Молекулярная разница, которая приводит к разрыву в сопротивлении
Разница между ПТФЭ и ПВДФ заключается в углерод-водородных связях. ПВДФ представляет собой сополимер винилиденфторида, и его молекулярная структура содержит углерод-водородные связи, которых нет в ПТФЭ. Углеродная-водородная связь слабее, чем углеродная-фторная связь, и именно в этом месте начинается окислительная атака.
ПТФЭ имеет полностью фторированную углеродную основу без углеродных-водородных связей. Связь углерод-фтор — одна из самых прочных в органической химии, ее энергия связи составляет примерно 485 кДж/моль. Окисляющие кислоты не обладают достаточной энергией, чтобы разорвать эту связь при температуре ниже 260 градусов.
ПВДФ имеет углеродные-водородные связи с энергией связи примерно 413 кДж/моль. Разница составляет примерно 15%, но практическое влияние на стойкость к окислению гораздо больше. Окислительная атака на ПВДФ начинается с углеродной-водородной связи, и деградация распространяется вдоль полимерной цепи. Скорость окисления увеличивается с повышением температуры и концентрации окисляющей кислоты.
Сравнение стойкости к окислительной кислоте
Устойчивость ПТФЭ и ПВДФ к окисляющим кислотам зависит от конкретной кислоты, концентрации и температуры.
Азотная кислота.ПТФЭ устойчив к азотной кислоте в концентрации до 70% и температуре до 200 градусов. ПВДФ устойчив к азотной кислоте в концентрации до 50% и температуре до 100 градусов. Выше этих пределов ПВДФ подвергается воздействию, и материал разлагается.
Хромовая кислота.ПТФЭ устойчив к хромовой кислоте при концентрации до 50% и температуре до 150 градусов. ПВДФ устойчив к хромовой кислоте в концентрации до 30% и температуре до 80 градусов. Выше этих пределов ПВДФ подвергается воздействию, материал обесцвечивается и становится хрупким.
Хлорная кислота.ПТФЭ устойчив к хлорной кислоте в концентрации до 70% и температуре до 150 градусов. ПВДФ устойчив к хлорной кислоте в концентрации до 30% и температуре до 60 градусов. Хлорная кислота особенно агрессивна по отношению к ПВДФ из-за ее сильного окислительного потенциала.
Перекись водорода.ПТФЭ устойчив к перекиси водорода в концентрации до 50% и температуре до 100 градусов. ПВДФ устойчив к перекиси водорода в концентрации до 30% и температуре до 60 градусов. При разложении перекиси водорода образуются радикалы кислорода, которые атакуют ПВДФ.
Сравнение теплопроводности
ПТФЭ и ПВДФ имеют одинаковую теплопроводность. ПТФЭ имеет проводимость 0,25 Вт/м·К, а ПВДФ — 0,19 Вт/м·К. Разница невелика и существенно 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 работе с жидкостью---жидкостью общий коэффициент для теплообменника из ПТФЭ обычно составляет 200–300 Вт/м²·К, а коэффициент для теплообменника из ПВДФ обычно составляет 180–280 Вт/м²·К. Разница составляет менее 10%, что находится в пределах погрешности расчета теплопередачи.
Таким образом, сравнение теплопроводности не дает значимого преимущества ни одному из материалов. Выбор должен основываться на химической совместимости и механических свойствах.
Сравнение двух материалов при работе с окислительной кислотой
В следующей таблице приведены эксплуатационные и стоимостные характеристики теплообменников из ПТФЭ и ПВДФ, работающих в окислительной кислоте при температуре 60 градусов с 30% азотной кислотой.
| Характеристика | ПТФЭ теплообменник | ПВДФ Теплообменник | Преимущество |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | ПТФЭ |
| Общий коэффициент теплопередачи | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | ПТФЭ |
| Максимальная рабочая температура | 260 градусов | 150 градусов | ПТФЭ |
| Предел устойчивости к азотной кислоте | 70% при 200 градусах | 50% при 100 градусах | ПТФЭ |
| Предел устойчивости к хромовой кислоте | 50% при 150 градусах | 30% при 80 градусах | ПТФЭ |
| Предел устойчивости к хлорной кислоте | 70% при 150 градусах | 30% при 60 градусах | ПТФЭ |
| Предел устойчивости к перекиси водорода | 50% при 100 градусах | 30% при 60 градусах | ПТФЭ |
| Механическая прочность | Умеренный | Высокий | ПВДФ |
| Максимальное рабочее давление | 0,5 МПа | 1,0 МПа | ПВДФ |
| Срок службы при работе с окислительной кислотой | 12–18 лет | 5–8 лет | ПТФЭ |
| Капитальные затраты на режим 30 кВт | $28,000 | $19,000 | ПВДФ |
| Стоимость установки | $3,000 | $3,000 | Равный |
| Стоимость годового обслуживания | $1,500 | $3,500 | ПТФЭ |
| Общая стоимость-года за пять лет | $47,500 | $53,000 | ПТФЭ |
Общие значения затрат за пять-лет предполагают производственную стоимость в размере 500 долларов США в час и включают капитальные затраты, стоимость установки и стоимость обслуживания в течение пяти лет.
Когда ПВДФ — лучший выбор
ПВДФ является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.
Обслуживание при низких-температурах.При температуре ниже 40 градусов ПВДФ без труда противостоит большинству окисляющих кислот, а более низкие капитальные затраты благоприятствуют ПВДФ.
Служба низкой-концентрации.При концентрациях ниже 20% ПВДФ устойчив к большинству кислот-окислителей при температуре до 60 градусов, а более низкие капитальные затраты отдают предпочтение ПВДФ.
Служба-напряженного обслуживания.ПВДФ имеет более высокую механическую прочность, чем ПТФЭ, и может выдерживать более высокое давление. Для работы с окислительной кислотой при давлении выше 5 бар единственным приемлемым вариантом может быть ПВДФ.
Не-критическая услуга.Когда теплообменник не имеет решающего значения для процесса и стоимость замены приемлема, ПВДФ обеспечивает адекватную производительность при меньших затратах.
Требования к короткому сроку службы.Если ожидается, что срок службы теплообменника составит 5 лет или меньше, то PVDF будет подходящим и менее дорогим.
Когда ПТФЭ — лучший выбор
ПТФЭ является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.
Работа при высоких-температурах.При температуре выше 60 градусов ПТФЭ лучше противостоит окисляющим кислотам, чем ПВДФ, и срок службы у него больше.
Сервис высокой-концентрации.При концентрации выше 30% ПТФЭ лучше противостоит окисляющим кислотам, чем ПВДФ.
Служба хлорной кислоты.ПТФЭ является единственным пригодным фторполимером для работы с хлорной кислотой, поскольку ПВДФ разрушается при низкой концентрации и температуре.
Требование длительного срока службы.Если ожидается, что срок службы теплообменника составит 10 и более лет, лучшим выбором будет ПТФЭ, поскольку он устойчив к химическому воздействию в течение более длительного периода.
Критическая служба.Когда теплообменник имеет решающее значение для процесса, а стоимость простоя высока, ПТФЭ является лучшим выбором, поскольку он имеет меньшую вероятность отказа.
Конструктивные особенности, продлевающие срок службы
Некоторые конструктивные особенности продлевают срок службы теплообменников из ПТФЭ и ПВДФ при работе с окислительной кислотой.
Более низкая рабочая температура.Снижение рабочей температуры снижает скорость окисления и продлевает срок службы обоих материалов.
Меньшая концентрация.Снижение концентрации кислоты снижает скорость окисления и продлевает срок службы.
Контроль скорости потока.Поддержание умеренной скорости потока уменьшает толщину пограничного слоя и концентрацию окисляющих веществ на поверхности трубы.
Предусмотрены-уборочные средства.Соединения подачи и возврата моющего раствора позволяют очищать теплообменник без разборки, что сокращает время простоя и производственные потери.
Мониторинг температуры.Датчики температуры на входе и выходе теплообменника позволяют контролировать эффективность теплопередачи, что позволяет заблаговременно обнаружить загрязнение или деградацию.
Параметры спецификации для окислительной кислоты
Инженеры по оборудованию, оценивающие теплообменники из ПТФЭ и ПВДФ для работы с окислительной кислотой, должны подтвердить следующие параметры у поставщика.
Кислотная химия.Укажите кислотный состав, включая концентрацию и примеси.
Рабочая температура.Укажите максимальную рабочую температуру и ожидаемый температурный профиль.
Рабочее давление.Укажите максимальное рабочее давление.
Тепловая нагрузка и площадь поверхности.Для каждого варианта материала укажите тепловую нагрузку и необходимую площадь поверхности.
Химическая совместимость.Убедитесь, что материал совместим с конкретной кислотой при рабочей температуре и концентрации.
Требование к сроку службы.Укажите ожидаемый срок службы и график замены.
Возможность обслуживания.Укажите ремонтопригодность объекта, включая возможность ремонта теплообменника на месте.
Стоимость производства и стоимость простоя.Укажите производственную стоимость и стоимость простоя, чтобы анализ общей стоимости владения можно было адаптировать к конкретному объекту.
Соответствие выбора материала условиям эксплуатации в окислительной кислоте
Выбор между теплообменниками из ПТФЭ и ПВДФ при работе с окислительной кислотой зависит от химического состава кислоты, температуры, концентрации и требований к сроку службы. ПВДФ имеет более низкие капитальные затраты и более высокую механическую прочность, но он более восприимчив к окислительному воздействию при повышенной температуре и высокой концентрации. ПТФЭ имеет более высокие капитальные затраты, но более длительный срок службы в условиях агрессивной окислительной кислоты.
Решение о выборе должно основываться на анализе конкретного объекта-, который включает в себя капитальные затраты, затраты на техническое обслуживание и риск производственных потерь. Простая модель электронной таблицы с этими компонентами затрат предоставляет информацию, необходимую для принятия решения.
На предприятиях по производству окислительной кислоты, оценивающих варианты теплообменников, выбор материала должен основываться на общей стоимости владения в течение ожидаемого срока службы, а не только на капитальных затратах. Блок ПВДФ 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 работы с окислительной кислотой или другими агрессивными средами, могут запросить анализ конструкции, включающий химический состав кислоты, рабочую температуру, рабочее давление, химическую совместимость и требования к сроку службы, чтобы подтвердить, что выбор материала соответствует фактическим условиям эксплуатации и структуре затрат на объекте.
