De två materialen som ser likadana ut vid låg temperatur
FEP och PTFE är båda perfluorerade polymerer och båda motstår de vanliga kylvätskor som används vid kemisk bearbetning: kylt vatten, glykollösningar, saltlösning och köldmedium. Vid temperaturer mellan 0 grader och 50 grader är den kemiska beständigheten och de mekaniska egenskaperna hos de två materialen likartade, och valet görs ofta på basis av kostnad.
FEP är en sampolymer av tetrafluoreten och hexafluorpropen. Hexafluorpropylensammonomeren stör polymerens kristallinitet och minskar smältviskositeten, vilket gör att FEP kan bearbetas genom smältsträngsprutning. FEP har en maximal kontinuerlig drifttemperatur på 200 grader, jämfört med 260 grader för PTFE.
PTFE är en homopolymer av tetrafluoreten. Den linjära strukturen ger en högre kristallinitet, vilket ger PTFE högre draghållfasthet, bättre krypmotstånd och en högre kontinuerlig drifttemperatur. PTFE kan inte smältbearbetas-, så det tillverkas genom formpressning och sintring.
Värmeledningsförmågan jämförelse
FEP och PTFE har liknande värmeledningsförmåga. PTFE har en konduktivitet på 0,25 W/m·K och FEP har en konduktivitet på 0,24 W/m·K. Skillnaden är försumbar, och den påverkar inte den erforderliga ytan för en given värmebelastning.
Den totala värmeöverföringskoefficienten för båda materialen domineras av vätskefilmmotstånden, inte av väggmotståndet. I vätske--till-vätskekylning är den totala koefficienten för en PTFE-värmeväxlare vanligtvis 200–300 W/m²·K, och koefficienten för en FEP-värmeväxlare är i stort sett densamma. Valet mellan de två materialen kan inte göras på basis av termisk prestanda.
Flex-utmattningsmotståndsskillnaden
Böj utmattningsmotstånd är förmågan hos ett material att motstå upprepad böjning och böjning utan att spricka. FEP har lägre motståndskraft mot böj utmattning än PTFE på grund av dess lägre kristallinitet och dess mer flexibla molekylära struktur.
Vid kemisk kylning med låg-temperatur kan flexibel utmattning uppstå i värmeväxlare som utsätts för vibrationer, termisk cykling eller mekanisk rörelse. Rören böjer sig när värmeväxlaren expanderar och drar ihop sig, och den upprepade böjningen kan orsaka sprickor i rörväggen.
PTFE har högre motståndskraft mot flexutmattning än FEP, vilket gör den lämplig för användning där rören utsätts för upprepad böjning. FEP är lämpligt för användning där rören är styvt stödda och inte utsätts för betydande rörelser.
Permeationsmotståndsskillnaden
Permeation är diffusion av en gas eller vätska genom en polymer. FEP har högre permeationshastigheter än PTFE på grund av dess lägre kristallinitet och dess öppnare molekylstruktur.
Vid kemisk kylning med låg-temperatur kan genomträngning vara ett problem om kylvätskan innehåller lösta gaser eller om processvätskan är känslig för kontaminering. Genomträngningen av syre eller koldioxid genom rörväggen kan påverka processkemin, och genomträngningen av processvätskan genom rörväggen kan kontaminera kylvätskan.
PTFE har lägre genomträngningshastigheter än FEP, vilket gör den lämplig för service där genomträngningen är ett problem. FEP lämpar sig för service där genomträngningen inte är en kritisk faktor.
Temperaturkapacitetsskillnaden
FEP har en maximal kontinuerlig drifttemperatur på 200 grader, medan PTFE har en maximal kontinuerlig drifttemperatur på 260 grader. Vid låg temperatur ligger båda materialen väl inom sitt serviceområde, och skillnaden i temperaturkapacitet påverkar inte valet.
Temperaturkapacitetsskillnaden blir viktig om processförhållandena ändras. Om kyltjänsten senare konverteras till en värmetjänst eller om driftstemperaturen höjs, kanske FEP-enheten inte är lämplig, och PTFE-enheten skulle behövas.
Jämför de två materialen i kemisk kylning med låg-temperatur
Följande tabell sammanfattar prestanda och kostnadsegenskaper för PTFE- och FEP-värmeväxlare i kemisk kylning med låg-temperatur vid 10 grader med en 30 % glykollösning.
| Karakteristisk | PTFE värmeväxlare | FEP värmeväxlare | Fördel |
|---|---|---|---|
| Värmeledningsförmåga | 0.25 W/m·K | 0.24 W/m·K | Lika |
| Total värmeöverföringskoefficient | 250 W/m²·K | 245 W/m²·K | Lika |
| Maximal kontinuerlig drifttemperatur | 260 grader | 200 grader | PTFE |
| Flex utmattningsmotstånd | Hög | Måttlig | PTFE |
| Genomträngningsmotstånd | Hög | Måttlig | PTFE |
| Kemisk beständighet mot glykollösning | Excellent | Excellent | Lika |
| Mekanisk styrka | Hög | Måttlig | PTFE |
| Motståndskraft mot termisk stöt | Hög | Måttlig | PTFE |
| Reparationsförmåga | Bra | Bra | Lika |
| Livslängd vid kylservice | 15–20 år | 10–15 år | PTFE |
| Kapitalkostnad för 20 kW tull | $18,000 | $14,000 | FEP |
| Installationskostnad | $2,500 | $2,500 | Lika |
| Årlig underhållskostnad | $1,200 | $1,800 | PTFE |
| Fem-års total kostnad | $33,500 | $33,500 | Lika |
De fem-åriga totala kostnadsvärdena antar ett produktionsvärde på 400 USD per timme och inkluderar kapitalkostnaden, installationskostnaden och underhållskostnaden under fem år. Den totala kostnaden på fem-år är i stort sett lika eftersom den lägre kapitalkostnaden för FEP kompenseras av den högre underhållskostnaden.
När FEP är det bättre valet
FEP är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Låg-temperaturtjänst utan böjning.Vid temperaturer under 50 grader och med styvt stödda rör presterar FEP lika bra som PTFE till en lägre kapitalkostnad.
Icke-kritisk genomträngningstjänst.När genomträngning av gaser eller vätskor genom rörväggen inte är ett problem, är FEP tillräckligt.
Krav på kort livslängd.När värmeväxlaren förväntas ha en livslängd på 10 år eller mindre är FEP tillräcklig och billigare.
Kostnadskänsliga-appar.När kapitalbudgeten är begränsad ger FEP adekvat prestanda till en lägre kostnad.
Standard kyltjänst.För standard kylservice utan ovanliga kemiska eller mekaniska krav är FEP tillräcklig.
När PTFE är det bättre valet
PTFE är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Flexibel service.När rören utsätts för vibrationer, termisk cykling eller mekanisk rörelse har PTFE högre motståndskraft mot böj utmattning än FEP.
Permeationskänslig-tjänst.När genomträngningen av gaser eller vätskor genom rörväggen är ett problem, har PTFE lägre permeationshastigheter än FEP.
Hög-temperaturtjänst.När driftstemperaturen kan överstiga 200 grader krävs PTFE eftersom FEP mjuknar och tappar styrka.
Krav på lång livslängd.När värmeväxlaren förväntas ha en livslängd på 15 år eller mer är PTFE det bättre valet eftersom den har högre mekanisk hållfasthet och bättre krypmotstånd.
Hög-renhetstjänst.När processvätskan är känslig för kontaminering har PTFE lägre permeationshastigheter och lägre extraherbara ämnen än FEP.
Designfunktioner som påverkar urvalet
Flera designegenskaper påverkar valet mellan PTFE och FEP.
Rörstödsavstånd.Närmare rörstödsavstånd minskar böjningen av rören, vilket minskar behovet av flexutmattning och gör att FEP kan användas.
Flödeshastighet.Högre flödeshastighet ökar vibrationerna och böjningen av rören, vilket gynnar PTFE.
Termisk cykling frekvens.Mer frekvent termisk cykling ökar böjningen av rören, vilket gynnar PTFE.
Processvätskekänslighet.Känsligare processvätskor kräver lägre permeationshastigheter, vilket gynnar PTFE.
Drifttemperaturmarginal.En större marginal mellan driftstemperaturen och materialgränsen ger mer flexibilitet för framtida processförändringar, vilket gynnar PTFE.
Specifikationsparametrar för kemisk kylning med låg-temperatur
Utrustningsingenjörer som utvärderar PTFE- och FEP-värmeväxlare för kemisk kylning med låg-temperatur bör bekräfta följande parametrar med leverantören.
Kylvätskekemi.Ange kylvätskans sammansättning, inklusive koncentrationen av glykol, saltlösning eller andra tillsatser.
Driftstemperatur.Ange maximal driftstemperatur och förväntad temperaturprofil.
Processvätskekänslighet.Ange processvätskans känslighet för kontaminering från permeation.
Böjande förhållanden.Specificera vibration, termisk cykling och mekanisk rörelse som rören kommer att uppleva.
Krav på livslängd.Ange förväntad livslängd och ersättningsschema.
Värmebelastning och ytarea.Ange värmebelastning och erforderlig yta för varje materialalternativ.
Utrymmesbegränsningar.Ange tillgängligt utrymme och maximalt tillåtet fotavtryck.
Underhållsförmåga.Ange underhållskapaciteten för anläggningen.
Matchande materialval till kylservicevillkor
Valet mellan PTFE- och FEP-värmeväxlare i kemisk kylning med låg-temperatur beror på böjningsförhållandena, permeationskänsligheten, livslängdskravet och kostnadskänsligheten. FEP är tillräckligt för låg-temperaturservice utan böjning och inga problem med genomträngning, och det är billigare. PTFE krävs för service med böjning, permeationsproblem eller krav på lång livslängd.
Urvalsbeslutet bör baseras på en anläggningsspecifik analys som inkluderar kapitalkostnaden, installationskostnaden, underhållskostnaden och exponeringen för produktionsförluster. En enkel kalkylbladsmodell med dessa kostnadskomponenter ger den information som behövs för att fatta beslut.
För kemiska kylanläggningar med låg-temperatur som utvärderar alternativen för värmeväxlare bör materialvalet baseras på den totala ägandekostnaden under den förväntade livslängden, inte bara kapitalkostnaden. En FEP-enhet med lägre kapitalkostnad kan ha en högre livstidskostnad om den kräver oftare utbyte.
Utrustningsingenjörer och inköpsspecialister som utvärderar PTFE-värmeväxlarspecifikationer för kemisk kylning med låg-temperatur eller annan korrosiv service kan begära en designgranskning som täcker kylvätskekemi, driftstemperatur, processvätskekänslighet, böjningsförhållanden och livslängdskrav för att bekräfta att materialvalet matchar anläggningens faktiska serviceförhållanden och kostnadsstruktur.
