Den molekylära skillnaden som driver motståndsgapet
Skillnaden mellan PTFE och PVDF ligger i kol-vätebindningarna. PVDF är en sampolymer av vinylidenfluorid och dess molekylstruktur innehåller kol-vätebindningar som inte finns i PTFE. Kol-vätebindningen är svagare än kol-fluorbindningen, och det är platsen där oxidationsangreppet börjar.
PTFE har en helt fluorerad kolstomme utan kol-vätebindningar. Kol-fluorbindningen är en av de starkaste inom organisk kemi, med en bindningsenergi på cirka 485 kJ/mol. Oxiderande syror har inte tillräcklig energi för att bryta denna bindning vid temperaturer under 260 grader.
PVDF har kol-vätebindningar med en bindningsenergi på cirka 413 kJ/mol. Skillnaden är cirka 15 %, men den praktiska effekten på oxidationsbeständigheten är mycket större. Oxidationsangreppet på PVDF initieras vid kol-vätebindningen och nedbrytningen fortplantar sig längs polymerkedjan. Oxidationshastigheten ökar med temperaturen och med koncentrationen av den oxiderande syran.
Jämförelse av oxiderande syraresistens
Beständigheten hos PTFE och PVDF mot oxiderande syror beror på den specifika syran, koncentrationen och temperaturen.
Salpetersyra.PTFE tål salpetersyra i koncentrationer upp till 70% och temperaturer upp till 200 grader. PVDF tål salpetersyra i koncentrationer upp till 50% och temperaturer upp till 100 grader. Över dessa gränser angrips PVDF och materialet bryts ned.
Kromsyra.PTFE motstår kromsyra i koncentrationer upp till 50% och temperaturer upp till 150 grader. PVDF motstår kromsyra i koncentrationer upp till 30% och temperaturer upp till 80 grader. Över dessa gränser angrips PVDF och materialet missfärgas och spröds.
Perklorsyra.PTFE motstår perklorsyra i koncentrationer upp till 70% och temperaturer upp till 150 grader. PVDF står emot perklorsyra i koncentrationer upp till 30% och temperaturer upp till 60 grader. Perklorsyra är särskilt aggressiv mot PVDF på grund av dess starka oxiderande potential.
Väteperoxid.PTFE motstår väteperoxid i koncentrationer upp till 50 % och temperaturer upp till 100 grader. PVDF motstår väteperoxid i koncentrationer upp till 30% och temperaturer upp till 60 grader. Nedbrytningen av väteperoxid genererar syreradikaler som angriper PVDF.
Värmeledningsförmågan jämförelse
PTFE och PVDF har liknande värmeledningsförmåga. PTFE har en konduktivitet på 0,25 W/m·K och PVDF har en konduktivitet på 0,19 W/m·K. Skillnaden är liten och den påverkar inte nämnvärt den erforderliga ytan för en given värmebelastning.
Den totala värmeöverföringskoefficienten för båda materialen domineras av vätskefilmmotstånden, inte av väggmotståndet. I vätska-till-vätsketjänst är den totala koefficienten för en PTFE-värmeväxlare typiskt 200–300 W/m²·K och koefficienten för en PVDF-värmeväxlare är typiskt 180–280 W/m²·K. Skillnaden är mindre än 10 %, vilket är inom osäkerheten för värmeöverföringsberäkningen.
Den termiska konduktivitetsjämförelsen gynnar därför inte något av materialen på ett meningsfullt sätt. Urvalet måste baseras på den kemiska kompatibiliteten och de mekaniska egenskaperna.
Jämföra de två materialen i oxiderande syraservice
Följande tabell sammanfattar prestanda och kostnadsegenskaper för PTFE- och PVDF-värmeväxlare vid oxiderande syra vid 60 grader med 30 % salpetersyra.
| Karakteristisk | PTFE värmeväxlare | PVDF värmeväxlare | Fördel |
|---|---|---|---|
| Värmeledningsförmåga | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| Total värmeöverföringskoefficient | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| Maximal drifttemperatur | 260 grader | 150 grader | PTFE |
| Resistensgräns för salpetersyra | 70 % vid 200 grader | 50 % vid 100 grader | PTFE |
| Beständighetsgräns för kromsyra | 50 % vid 150 grader | 30 % vid 80 grader | PTFE |
| Beständighetsgräns för perklorsyra | 70 % vid 150 grader | 30 % vid 60 grader | PTFE |
| Resistensgräns för väteperoxid | 50 % vid 100 grader | 30 % vid 60 grader | PTFE |
| Mekanisk styrka | Måttlig | Hög | PVDF |
| Maximalt drifttryck | 0,5 MPa | 1,0 MPa | PVDF |
| Livslängd vid oxiderande syra | 12–18 år | 5–8 år | PTFE |
| Kapitalkostnad för 30 kW tull | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| Installationskostnad | $3,000 | $3,000 | Lika |
| Årlig underhållskostnad | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| Fem-års total kostnad | $47,500 | $53,000 | PTFE |
De fem-åriga totalkostnadsvärdena antar ett produktionsvärde på 500 USD per timme och inkluderar kapitalkostnaden, installationskostnaden och underhållskostnaden under fem år.
När PVDF är det bättre valet
PVDF är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Låg-temperaturtjänst.Vid temperaturer under 40 grader motstår PVDF de flesta oxiderande syror utan svårighet, och den lägre kapitalkostnaden gynnar PVDF.
Låg-koncentrationstjänst.Vid koncentrationer under 20 % motstår PVDF de flesta oxiderande syror vid temperaturer upp till 60 grader, och den lägre kapitalkostnaden gynnar PVDF.
Hög-tjänst.PVDF har högre mekanisk hållfasthet än PTFE och tål högre tryck. För oxiderande syraservice vid tryck över 5 bar kan PVDF vara det enda genomförbara alternativet.
Icke-kritisk tjänst.När värmeväxlaren inte är kritisk för processen och ersättningskostnaden är acceptabel, ger PVDF adekvat prestanda till en lägre kostnad.
Krav på kort livslängd.När värmeväxlaren förväntas ha en livslängd på 5 år eller mindre är PVDF tillräcklig och billigare.
När PTFE är det bättre valet
PTFE är det bättre valet i flera specifika tillämpningar.
Hög-temperaturtjänst.Vid temperaturer över 60 grader motstår PTFE oxiderande syror bättre än PVDF, och livslängden är längre.
Hög-koncentrationstjänst.Vid koncentrationer över 30 % motstår PTFE oxiderande syror bättre än PVDF.
Perklorsyratjänst.PTFE är den enda livskraftiga fluorpolymeren för perklorsyraservice eftersom PVDF angrips vid låg koncentration och temperatur.
Krav på lång livslängd.När värmeväxlaren förväntas ha en livslängd på 10 år eller mer är PTFE det bättre valet eftersom den motstår den kemiska attacken under en längre period.
Kritisk tjänst.När värmeväxlaren är kritisk för processen och stilleståndskostnaden är hög är PTFE det bättre valet eftersom det har en lägre felsannolikhet.
Designfunktioner som förlänger livslängden
Flera designegenskaper förlänger livslängden för både PTFE- och PVDF-värmeväxlare vid oxiderande syra.
Lägre drifttemperatur.En sänkning av driftstemperaturen minskar oxidationshastigheten och förlänger livslängden för båda materialen.
Lägre koncentration.Att minska syrakoncentrationen minskar oxidationshastigheten och förlänger livslängden.
Flödeshastighetskontroll.Att upprätthålla en måttlig flödeshastighet minskar gränsskiktets tjocklek och koncentrationen av oxiderande ämnen vid rörytan.
På-plats städutrustning.Anslutningar för tillförsel och retur av rengöringslösning gör att värmeväxlaren kan rengöras utan demontering, vilket minskar stilleståndstiden och produktionsbortfallet.
Temperaturövervakning.Temperatursensorer vid värmeväxlarens inlopp och utlopp gör att värmeöverföringsprestanda kan övervakas, vilket möjliggör tidig upptäckt av nedsmutsning eller nedbrytning.
Specifikationsparametrar för oxiderande syraservice
Utrustningsingenjörer som utvärderar PTFE- och PVDF-värmeväxlare för oxiderande syror 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.
Kemisk kompatibilitet.Kontrollera att materialet är kompatibelt med den specifika syran vid driftstemperatur och koncentration.
Krav på livslängd.Ange förväntad livslängd och ersättningsschema.
Underhållsförmåga.Ange anläggningens underhållsförmåga, inklusive möjligheten att reparera värmeväxlaren på plats.
Produktionsvärde och stilleståndskostnad.Ange produktionsvärdet och stilleståndskostnaden så att analysen av den totala ägandekostnaden kan skräddarsys till anläggningen.
Matchande materialval till oxiderande syror
Valet mellan PTFE- och PVDF-värmeväxlare vid oxiderande syra beror på syrakemin, temperaturen, koncentrationen och livslängdskravet. PVDF har en lägre kapitalkostnad och högre mekanisk hållfasthet, men det är mer mottagligt för oxidationsangrepp vid förhöjd temperatur och hög koncentration. PTFE har en högre kapitalkostnad men en längre livslängd vid aggressiv oxiderande syror.
Urvalsbeslutet bör baseras på en anläggningsspecifik-analys som inkluderar kapitalkostnaden, underhållskostnaden och exponeringen för produktionsförluster. En enkel kalkylbladsmodell med dessa kostnadskomponenter ger den information som behövs för att fatta beslut.
För oxiderande sura serviceanläggningar som utvärderar värmeväxlaralternativ, bör materialvalet baseras på den totala ägandekostnaden under den förväntade livslängden, inte bara kapitalkostnaden. En PVDF-enhet med en lägre kapitalkostnad kan ha en högre livstidskostnad om den kräver oftare utbyte.
Utrustningsingenjörer och inköpsspecialister som utvärderar PTFE-värmeväxlarspecifikationer för oxiderande syra eller annan korrosiv service kan begära en designgranskning som täcker syrakemi, driftstemperatur, driftstryck, kemisk kompatibilitet och livslängdskrav för att bekräfta att materialvalet matchar anläggningens faktiska serviceförhållanden och kostnadsstruktur.
