De två materialen som ser utbytbara ut på papper
En kemisk bearbetningsanläggning specificerar en värmeväxlare för svavelsyraservice vid 150 grader. I anskaffningsdokumentet anges rörmaterialet som "PTFE eller motsvarande" och rörmåtten som 6 mm OD med en 0,8 mm vägg. Två offerter inkommer: en med PTFE-rör och en med PFA-rör. PFA-offerten är 15% högre och leveranstiden är fyra veckor längre.
Valet görs på basis av det lägre priset, och PTFE-enheten beställs. Enheten är installerad och fungerar i cirka 14 månader innan en läcka uppstår vid en rör-till-rörplåtskarv. Inspektionen visar att PTFE vid fogen har krupit och svetsen har spruckit. PFA-enheten skulle, om den hade valts, ha haft en svetsfog med högre krypmotstånd vid arbetstemperaturen.
Valbeslutet som verkade vara en enkel prisjämförelse var faktiskt ett beslut om den maximala driftstemperaturen och den gemensamma integriteten för de två materialen.
Den kemiska strukturskillnaden
PTFE och PFA är båda perfluorerade polymerer, vilket betyder att kolstommen är helt skyddad av fluoratomer. Skillnaden ligger i sidokedjorna. PTFE har en linjär struktur utan sidokedjor. PFA har en linjär struktur med perfluoroalkoxisidokedjor som är fästa vid ryggraden.
Sidokedjorna i PFA stör polymerens kristallinitet och minskar smältviskositeten. Den lägre smältviskositeten gör att PFA kan bearbetas genom smältextrudering och formsprutning, vilket ger rör och komponenter med jämnare ytor och mer tillförlitliga svetsfogar än PTFE.
Den linjära strukturen hos PTFE ger en högre kristallinitet, vilket ger PTFE högre draghållfasthet, bättre krypmotstånd och en högre kontinuerlig drifttemperatur än PFA.
Den maximala driftstemperaturskillnaden
Den maximala kontinuerliga drifttemperaturen för PTFE är 260 grader och för PFA är den 260 grader. De två materialen har samma nominella temperaturgräns. Den praktiska skillnaden uppträder i den förhöjda änden av intervallet, där de mekaniska egenskaperna börjar divergera.
Vid 150 grader behåller båda materialen tillräcklig mekanisk styrka för värmeväxlarservice. Vid 200 grader behåller PTFE cirka 70 % av sin draghållfasthet i rums-temperaturen, medan PFA behåller cirka 50 %. Vid 250 grader behåller PTFE cirka 50 %, medan PFA behåller cirka 30 %.
Den praktiska innebörden är att vid temperaturer över 200 grader är PTFE det bättre valet för tryck-innehållande komponenter, medan PFA är begränsad till applikationer med lägre-belastning.
Krypmotståndsskillnaden
Krypning är den långsamma deformationen av ett material under ihållande belastning. PTFE har bättre krypmotstånd än PFA på grund av dess högre kristallinitet och linjära struktur. Skillnaden är särskilt betydande vid förhöjd temperatur.
I en värmeväxlare är rören och rörplåten under ihållande belastning från det inre trycket och den termiska expansionen. Rör-till-rörplåtsfogarna är under ihållande belastning från sammanpressningen av fogen. Med tiden kryper materialet, och fogen kan lossna.
PTFE kryper i lägre hastighet än PFA vid samma temperatur och stress. Vid drift med hög-temperatur bestämmer denna skillnad skarvens livslängd. En PTFE-fog kan hålla i 10–15 år, medan en PFA-fog kan hålla i 5–8 år.
Svetsintegritetsskillnaden
PFA kan svetsas mer tillförlitligt än PTFE på grund av dess lägre smältviskositet. Svetszonen i PFA är mer homogen och svetshållfastheten är typiskt 90–95 % av modermaterialets styrka. Svetszonen i PTFE är mindre homogen och svetshållfastheten är typiskt 70–85 % av modermaterialets styrka.
Skillnaden i svetsintegritet är särskilt viktig vid skarvarna mellan rör-till-rörplåt, som är de mest belastade platserna i värmeväxlaren. En PFA-fog är mer pålitlig än en PTFE-fog, och livslängden på PFA-fogen är längre.
Skillnaden i ytjämnhet
PFA kan extruderas med en slätare yta än PTFE på grund av dess lägre smältviskositet. Den slätare ytan minskar vidhäftningen av avlagringar och partiklar, vilket minskar nedsmutsningshastigheten och rengöringsfrekvensen.
Vid syraservice med hög-temperatur är den jämnare PFA-ytan en fördel eftersom syran kan bilda avlagringar på rörytan, och avlagringarna minskar värmeöverföringskoefficienten. Den jämnare ytan minskar också partikelgenereringen, vilket är viktigt i applikationer med hög-renhet.
Jämför de två materialen i hög-Acid Service
Följande tabell sammanfattar prestanda och kostnadsegenskaper för PTFE- och PFA-värmeväxlare i svavelsyradrift vid 150 grader med 50 % svavelsyra.
| Karakteristisk | PTFE värmeväxlare | PFA värmeväxlare | Fördel |
|---|---|---|---|
| Maximal kontinuerlig drifttemperatur | 260 grader | 260 grader | Lika |
| Draghållfasthet vid 150 grader | 70 % av RT | 60 % av RT | PTFE |
| Draghållfasthet vid 200 grader | 50 % av RT | 35 % av RT | PTFE |
| Krypmotstånd vid 150 grader | Hög | Måttlig | PTFE |
| Krypmotstånd vid 200 grader | Måttlig | Låg | PTFE |
| Svetsstyrka | 70–85 % av föräldrarna | 90–95 % av föräldrarna | PFA |
| Ytjämnhet | Bra | Excellent | PFA |
| Nedsmutsningsmotstånd | Måttlig | Hög | PFA |
| Kemisk beständighet mot svavelsyra | Excellent | Excellent | Lika |
| Livslängd i hög-temperatursyra | 10–15 år | 8–12 år | PTFE |
| Kapitalkostnad för 30 kW tull | $28,000 | $32,000 | PTFE |
| Installationskostnad | $3,000 | $3,000 | Lika |
| Årlig underhållskostnad | $2,000 | $2,500 | PTFE |
| Fem-års total kostnad | $50,000 | $55,000 | PTFE |
De fem-åriga totala kostnadsvärdena antar ett produktionsvärde på 600 USD per timme och inkluderar kapitalkostnaden, installationskostnaden och underhållskostnaden under fem år.
När PFA är det bättre valet
PFA är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Hög-renhetstjänst.PFA har en slätare yta och lägre partikelgenerering än PTFE, vilket gör den lämplig för halvledar- och farmaceutiska tillämpningar där partikelkontaminationen är ett problem.
Nedsmutsning.Den jämnare PFA-ytan minskar vidhäftningen av avlagringar, vilket minskar nedsmutsningshastigheten och rengöringsfrekvensen.
Svetsfog-kritisk tjänst.PFA-svetsar är mer tillförlitliga än PTFE-svetsar, vilket gör PFA till det bättre valet för service där fogens integritet är kritisk.
Lägre-temperaturtjänst.Vid temperaturer under 150 grader fungerar båda materialen bra, och den slätare PFA-ytan och de mer pålitliga svetsarna kan gynna PFA trots den högre kostnaden.
Anpassade-tillverkade komponenter.PFA kan formas till komplexa former som är svåra att tillverka med PTFE, vilket gör det lämpligt för specialtillverkade- värmeväxlarkomponenter.
När PTFE är det bättre valet
PTFE är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Hög-temperaturtjänst över 200 grader.PTFE behåller sin mekaniska styrka vid temperaturer över 200 grader, medan PFA mjuknar och tappar styrka.
Hög-tjänst.PTFE har högre krypmotstånd än PFA, vilket gör den lämplig för högtryckstjänster där den ihållande belastningen är hög.
Stor värmeväxlartjänst.PTFE är billigare än PFA, vilket gör det lämpligt för stora värmeväxlare där kapitalkostnaden är en betydande faktor.
Termisk cykeltjänst.PTFE har högre värmechockbeständighet än PFA, vilket gör den lämplig för service med frekventa temperaturväxlingar.
Krav på lång livslängd.PTFE har bättre krypmotstånd och längre livslängd än PFA vid hög-temperaturdrift, vilket gör den lämplig för applikationer där livslängden är en kritisk faktor.
Specifikationsparametrar för High-Temperature Acid Service
Utrustningsingenjörer som utvärderar PTFE- och PFA-värmeväxlare för syraservice vid hög-temperatur bör bekräfta följande parametrar med leverantören.
Syra kemi.Ange syrasammansättningen, inklusive koncentrationen och föroreningarna.
Driftstemperatur.Ange maximal driftstemperatur och förväntad temperaturprofil.
Driftstryck.Ange maximalt drifttryck.
Värmebelastning och ytarea.Ange värmebelastning och erforderlig yta för varje materialalternativ.
Gemensam design.Ange fogdesignen rör-till-rörplåt och den erforderliga svetshållfastheten.
Ytfinish.Ange önskad ytfinish för nedsmutsning och partikelkontroll.
Termisk cykling.Ange förväntat antal och storlek på termiska cykler.
Krav på livslängd.Ange förväntad livslängd och ersättningsschema.
Matchande materialval till temperatur och fogkrav
Valet mellan PTFE- och PFA-värmeväxlare i hög-temperatursyradrift beror på temperaturen, trycket, kravet på fogintegritet och kravet på ytfinish. PTFE har bättre krypmotstånd och en högre praktisk temperaturgräns, medan PFA har bättre svetsintegritet och en slätare yta.
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 hög-temperaturanläggningar för sura serviceanläggningar som utvärderar värmeväxlaralternativ bör materialvalet baseras på den totala ägandekostnaden under den förväntade livslängden, inte bara kapitalkostnaden eller den termiska prestandan. En PFA-enhet med högre kapitalkostnad kan ha en lägre livstidskostnad om den kräver mindre underhåll och producerar färre partiklar.
Utrustningsingenjörer och inköpsspecialister som utvärderar PTFE-värmeväxlarspecifikationer för hög-temperatur syra eller annan korrosiv service kan begära en designgranskning som täcker syrakemi, driftstemperatur, driftstryck, fogdesign, ytfinish och livslängdskrav för att bekräfta att materialvalet matchar anläggningens faktiska serviceförhållanden och kostnadsstruktur.
