Чем производительность теплообменника из ПТФЭ отличается от FEP при низкотемпературном химическом охлаждении?

Два материала, которые выглядят одинаково при низкой температуре

ФЭП и ПТФЭ представляют собой перфторированные полимеры и устойчивы к обычным охлаждающим жидкостям, используемым в химической обработке: охлажденной воде, растворам гликоля, соляному раствору и хладагенту. При температурах от 0 до 50 градусов химическая стойкость и механические свойства этих двух материалов аналогичны, и выбор часто делается на основе стоимости.

ФЭП представляет собой сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена. Сомономер гексафторпропилен нарушает кристалличность полимера и снижает вязкость расплава, что позволяет перерабатывать ФЭП методом экструзии расплава. Максимальная температура непрерывной эксплуатации FEP составляет 200 градусов по сравнению с 260 градусами для PTFE.

ПТФЭ представляет собой гомополимер тетрафторэтилена. Линейная структура обеспечивает более высокую кристалличность, что дает ПТФЭ более высокую прочность на разрыв, лучшее сопротивление ползучести и более высокую температуру непрерывной эксплуатации. ПТФЭ нельзя-перерабатывать в расплаве, поэтому его изготавливают методом компрессионного формования и спекания.

Сравнение теплопроводности

ФЭП и ПТФЭ имеют одинаковую теплопроводность. ПТФЭ имеет проводимость 0,25 Вт/м·К, а ФЭП — 0,24 Вт/м·К. Разница незначительна и не влияет на необходимую площадь поверхности для данной тепловой нагрузки.

Общий коэффициент теплопередачи для обоих материалов определяется сопротивлением пленки жидкости, а не сопротивлением стенки. При охлаждении от жидкости-к-жидкости общий коэффициент для теплообменника из ПТФЭ обычно составляет 200–300 Вт/м²·К, а коэффициент для теплообменника из ФЭП по сути такой же. Выбор между этими двумя материалами не может быть сделан на основе тепловых характеристик.

Разница в сопротивлении усталости при изгибе

Сопротивление усталости при изгибе — это способность материала выдерживать многократный изгиб и изгиб без образования трещин. ФЭП имеет более низкое сопротивление усталости при изгибе, чем ПТФЭ, из-за его более низкой кристалличности и более гибкой молекулярной структуры.

При низкотемпературном химическом охлаждении в теплообменниках, которые подвергаются вибрации, термоциклированию или механическим движениям, может возникнуть усталость при изгибе. Трубки изгибаются по мере расширения и сжатия теплообменника, а повторное изгибание может привести к появлению трещин в стенках трубок.

ПТФЭ имеет более высокую усталостную устойчивость при изгибе, чем ФЭП, что делает его пригодным для использования в условиях, когда трубы подвергаются многократному изгибу. FEP подходит для условий эксплуатации, в которых трубы жестко закреплены и не подвергаются значительным перемещениям.

Разница в сопротивлении проникновению

Проникновение – это диффузия газа или жидкости через полимер. ФЭП имеет более высокую скорость проникновения, чем ПТФЭ, из-за его более низкой кристалличности и более открытой молекулярной структуры.

При низкотемпературном химическом охлаждении проникновение может стать проблемой, если охлаждающая жидкость содержит растворенные газы или если технологическая жидкость чувствительна к загрязнениям. Проникновение кислорода или углекислого газа через стенку трубы может повлиять на химический состав процесса, а проникновение технологической жидкости через стенку трубы может загрязнить охлаждающую жидкость.

ПТФЭ имеет более низкую степень проницаемости, чем ФЭП, что делает его пригодным для использования в тех случаях, когда проницаемость является проблемой. FEP подходит для условий эксплуатации, где проницаемость не является критическим фактором.

Разница температурных возможностей

Максимальная температура непрерывной эксплуатации FEP составляет 200 градусов, а максимальная температура непрерывной эксплуатации PTFE — 260 градусов. При низкой температуре оба материала находятся в пределах своего рабочего диапазона, и разница температурных характеристик не влияет на выбор.

Разница температурных возможностей становится важной, если изменяются условия процесса. Если позднее функция охлаждения будет преобразована в систему отопления или если рабочая температура увеличится, блок FEP может оказаться непригодным и потребуется блок из PTFE.

Сравнение двух материалов при низко-химическом охлаждении

В следующей таблице приведены эксплуатационные и стоимостные характеристики теплообменников из ПТФЭ и ФЭП при низкотемпературном химическом охлаждении при температуре 10 градусов с 30 % раствором гликоля.

Общие значения затрат за пять-лет предполагают производственную стоимость в размере 400 долларов США в час и включают капитальные затраты, стоимость установки и стоимость обслуживания в течение пяти лет. Общие затраты за пять-лет практически равны, поскольку более низкие капитальные затраты на FEP компенсируются более высокими затратами на техническое обслуживание.

Когда FEP — лучший выбор

FEP является лучшим выбором в некоторых конкретных приложениях.

Работа при низких-температурах без изгибов.При температурах ниже 50 градусов и с жестко закрепленными трубками ФЭП работает так же хорошо, как ПТФЭ, при меньших капитальных затратах.

Не-критическая служба проникновения.Если проникновение газов или жидкостей через стенку трубы не является проблемой, достаточно использовать FEP.

Требования к короткому сроку службы.Когда ожидается, что срок службы теплообменника составит 10 лет или меньше, FEP является подходящим и менее дорогим.

Приложения,-чувствительные к затратам.Когда капитальный бюджет ограничен, FEP обеспечивает адекватную производительность при меньших затратах.

Стандартный сервис по охлаждению.Для стандартного охлаждения без каких-либо необычных химических или механических требований достаточно FEP.

Когда ПТФЭ — лучший выбор

ПТФЭ является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.

Гибкий сервис.Когда трубы подвергаются вибрации, термоциклированию или механическому движению, ПТФЭ имеет более высокую устойчивость к усталости при изгибе, чем ФЭП.

Сервис,-чувствительный к проникновению.Когда возникает проблема проникновения газов или жидкостей через стенку трубы, ПТФЭ имеет более низкую скорость проникновения, чем ФЭП.

Работа при высоких-температурах.Когда рабочая температура может превышать 200 градусов, требуется ПТФЭ, поскольку ФЭП размягчается и теряет прочность.

Требование длительного срока службы.Если ожидается, что срок службы теплообменника составит 15 лет и более, лучшим выбором будет ПТФЭ, поскольку он обладает более высокой механической прочностью и лучшим сопротивлением ползучести.

Сервис высокой-чистоты.Когда технологическая жидкость чувствительна к загрязнениям, ПТФЭ имеет более низкую скорость проникновения и более низкие экстрагируемые вещества, чем ФЭП.

Особенности конструкции, влияющие на выбор

На выбор между ПТФЭ и ФЭП влияют некоторые конструктивные особенности.

Расстояние между опорами труб.Меньшее расстояние между опорами трубок уменьшает изгиб трубок, что снижает требования к усталости при изгибе и позволяет использовать FEP.

Скорость потока.Более высокая скорость потока увеличивает вибрацию и изгиб трубок, что благоприятствует использованию ПТФЭ.

Частота термоциклирования.Более частое термоциклирование увеличивает изгиб трубок, что благоприятствует ПТФЭ.

Чувствительность к технологической жидкости.Более чувствительные технологические жидкости требуют более низких скоростей проникновения, что благоприятствует ПТФЭ.

Запас рабочей температуры.Больший запас между рабочей температурой и пределом материала обеспечивает большую гибкость для будущих изменений процесса, что благоприятствует ПТФЭ.

Параметры спецификации для низко-химического охлаждения

Инженеры по оборудованию, оценивающие теплообменники из ПТФЭ и ФЭП для низкотемпературного химического охлаждения, должны подтвердить следующие параметры у поставщика.

Химический состав охлаждающей жидкости.Укажите состав охлаждающей жидкости, включая концентрацию гликоля, рассола или других добавок.

Рабочая температура.Укажите максимальную рабочую температуру и ожидаемый температурный профиль.

Чувствительность к технологической жидкости.Укажите чувствительность технологической жидкости к загрязнению в результате проникновения.

Гибкие условия.Укажите вибрацию, термоциклирование и механическое движение, которым будут подвергаться трубки.

Требование к сроку службы.Укажите ожидаемый срок службы и график замены.

Тепловая нагрузка и площадь поверхности.Для каждого варианта материала укажите тепловую нагрузку и необходимую площадь поверхности.

Ограничения пространства.Укажите доступное пространство и максимально допустимую площадь.

Возможность обслуживания.Укажите возможности обслуживания объекта.

Соответствие выбора материала условиям эксплуатации системы охлаждения

Выбор между теплообменниками из ПТФЭ и ФЭП при низкотемпературном химическом охлаждении зависит от условий изгиба, чувствительности к проникновению, требований к сроку службы и чувствительности к стоимости. FEP подходит для эксплуатации при низких-температурах, не требует изгибов и проникновения, а также дешевле. ПТФЭ необходим для работы с проблемами изгиба, проникновения или при требованиях к длительному сроку службы.

Решение о выборе должно основываться на анализе-специфического объекта, который включает капитальные затраты, стоимость установки, затраты на техническое обслуживание и риск производственных потерь. Простая модель электронной таблицы с этими компонентами затрат предоставляет информацию, необходимую для принятия решения.

Для низкотемпературных установок химического охлаждения, рассматривающих варианты теплообменников, выбор материала должен основываться на общей стоимости владения в течение ожидаемого срока службы, а не только на капитальных затратах. Блок FEP с более низкими капитальными затратами может иметь более высокую стоимость срока службы, если он требует более частой замены.

Инженеры по оборудованию и специалисты по закупкам, оценивающие характеристики теплообменника из ПТФЭ для низкотемпературного химического охлаждения или других агрессивных работ, могут запросить анализ конструкции, охватывающий химический состав охлаждающей жидкости, рабочую температуру, чувствительность технологической жидкости, условия изгиба и требования к сроку службы, чтобы подтвердить, что выбранный материал соответствует фактическим условиям эксплуатации и структуре затрат на объекте.