تفاوت مولکولی که باعث ایجاد شکاف مقاومتی می شود
تفاوت بین PTFE و PVDF در پیوندهای کربنی-هیدروژنی است. PVDF یک کوپلیمر از وینیلیدین فلوراید است و ساختار مولکولی آن حاوی پیوندهای کربن{2}هیدروژنی است که در PTFE وجود ندارد. پیوند کربن-هیدروژن ضعیف‌تر از پیوند کربن-فلوئور است و محلی است که حمله اکسیداسیون در آن آغاز می‌شود.
PTFE یک ستون فقرات کربنی کاملاً فلوئوردار و بدون پیوندهای کربنی-هیدروژنی دارد. پیوند کربن-فلوئور یکی از قوی‌ترین پیوندها در شیمی آلی است، با انرژی پیوند تقریباً 485 کیلوژول بر مول. اسیدهای اکسید کننده انرژی کافی برای شکستن این پیوند در دمای زیر 260 درجه را ندارند.
PVDF دارای پیوندهای کربنی{0}هیدروژنی با انرژی پیوند تقریباً 413 کیلوژول بر مول است. تفاوت تقریباً 15٪ است، اما اثر عملی بر روی مقاومت اکسیداسیون بسیار بیشتر است. حمله اکسیداسیون به PVDF از پیوند کربن-هیدروژن آغاز می‌شود و تخریب در طول زنجیره پلیمری منتشر می‌شود. سرعت اکسیداسیون با دما و با غلظت اسید اکسید کننده افزایش می یابد.
مقایسه مقاومت اسید اکسید کننده
مقاومت PTFE و PVDF در برابر اسیدهای اکسید کننده به اسید خاص، غلظت و دما بستگی دارد.
اسید نیتریک.PTFE در برابر اسید نیتریک تا غلظت 70 درصد و دمای تا 200 درجه مقاومت می کند. PVDF در برابر اسید نیتریک تا غلظت 50% و دمای تا 100 درجه مقاومت می کند. بالاتر از این محدودیت ها، PVDF مورد حمله قرار می گیرد و مواد تخریب می شوند.
اسید کرومیک.PTFE در غلظت های تا 50 درصد و دمای 150 درجه در برابر اسید کروم مقاومت می کند. PVDF در غلظت های تا 30% و دمای 80 درجه در برابر اسید کروم مقاومت می کند. بالاتر از این محدودیت ها، PVDF مورد حمله قرار می گیرد و مواد تغییر رنگ داده و شکننده می شوند.
اسید پرکلریک.PTFE در غلظت های تا 70% و درجه حرارت تا 150 درجه در برابر اسید پرکلریک مقاومت می کند. PVDF در غلظت های تا 30 درصد و دمای 60 درجه در برابر اسید پرکلریک مقاومت می کند. اسید پرکلریک به دلیل پتانسیل اکسید کنندگی قوی به PVDF بسیار تهاجمی است.
پراکسید هیدروژن.PTFE در برابر پراکسید هیدروژن در غلظت های تا 50% و دما تا 100 درجه مقاومت می کند. PVDF در برابر پراکسید هیدروژن در غلظت های تا 30% و دما تا 60 درجه مقاومت می کند. تجزیه پراکسید هیدروژن باعث تولید رادیکال های اکسیژن می شود که به PVDF حمله می کنند.
مقایسه رسانایی حرارتی
PTFE و PVDF رسانایی حرارتی مشابهی دارند. رسانایی PTFE 0.25 W/m·K و PVDF دارای رسانایی 0.19 W/m·K است. این تفاوت کم است و به طور قابل توجهی بر سطح مورد نیاز برای یک بار گرمایی معین تأثیر نمی گذارد.
ضریب انتقال حرارت کلی برای هر دو ماده تحت تأثیر مقاومت فیلم سیال است، نه مقاومت دیوار. در سرویس مایع به مایع، ضریب کلی مبدل حرارتی PTFE معمولاً 200-300 W/m²·K است و ضریب برای مبدل حرارتی PVDF معمولاً 180-280 W/m²·K است. تفاوت کمتر از 10٪ است که در عدم قطعیت محاسبه انتقال حرارت است.
بنابراین مقایسه رسانایی حرارتی به هیچ وجه به نفع هیچ یک از مواد به روش معنی‌داری نیست. انتخاب باید بر اساس سازگاری شیمیایی و خواص مکانیکی باشد.
مقایسه دو ماده در سرویس اسید اکسید کننده
جدول زیر مشخصات عملکرد و هزینه مبدل های حرارتی PTFE و PVDF را در سرویس اسید اکسید کننده در دمای 60 درجه با اسید نیتریک 30% خلاصه می کند.
| مشخصه | مبدل حرارتی PTFE | مبدل حرارتی PVDF | مزیت |
|---|---|---|---|
| هدایت حرارتی | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| ضریب انتقال حرارت کلی | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| حداکثر دمای عملیاتی | 260 درجه | 150 درجه | PTFE |
| حد مقاومت اسید نیتریک | 70 درصد در 200 درجه | 50% در 100 درجه | PTFE |
| حد مقاومت در برابر اسید کرومیک | 50% در 150 درجه | 30 درصد در 80 درجه | PTFE |
| حد مقاومت اسید پرکلریک | 70 درصد در 150 درجه | 30 درصد در 60 درجه | PTFE |
| حد مقاومت در برابر پراکسید هیدروژن | 50% در 100 درجه | 30 درصد در 60 درجه | PTFE |
| استحکام مکانیکی | متوسط | بالا | PVDF |
| حداکثر فشار کاری | 0.5 مگاپاسکال | 1.0 مگاپاسکال | PVDF |
| عمر مفید در سرویس اسید اکسید کننده | 12-18 سال | 5-8 سال | PTFE |
| هزینه سرمایه برای وظیفه 30 کیلو وات | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| هزینه نصب | $3,000 | $3,000 | برابر |
| هزینه نگهداری سالانه | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| هزینه کل پنج-سال | $47,500 | $53,000 | PTFE |
ارزش کل هزینه‌های پنج ساله ارزش تولید 500 دلار در ساعت را در نظر می‌گیرد و شامل هزینه سرمایه، هزینه نصب، و هزینه نگهداری در طول پنج سال می‌شود.
وقتی PVDF انتخاب بهتری است
PVDF در چندین برنامه خاص انتخاب بهتری است.
سرویس دمای پایین-.در دماهای زیر 40 درجه، PVDF بدون مشکل در برابر اکثر اسیدهای اکسید کننده مقاومت می کند و هزینه سرمایه کمتر به نفع PVDF است.
خدمات با تمرکز پایین-.در غلظت های کمتر از 20 درصد، PVDF در برابر اکثر اسیدهای اکسید کننده در دماهای تا 60 درجه مقاومت می کند و هزینه سرمایه کمتر به نفع PVDF است.
خدمات{0}فشار بالا.PVDF استحکام مکانیکی بالاتری نسبت به PTFE دارد و می تواند فشارهای بالاتری را تحمل کند. برای سرویس اسید اکسید کننده در فشارهای بالای 5 بار، PVDF ممکن است تنها گزینه مناسب باشد.
خدمات غیر مهم-.هنگامی که مبدل حرارتی برای فرآیند حیاتی نیست و هزینه جایگزینی قابل قبول است، PVDF عملکرد مناسب را با هزینه کمتر ارائه می دهد.
مورد نیاز عمر کوتاهزمانی که انتظار می رود مبدل حرارتی 5 سال یا کمتر عمر مفید داشته باشد، PVDF مناسب و کم هزینه است.
وقتی PTFE انتخاب بهتری است
PTFE در چندین برنامه خاص انتخاب بهتری است.
سرویس با دمای{0}بالا.در دماهای بالاتر از 60 درجه، PTFE بهتر از PVDF در برابر اسیدهای اکسید کننده مقاومت می کند و عمر مفید بیشتری دارد.
خدمات با تمرکز{0}بالا.در غلظت های بالای 30 درصد، PTFE بهتر از PVDF در برابر اسیدهای اکسید کننده مقاومت می کند.
سرویس اسید پرکلریک.PTFE تنها فلوروپلیمر قابل دوام برای سرویس اسید پرکلریک است زیرا PVDF در غلظت و دمای پایین مورد حمله قرار می گیرد.
مورد نیاز عمر طولانی.زمانی که انتظار می رود مبدل حرارتی 10 سال یا بیشتر عمر مفید داشته باشد، PTFE انتخاب بهتری است زیرا در برابر حمله شیمیایی در مدت زمان طولانی تری مقاومت می کند.
خدمات حیاتیهنگامی که مبدل حرارتی برای فرآیند حیاتی است و هزینه خرابی آن بالا است، PTFE انتخاب بهتری است زیرا احتمال خرابی کمتری دارد.
ویژگی های طراحی که عمر سرویس را افزایش می دهد
چندین ویژگی طراحی طول عمر مبدل های حرارتی PTFE و PVDF را در سرویس اسید اکسید کننده افزایش می دهد.
دمای عملیاتی پایین ترکاهش دمای عملیاتی باعث کاهش سرعت اکسیداسیون و افزایش طول عمر هر دو ماده می شود.
غلظت کمترکاهش غلظت اسید باعث کاهش سرعت اکسیداسیون و افزایش طول عمر می شود.
کنترل سرعت جریانحفظ سرعت جریان متوسط باعث کاهش ضخامت لایه مرزی و غلظت گونه های اکسید کننده در سطح لوله می شود.
در{0}}مقررات تمیز کردن مکان.اتصالات برای تامین و بازگشت محلول تمیز کردن اجازه می دهد مبدل حرارتی بدون جداسازی تمیز شود، که باعث کاهش زمان از کار افتادگی و تلفات تولید می شود.
نظارت بر دماسنسورهای دما در ورودی و خروجی مبدل حرارتی امکان نظارت بر عملکرد انتقال حرارت را فراهم می کند که امکان تشخیص زودرس رسوب یا تخریب را فراهم می کند.
پارامترهای مشخصات برای سرویس اسید اکسید کننده
مهندسان تجهیزاتی که مبدل‌های حرارتی PTFE و PVDF را برای خدمات اسید اکسید کننده ارزیابی می‌کنند، باید پارامترهای زیر را با تامین‌کننده تأیید کنند.
شیمی اسید.ترکیب اسید شامل غلظت و آلاینده ها را مشخص کنید.
دمای عملیاتیحداکثر دمای عملیاتی و مشخصات دمای مورد انتظار را مشخص کنید.
فشار عملیاتیحداکثر فشار کاری را مشخص کنید.
بار حرارتی و مساحت سطح.بار حرارتی و سطح مورد نیاز برای هر گزینه مواد را مشخص کنید.
سازگاری شیمیاییاطمینان حاصل کنید که مواد با اسید خاص در دمای کار و غلظت سازگار است.
مورد نیاز عمر سرویسطول عمر مورد انتظار و برنامه تعویض را مشخص کنید.
قابلیت تعمیر و نگهداریقابلیت تعمیر و نگهداری تاسیسات، از جمله توانایی تعمیر مبدل حرارتی در محل را مشخص کنید.
ارزش تولید و هزینه خرابیارزش تولید و هزینه خرابی را ارائه دهید تا هزینه کل تجزیه و تحلیل مالکیت بتواند متناسب با تسهیلات باشد.
مطابقت انتخاب مواد با شرایط سرویس اسید اکسید کننده
انتخاب بین مبدل های حرارتی PTFE و PVDF در سرویس اسید اکسید کننده به شیمی اسید، دما، غلظت و عمر مورد نیاز بستگی دارد. PVDF هزینه سرمایه کمتر و استحکام مکانیکی بالاتری دارد، اما در دمای بالا و غلظت بالا بیشتر مستعد حمله اکسیداسیون است. PTFE هزینه سرمایه بالاتری دارد اما عمر طولانی تری در سرویس اسید اکسید کننده تهاجمی دارد.
تصمیم انتخاب باید بر اساس یک تجزیه و تحلیل خاص{0}} تسهیلات باشد که شامل هزینه سرمایه، هزینه تعمیر و نگهداری، و قرار گرفتن در معرض ضرر تولید باشد. یک مدل صفحه گسترده ساده با این اجزای هزینه، اطلاعات مورد نیاز برای تصمیم گیری را فراهم می کند.
برای تسهیلات خدمات اسید اکسید کننده که گزینه‌های مبدل حرارتی را ارزیابی می‌کنند، انتخاب مواد باید بر اساس هزینه کل مالکیت در طول عمر مورد انتظار باشد، نه فقط هزینه سرمایه. یک واحد PVDF با هزینه سرمایه کمتر ممکن است در صورت نیاز به تعویض مکرر هزینه طول عمر بالاتری داشته باشد.
مهندسان تجهیزات و متخصصان تدارکاتی که مشخصات مبدل حرارتی PTFE را برای اسید اکسید کننده یا سایر خدمات خورنده ارزیابی می‌کنند، می‌توانند یک بررسی طراحی را در مورد شیمی اسید، دمای عملیاتی، فشار عملیاتی، سازگاری شیمیایی و الزامات عمر مفید برای تأیید اینکه انتخاب مواد با شرایط خدمات واقعی و ساختار هزینه تأسیسات مطابقت دارد، درخواست کنند.
