کار با گاز کلر مرطوب یا برم مایع بسیار دشوار است-این هالوژن ها به بسیاری از فلزات حمله می کنند و حتی می توانند در برخی از فلوروپلیمرها نفوذ کنند یا فشار وارد کنند{1}}. PVDF (پلی وینیلیدین فلوراید) به دلیل ترکیب منحصر به فرد مقاومت و استحکام به عنوان یک ماده ترجیحی برای مبدل های حرارتی در این خدمات تهاجمی ظاهر شده است. برای مهندسان فرآیندی که واحدهای بازیابی برم، سیستمهای خشک کردن کلر، یا مخازن تماس ضدعفونی را طراحی میکنند، مبدلهای حرارتی PVDF تعادل قانعکنندهای از سازگاری شیمیایی و استحکام مکانیکی را ارائه میکنند که اغلب از راهحلهای مبتنی بر PTFE{4}} سنتی فراتر میرود.
مقاومت شیمیایی PVDF در محیط های هالوژن
PVDF یک فلوروپلیمر نیمه کریستالی است که حاوی گروه های متناوب CH2 و CF2 است. این ساختار مقاومت بسیار خوبی در برابر عوامل اکسید کننده از جمله کلر مرطوب، دی اکسید کلر، هیپوکلریت ها و برم مایع ایجاد می کند. بر خلاف برخی دیگر از فلوروپلیمرها، PVDF هنگام قرار گرفتن در معرض این هالوژن ها تحت شرایط عملیاتی معمولی، نفوذ قابل توجهی یا ترک خوردگی استرس را نشان نمی دهد.
تجربه میدانی نشان میدهد که PTFE میتواند از نفوذ در خدمات طولانی مدت کلر مرطوب رنج ببرد. مولکول های کلر به آرامی در ماتریس PTFE منتشر می شوند و به طور بالقوه باعث ایجاد تاول یا لایه لایه شدن در لوله های مبدل حرارتی می شوند. ساختار کریستالی متراکم تر PVDF و حجم آزاد کمتر، نرخ نفوذ هالوژن را با یک مرتبه بزرگی یا بیشتر کاهش می دهد. در نتیجه،سرویس کلر برم مبدل حرارتی PVDFکاربردها در کلر{0}}گیاهان قلیایی، تأسیسات استخراج برم، و سیستم های تصفیه آب به طور پیوسته رشد کرده اند.
حداکثر دمای سرویس و محدودیت های غلظت
PVDF مقاومت هالوژن خود را تا حداکثر دمای سرویس مداوم تقریباً 135 درجه (275 درجه فارنهایت) حفظ می کند. در این محدوده، PVDF در برابر گاز کلر مرطوب (اشباع شده با بخار آب) و برم مایع بدون تخریب مقاومت می کند. در دماهای بالاتر از 135 درجه، PTFE پایدار می ماند (تا 260 درجه)، اما برای اکثر فرآیندهای کلر و برم-که زیر 120 درجه -PVDF کار می کنند کاملاً کافی است.
محدودیت های تمرکز گسترده است. PVDF در برابر کلر مرطوب از سطوح کمی تا 100% فاز گاز مقاومت می کند، البته به شرطی که رطوبت وجود داشته باشد (گاز کلر خشک می تواند با PVDF در دماهای بالا واکنش نشان دهد). برای برم، PVDF برم مایع، آب برم و بخار برم را در محدوده دما کنترل می کند.
مزایای استحکام مکانیکی نسبت به PTFE
یک مزیت کلیدی خواص مکانیکی برتر PVDF در مقایسه با PTFE است. جدول زیر خلاصه ای از مقایسه را نشان می دهد:
| اموال | PTFE | PVDF |
|---|---|---|
| استحکام کششی (MPa) | 20–30 | 40–55 |
| مدول خمشی (MPa) | 500–700 | 2000–2500 |
| ازدیاد طول در هنگام شکست (%) | 250–400 | 20–50 |
| سختی (شور D) | 50–60 | 70–80 |
| مقاومت در برابر سایش | کم | متوسط به بالا |
PVDF به طور قابل توجهی قوی تر و سفت تر است. این اجازه می دهد تا طرح های مبدل حرارتی با دیواره های لوله نازک تر{1}}به طور معمول 0.5-1.0 میلی متر برای PVDF در مقابل 1.0-2.0 میلی متر برای PTFE. دیوارهای نازک تر باعث کاهش مقاومت حرارتی و بهبود ضرایب انتقال حرارت می شود. یک مبدل حرارتی پوسته-و-PVDF میتواند به ضرایب انتقال حرارت کلی ۱۵ تا ۲۵ درصد بیشتر از واحد PTFE معادل، با فرض هندسه یکسان، دست یابد.
استحکام مکانیکی بالاتر همچنین باعث میشود تا درجهبندی فشار بالاتری وجود داشته باشد. مبدل های حرارتی PTFE به دلیل خزش و جریان سرد معمولاً به 3-5 بار (45-75 psi) محدود می شوند. مبدل های حرارتی PVDF به طور معمول 8-10 بار (115-145 psi) و با پوسته های تقویت شده تا 15 بار را کنترل می کنند. این باعث می شود PVDF برای کاربردهایی که فشار خط متوسط است اما از قابلیت های PTFE فراتر می رود، مناسب باشد.
مقاومت در برابر سایش یکی دیگر از موارد تمایز است. در خدماتی که مبدل حرارتی جامدات معلق، کریستال ها (مانند نمک در کلر-آب نمک قلیایی)، یا جریان آشفته همراه با ذرات حباب شده را می بیند، لوله های PTFE نسبتاً سریع فرسایش می یابند. سختی بالاتر و مقاومت سایشی PVDF عمر لوله را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.
کاربردهای عملی در پردازش هالوژن
سیستم های خشک کردن کلر
در تولید کلر، کلر مرطوب سلول های الکترولیز از یک برج خشک کن (معمولا اسید سولفوریک غلیظ) عبور می کند. فرآیند خشک کردن گرمازا است و نیاز به خنک کردن دارد. مبدل های حرارتی PVDF به طور گسترده ای به عنوان خنک کننده کلر قبل یا بعد از خشک شدن استفاده می شود. آنها هم در برابر کلر مرطوب (بالا دست خشک شدن) و هم در برابر کلر خشک با رطوبت کمیاب (پایین دست) مقاومت می کنند، در حالی که فلزات به سرعت خورده می شوند.
بازیابی برم از آب نمک
استخراج برم از آب دریا یا آب شور دریاچه نمک شامل اکسیداسیون برمید به برم با استفاده از گاز کلر و به دنبال آن جداسازی بخار است. بخار برم حاصل تغلیظ و خالص می شود. مبدل های حرارتی PVDF به عنوان کندانسور و خنک کننده محصول در این سرویس عمل می کنند. گزارشهای میدانی نشان میدهد که عمر سرویس بیش از 10 سال در واحدهای بازیابی برم است، در حالی که مبدلهای حرارتی PTFE در همان مکان، خرابیهای مربوط به نفوذ{4}} را پس از 3 تا 5 سال نشان دادند.
خنک کننده سفید کننده و هیپوکلریت
هیپوکلریت سدیم (سفید کننده) در دمای بالا تجزیه می شود و اکسیژن و گرما آزاد می شود. مبدل های حرارتی PVDF محلول هیپوکلریت را در حین تولید خنک می کنند تا پایداری خود را حفظ کنند. PTFE نیز مناسب است، اما استحکام بالاتر PVDF امکان طراحیهای فشردهتر و مقرون به صرفهتر را فراهم میکند.
محدودیت ها و مرزهای سازگاری
PVDF یک جایگزین جهانی برای PTFE نیست. توسط حلال های قطبی قوی مورد حمله قرار می گیرد، از جمله:
کتون ها (استون، متیل اتیل کتون)
استرها (اتیل استات، بوتیل استات)
برخی از اترها (تتراهیدروفوران)
اسید سولفوریک دودزا (بالای 100% H2SO4)
Concentrated hot caustic (above 80 °C and >20٪ NaOH)
در این محیط ها، PTFE ماده ترجیحی باقی می ماند. علاوه بر این، PVDF را نمی توان با گاز کلر خشک در دماهای بالا (بالای 135 درجه) یا با تری فلوراید کلر استفاده کرد. برای خدمات بیش از 135 درجه یا نیاز به مقاومت شیمیایی جهانی، مبدل های حرارتی PTFE استاندارد باقی می مانند.
جدول سازگاری: PTFE در مقابل PVDF در هالوژن و مواد شیمیایی مرتبط
جدول زیر یک راهنمای سازگاری کلی برای مواد مبدل حرارتی ارائه می دهد. رتبهبندی: E=عالی، G=خوب (حمله جزئی)، F=منصفانه (خدمات محدود)، X=توصیه نمیشود.
| شیمیایی | تمرکز | دما | PTFE | PVDF |
|---|---|---|---|---|
| کلر، مرطوب (گاز) | اشباع شده | تا 100 درجه | E | E |
| کلر، مرطوب (گاز) | اشباع شده | 100-135 درجه | E | G |
| کلر، خشک | 100% گاز | تا 100 درجه | E | F¹ |
| برم، مایع | 100% | تا 100 درجه | E | E |
| برم، مایع | 100% | 100-135 درجه | E | G |
| آب برم | اشباع شده | تا 100 درجه | E | E |
| دی اکسید کلر | آبی | تا 80 درجه | E | E |
| هیپوکلریت سدیم | 15% | تا 50 درجه | E | E |
| اسید هیدروکلریک | 37% | تا 100 درجه | E | E |
| اسید سولفوریک، دود | >100% | 25 درجه | E | X |
| استون | 100% | 25 درجه | E | X |
| اتیل استات | 100% | 25 درجه | E | X |
| هیدروکسید سدیم | 50% | 80 درجه | E | F² |
¹ کلر خشک در دمای بالای 100 درجه ممکن است باعث تخریب PVDF شود. به جای آن از PTFE استفاده کنید.
² PVDF برای خدمات سوزاننده متناوب یا کم غلظت-اما نه برای خدمات مداوم-درجه حرارت بالا و غلظت بالا قابل قبول است.
ملاحظات طراحی مبدل های حرارتی PVDF
هنگام تعیین الفسرویس کلر برم مبدل حرارتی PVDFکاربرد، چندین عامل نیاز به توجه دارند:
ضخامت دیواره لوله:با وجود استحکام PVDF، حداقل ضخامت 0.8 میلی متر برای سرویس هالوژن توصیه می شود تا حاشیه ایمنی در برابر نفوذ و آسیب های مکانیکی ایجاد کند.
واشر و مهر و موم:از واشرهای PTFE یا perfluoroelastomer (FFKM) استفاده کنید. واشرهای PVDF تمایل به خزش دارند. EPDM و FKM با هالوژن سازگار نیستند.
افت فشار:لولههای نازکتر سرعت جریان بالاتری را امکانپذیر میکنند، اما فرسایش{0}}خوردگی یک نگرانی در مورد PVDF نیست. سرعت تا 3 متر بر ثانیه در سمت لوله قابل قبول است.
انبساط حرارتی:PVDF دارای ضریب انبساط حرارتی تقریباً 8 برابر فولاد کربنی است. طرحهای مبدل حرارتی باید انبساط دیفرانسیل را از طریق حلقههای انبساط، دمها یا ورقهای لوله شناور داشته باشند.
مقایسه با سایر جایگزین های فلوروپلیمر
ETFE (اتیلن تترا فلوئورواتیلن) و ECTFE (اتیلن کلروتری فلوئورواتیلن) نیز در سرویس هالوژن استفاده می شوند. هر دو دارای مقاومت مکانیکی بین PTFE و PVDF هستند، با مقاومت شیمیایی کمی کمتر از PTFE اما برای برخی از حلال ها بالاتر از PVDF. با این حال، PVDF عموماً مقرون به صرفهتر است و به راحتی در اشکال مبدل حرارتی (پوسته-و-لوله، سیم پیچ، غوطهوری) در دسترس است. به طور خاص برای برم و کلر مرطوب، سابقه طولانی PVDF به آن برتری می دهد.
نتیجه گیری
مبدل های حرارتی PVDF جایگاه مهمی را در خدمات هالوژن پر می کنند که در آن مقاومت ویژه آنها در برابر کلر مرطوب و برم مایع، همراه با استحکام مکانیکی برتر، بهتر از PTFE است. دیوارههای لوله نازکتر، درجهبندی فشار بالاتر، مقاومت در برابر سایش بهتر و نرخ نفوذ کمتر، PVDF را به انتخابی مقرونبهصرفه و مطمئن برای فرآیندهای کلر-بازیابی برم، و ضدعفونیسازی زیر 135 درجه تبدیل میکند. با این حال، انتخاب مواد مستلزم درک دقیق شیمی فرآیند-از جمله وجود حلالهای قطبی، اسیدهای گازدار یا کلر خشک با دمای بالا-در جایی که PTFE همچنان ضروری است، دارد. برای اکثر وظایف انتقال حرارت کلر و برم، PVDF تعادل قانع کننده ای از عملکرد و دوام را ارائه می دهد.
