W miarę jak przemysł chemiczny przechodzi na bardziej ekologiczne rozpuszczalniki-biopochodne, wymienniki ciepła, które je obsługują, również muszą się dostosować. Zamiennik toluenu, tetrahydrofuranu lub dichlorometanu może zapewnić podobną wydajność procesu, wykazując jednocześnie nieco inną interakcję z uszczelkami elastomerowymi uszczelniającymi wymiennik fluoropolimerowy. Nawet niewielka zmiana powinowactwa rozpuszczalnika może zmienić pęcznienie, twardość lub długoterminową-siłę uszczelniającą uszczelki.
Przejście na zrównoważoną chemię stwarza zatem nowe wyzwanie inżynieryjne: sprawdzenie, czy historycznie niezawodne materiały uszczelniające pozostają kompatybilne z najnowszą generacją odnawialnych rozpuszczalników.
Rosnące znaczenieUszczelka wymiennika fluoropolimerowego zgodna z rozpuszczalnikami na bazie biodobór odzwierciedla szerszy ruch przemysłowy w kierunku chemikaliów procesowych o niskiej-toksyczności i biopochodnych-.
Dlaczego-rozpuszczalniki biologiczne zachowują się inaczej
Wiele nowoczesnych, zrównoważonych rozpuszczalników zaprojektowano tak, aby naśladowały zachowanie funkcjonalne konwencjonalnych rozpuszczalników petrochemicznych, jednocześnie zmniejszając wpływ na środowisko lub toksyczność.
Przykłady obejmują:
2-metylotetrahydrofuran (2-MeTHF)
Eter cyklopentylowo-metylowy (CPME)
Mleczan etylu
Węglan dimetylu
Estry-biopochodne
Rozpuszczalniki na bazie terpenów-
Chociaż materiały te można bezpośrednio zastąpić istniejącymi procesami, ich struktura molekularna często różni się od rozpuszczalników, które zastępują.
Na kompatybilność uszczelek wpływa kilka właściwości chemicznych:
Polaryzacja molekularna
Chemia grup funkcyjnych
Dyfuzyjność rozpuszczalnika
Rozmiar molekularny
Zachowanie wiązań wodorowych
Różnice te mogą zmienić sposób penetracji rozpuszczalnika lub interakcji z elastomerowymi materiałami uszczelniającymi.
Ekologiczny rozpuszczalnik jest nadal substancją chemiczną i nadal musi być niezawodnie zawarty w wymienniku.
Dlaczego uszczelki są bardziej podatne na uszkodzenia niż PTFE
W fluoropolimerowych wymiennikach ciepła główne zwilżane powierzchnie są często wykonane z PTFE lub pokrewnych fluoropolimerów. Sam PTFE pozostaje zasadniczo odporny na prawie wszystkie rozpuszczalniki organiczne i agresywne chemikalia.
Jednak systemy uszczelek są bardziej złożone.
Wiele zespołów uszczelek wymiennika łączy wiele materiałów, takich jak:
Uszczelki kopertowe z PTFE
Rdzenie z Vitonu
Elastomery EPDM
Podpórki silikonowe
Wypełniacze ekspandowane PTFE
Zewnętrzna warstwa PTFE może zapewniać osłonę chemiczną, ale wewnętrzny rdzeń elastomerowy nadal decyduje o ściśliwości i sprężystości uszczelniającej.
Jeśli cząsteczki rozpuszczalnika przedostaną się przez mikroskopijne niedoskonałości, szwy lub odsłonięte powierzchnie, znajdujący się pod nimi elastomer może z czasem pęcznieć, zmiękczyć, kurczyć się lub stwardnieć.
Jak pęcznienie rozpuszczalnika wpływa na działanie uszczelki
Pęcznienie uszczelki ma miejsce, gdy cząsteczki rozpuszczalnika dyfundują do struktury elastomeru i fizycznie rozszerzają materiał.
Umiarkowane pęcznienie może początkowo poprawić siłę uszczelniającą, ale nadmierne wchłanianie często powoduje poważne,-terminowe problemy.
Potencjalne skutki obejmują:
Utrata wytrzymałości na ściskanie
Zmiękczenie rdzenia uszczelki
Trwałe odkształcenie
Wytłaczanie pod ciśnieniem
Zmniejszone utrzymywanie obciążenia śruby
Uszczelnij wyciek podczas cykli termicznych
I odwrotnie, niektóre rozpuszczalniki mogą ekstrahować plastyfikatory lub dodatki z elastomerów, powodując zamiast pęcznienia skurcz i kruchość.
Każdy z tych warunków może zagrozić integralności uszczelnienia.
Wyzwania związane z Vitonem i EPDM w-rozpuszczalnikach biologicznych
Tradycyjne usługi rozpuszczalnikowe często opierały się w dużym stopniu na fluoroelastomerach, takich jak Viton, ze względu na ich dużą odporność chemiczną na węglowodory i chlorowane rozpuszczalniki.
Jednak niektóre nowsze-rozpuszczalniki pochodzenia biologicznego zawierają utlenione grupy funkcyjne lub skład chemiczny estrów, które w różny sposób oddziałują z sieciami elastomerów.
Zmienność wydajności Vitonu
Uszczelki kopertowe PTFE z rdzeniami Viton w przeszłości dobrze sprawdzały się w wielu układach rozpuszczalników. Jednak niektóre rozpuszczalniki-na bazie biologicznej mogą zmiękczać składnik Viton bardziej agresywnie, niż oczekiwano, szczególnie gdy wzrasta zawartość estrów lub polarność.
To zachowanie może prowadzić do:
Zmniejszona twardość
Zestaw kompresyjny
Obrzęk
Niestabilność uszczelnienia pod obciążeniem
Różnice w kompatybilności EPDM
EPDM ogólnie dobrze sprawdza się w cieczach polarnych i systemach-na bazie wody, ale może słabo reagować z niektórymi rozpuszczalnikami organicznymi.
W miarę rozwoju zrównoważonej chemii rozpuszczalników założenia dotyczące zgodności oparte na starszych rozpuszczalnikach petrochemicznych stają się mniej wiarygodne.
Testowanie zgodności ASTM D471
Standardową metodą laboratoryjną oceny kompatybilności gumy i elastomeru jest ASTM D471.
Ta metoda badawcza mierzy, jak zmienia się materiał po kontrolowanym zanurzeniu w płynie chemicznym.
Typowe kryteria oceny obejmują:
Zwiększenie głośności
Zmiana twardości
Zmiana wytrzymałości na rozciąganie
Zmiana wagi
Wizualna degradacja
Prosty test zanurzeniowy może szybko wykazać, czy materiał uszczelki ulega niedopuszczalnemu pęcznieniu lub zmiękczeniu w nowym środowisku rozpuszczalnika.
Ponieważ wiele zrównoważonych rozpuszczalników jest stosunkowo nowych w przetwarzaniu przemysłowym, testy ASTM D471 są coraz częściej powtarzane w przypadku materiałów, które wcześniej miały dziesiątki lat sprawdzonej historii działania ze starszymi rozpuszczalnikami.
Rozważania dotyczące przenikania PTFE
Chociaż PTFE jest uważany za chemicznie obojętny w stosunku do prawie wszystkich rozpuszczalników organicznych, w pewnych warunkach może nadal zachodzić przenikanie.
Małe cząsteczki rozpuszczalnika mogą powoli dyfundować przez struktury fluoropolimerowe, szczególnie w podwyższonych temperaturach lub przy dłuższym czasie ekspozycji.
Przenikanie niekoniecznie powoduje uszkodzenie samego PTFE, ale może umożliwić kontakt rozpuszczalnika z:
Wewnętrzne rdzenie uszczelniające
Warstwy wzmacniające
Wtórne materiały uszczelniające
W rezultacie pełna kompatybilność zespołu uszczelek pozostaje ważna, nawet jeśli powierzchnie PTFE wydają się odporne chemicznie.
Dlaczego bazy danych zgodności muszą ewoluować
Wiele opublikowanych wykresów zgodności chemicznej zostało opracowanych na podstawie dziesięcioleci doświadczeń z konwencjonalnymi rozpuszczalnikami petrochemicznymi.
Szybki rozwój zrównoważonej chemii rozpuszczalników przewyższa obecnie niektóre istniejące referencyjne bazy danych.
W nowych rodzinach rozpuszczalników często brakuje:
Długoterminowe-dane dotyczące starzenia się
Badania przenikania
Rekordy zgodności-w wysokich temperaturach
Mieszane-wyniki narażenia na rozpuszczalniki
Walidacja cyklu termicznego
Nakłada to na producentów wymienników i użytkowników końcowych dodatkową odpowiedzialność za weryfikację kompatybilności eksperymentalnie, zamiast polegać wyłącznie na założeniach historycznych.
Certyfikowana dokumentacja kompatybilności staje się coraz ważniejsza podczas specyfikacji sprzętu i kwalifikacji procesów.
Trendy w doborze materiałów w wymiennikach fluoropolimerowych
Reakcja branży na ewolucję chemii rozpuszczalników już wpływa na strategie dotyczące materiałów uszczelek.
Pojawia się kilka trendów:
Większe wykorzystanie całkowicie hermetycznych uszczelek
Bardziej agresywne układy rozpuszczalników budzą zainteresowanie całkowicie zamkniętymi konstrukcjami uszczelek PTFE, które minimalizują narażenie na elastomer.
Rozszerzona walidacja laboratoryjna
Testy zgodności chemicznej są coraz częściej przeprowadzane przy użyciu rzeczywistych mieszanek procesowych, a nie jednoskładnikowych-rozpuszczalników odniesienia.
Indywidualne receptury elastomerów
Dostawcy uszczelek opracowują zmodyfikowane związki fluoroelastomeru i EPDM dostosowane do odporności na rozpuszczalniki odnawialne.
Surowsze wymagania dotyczące kwalifikacji dostawców
Użytkownicy końcowi coraz częściej żądają:
Dane ASTM D471
Długoterminowe-badania immersyjne
Walidacja starzenia termicznego
Wyniki badań przenikania
Nacisk przesuwa się z ogólnych założeń dotyczących zgodności w kierunku sprawdzania poprawności-specyficznej dla aplikacji.
Szerszy wpływ na projektowanie urządzeń procesowych
Dyskusja wokółUszczelka wymiennika fluoropolimerowego zgodna z rozpuszczalnikami na bazie bioselekcja odzwierciedla szerszą transformację zachodzącą w branżach przetwórstwa chemicznego.
W miarę ewolucji zrównoważonej chemii materiały sprzętowe muszą stale dostosowywać się do:
Nowe profile polarności rozpuszczalników
Zmiana zachowania ekstrakcji
Różne właściwości przenikania
Pojawiające się wymagania dotyczące stabilności termicznej
Nawet drobne modyfikacje chemii procesu mogą powodować nieoczekiwane interakcje z uszczelkami, powłokami, wężami i elementami wymiennika.
Wyzwanie nie dotyczy wyłącznie wymienników fluoropolimerowych, ale systemy te często działają w agresywnych środowiskach, w których nawet niewielkie uszkodzenia uszczelnień stają się krytyczne.
Wniosek
Przejście na biorozpuszczalniki-stanowi ważny postęp w zrównoważonym przetwarzaniu chemicznym, ale rodzi także nowe pytania dotyczące kompatybilności materiałów w przypadku fluoropolimerowych uszczelek wymienników ciepła. Chociaż sam PTFE pozostaje zasadniczo odporny na większość rozpuszczalników organicznych, elastomerowe rdzenie uszczelek, takie jak Viton i EPDM, mogą różnie reagować na odnawialne rozpuszczalniki ze zmienioną polarnością i strukturą molekularną.
Testy zanurzeniowe ASTM D471 stają się coraz ważniejsze dla sprawdzenia działania uszczelek w przypadku nowoczesnych, zrównoważonych rozpuszczalników, zwłaszcza że bazy danych dotyczące kompatybilności w dalszym ciągu nadążają za rosnącą gamą alternatywnych rozwiązań w zakresie zielonej chemii.
Niezawodne działanie uszczelniające zależy obecnie od ponownego zwrócenia uwagi na weryfikację materiału, jego przenikanie i-długoterminową interakcję rozpuszczalników.
W przetwarzaniu chemicznym każda zmiana w chemii procesu ostatecznie wymaga dokładnej ponownej weryfikacji materiałów, które mogą ją zawierać.
