatsiooniparameetrid
Seadmeinsenerid, kes hindavad PTFE- ja PVDF-soojusvahetiid oksüdeeriva happe teenuse jaoks, peaksid tarnijaga kinnitama järgmised parameetrid.
Happe keemia.Täpsustage happe koostis, sealhulgas kontsentratsioon ja saasteained.
Töötemperatuur.Määrake maksimaalne töötemperatuur ja eeldatav temperatuuriprofiil.
Töörõhk.Määrake maksimaalne töörõhk.
Soojuskoormus ja pindala.Määrake iga materjalivaliku jaoks soojuskoormus ja nõutav pindala.
Keemiline ühilduvus.Veenduge, et materjal sobib töötemperatuuril ja kontsentratsioonil konkreetse happega.
Kasutusaja nõue.Määrake eeldatav kasutusiga ja asendamise ajakava.
Hooldusvõime.Täpsustage rajatise hooldusvõime, sealhulgas soojusvaheti kohapeal parandamise võimalus.
Tootmisväärtus ja seisakuaja maksumus.Esitage toodangu väärtus ja seisakukulu, et omandianalüüsi kogumaksumust saaks kohandada vastavalt rajatisele.
Materjali valiku sobitamine oksüdeeriva happe teenindustingimustega
Valik PTFE ja PVDF soojusvahetite vahel oksüdeeriva happega töötamisel sõltub happekeemiast, temperatuurist, kontsentratsioonist ja kasutusea nõudest. PVDF-il on madalam kapitalikulu ja suurem mehaaniline tugevus, kuid see on kõrgemal temperatuuril ja kõrgel kontsentratsioonil vastuvõtlikum oksüdatsioonirünnakutele. PTFE-l on kõrgem kapitalikulu, kuid pikem kasutusiga agressiivse oksüdeeriva happe kasutamisel.
Valikuotsus peaks põhinema objekti{0}}spetsiifilisel analüüsil, mis hõlmab kapitalikulusid, hoolduskulusid ja tootmiskao riski. Nende kulukomponentidega lihtne tabelimudel pakub otsuse tegemiseks vajalikku teavet.
Oksüdeeriva happe teenindusrajatiste puhul, mis hindavad soojusvaheti valikuid, peaks materjali valik põhinema eeldatava kasutusea kogu omamiskuludel, mitte ainult kapitalikuludel. Madalama kapitalikuluga PVDF-seadme eluea maksumus võib olla suurem, kui see vajab sagedasemat väljavahetamist.
Seadmeinsenerid ja hankespetsialistid, kes hindavad PTFE-soojusvaheti spetsifikatsioone oksüdeeriva happe või muu söövitava teenuse jaoks, võivad taotleda projekti ülevaatamist, mis hõlmab happekeemia, töötemperatuuri, töörõhu, keemilise ühilduvuse ja kasutusea nõudeid, et kinnitada, et materjali valik on vastavuses rajatise tegelike kasutustingimuste ja kulustruktuuriga.
