Dwa materiały, które wyglądają podobnie w niskiej temperaturze
FEP i PTFE to polimery perfluorowane i oba są odporne na powszechnie stosowane płyny chłodzące stosowane w przetwórstwie chemicznym: schłodzoną wodę, roztwory glikolu, solankę i czynnik chłodniczy. W temperaturach od 0 do 50 stopni odporność chemiczna i właściwości mechaniczne obu materiałów są podobne, a wyboru często dokonuje się na podstawie kosztów.
FEP jest kopolimerem tetrafluoroetylenu i heksafluoropropylenu. Komonomer heksafluoropropylenu zakłóca krystaliczność polimeru i zmniejsza lepkość stopu, co umożliwia przetwarzanie FEP poprzez wytłaczanie stopu. FEP ma maksymalną ciągłą temperaturę pracy wynoszącą 200 stopni, w porównaniu do 260 stopni w przypadku PTFE.
PTFE jest homopolimerem tetrafluoroetylenu. Struktura liniowa zapewnia wyższą krystaliczność, co zapewnia PTFE wyższą wytrzymałość na rozciąganie, lepszą odporność na pełzanie i wyższą ciągłą temperaturę pracy. PTFE nie może być przetwarzany w stanie stopionym-, dlatego jest wytwarzany poprzez formowanie tłoczne i spiekanie.
Porównanie przewodności cieplnej
FEP i PTFE mają podobną przewodność cieplną. PTFE ma przewodność 0,25 W/m·K, a FEP ma przewodność 0,24 W/m·K. Różnica jest pomijalna i nie wpływa na wymaganą powierzchnię dla danego obciążenia cieplnego.
Ogólny współczynnik przenikania ciepła dla obu materiałów jest zdominowany przez opór warstwy płynu, a nie opór ścianki. W przypadku chłodzenia cieczą-do-cieczy ogólny współczynnik dla wymiennika ciepła z PTFE wynosi zazwyczaj 200–300 W/m²·K, a współczynnik dla wymiennika ciepła FEP jest zasadniczo taki sam. Wyboru pomiędzy tymi dwoma materiałami nie można dokonać na podstawie właściwości termicznych.
Różnica w odporności na zmęczenie przy zginaniu
Odporność na zmęczenie przy zginaniu to zdolność materiału do wytrzymywania wielokrotnego zginania i zginania bez pękania. FEP ma niższą odporność na zmęczenie przy zginaniu niż PTFE ze względu na niższą krystaliczność i bardziej elastyczną strukturę molekularną.
W przypadku niskotemperaturowego-chemicznego chłodzenia w wymiennikach ciepła poddawanych wibracjom, cyklicznym zmianom cieplnym lub ruchom mechanicznym może wystąpić zmęczenie spowodowane zginaniem. Rury wyginają się w miarę rozszerzania się i kurczenia wymiennika ciepła, a powtarzające się zginanie może powodować pęknięcia ścianek rur.
PTFE ma wyższą odporność na zmęczenie przy zginaniu niż FEP, co czyni go odpowiednim do zastosowań, w których rury są poddawane wielokrotnemu zginaniu. FEP nadaje się do zastosowań, w których rury są sztywno podparte i nie podlegają znaczącym ruchom.
Różnica w oporze przenikania
Permeacja to dyfuzja gazu lub cieczy przez polimer. FEP ma wyższy współczynnik przenikania niż PTFE ze względu na niższą krystaliczność i bardziej otwartą strukturę molekularną.
W przypadku niskotemperaturowego-chemicznego chłodzenia przenikanie może stanowić problem, jeśli płyn chłodzący zawiera rozpuszczone gazy lub jeśli płyn procesowy jest wrażliwy na zanieczyszczenia. Przenikanie tlenu lub dwutlenku węgla przez ściankę rury może wpływać na chemię procesu, a przenikanie płynu procesowego przez ściankę rury może zanieczyścić płyn chłodzący.
PTFE ma niższy współczynnik przenikania niż FEP, co czyni go odpowiednim do zastosowań, w których problemem jest przenikanie. FEP nadaje się do zastosowań, w których przenikanie nie jest czynnikiem krytycznym.
Różnica wydajności temperaturowej
FEP ma maksymalną ciągłą temperaturę pracy 200 stopni, podczas gdy PTFE ma maksymalną ciągłą temperaturę pracy 260 stopni. W niskiej temperaturze oba materiały mieszczą się w swoim zakresie użytkowym, a różnica temperatur nie ma wpływu na wybór.
Różnica wydajności temperaturowej staje się istotna, jeśli zmieniają się warunki procesu. Jeśli usługa chłodzenia zostanie później zamieniona na usługę grzewczą lub jeśli temperatura robocza zostanie zwiększona, jednostka FEP może nie być odpowiednia i będzie wymagana jednostka PTFE.
Porównanie dwóch materiałów podczas chłodzenia chemicznego w niskiej-temperaturze
Poniższa tabela podsumowuje charakterystykę wydajności i kosztów wymienników ciepła z PTFE i FEP w-chemicznym procesie chłodzenia chemicznego w temperaturze 10 stopni za pomocą 30% roztworu glikolu.
| Charakterystyczny | Wymiennik ciepła PTFE | Wymiennik ciepła FEP | Korzyść |
|---|---|---|---|
| Przewodność cieplna | 0.25 W/m·K | 0.24 W/m·K | Równy |
| Całkowity współczynnik przenikania ciepła | 250 W/m²·K | 245 W/m²·K | Równy |
| Maksymalna ciągła temperatura pracy | 260 stopni | 200 stopni | PTFE |
| Odporność na zmęczenie podczas zginania | Wysoki | Umiarkowany | PTFE |
| Odporność na przenikanie | Wysoki | Umiarkowany | PTFE |
| Odporność chemiczna na roztwór glikolu | Doskonały | Doskonały | Równy |
| Wytrzymałość mechaniczna | Wysoki | Umiarkowany | PTFE |
| Odporność na szok termiczny | Wysoki | Umiarkowany | PTFE |
| Możliwość naprawy | Dobry | Dobry | Równy |
| Żywotność w trybie chłodzenia | 15–20 lat | 10–15 lat | PTFE |
| Koszt inwestycyjny przy obciążeniu 20 kW | $18,000 | $14,000 | FEP |
| Koszt instalacji | $2,500 | $2,500 | Równy |
| Roczny koszt utrzymania | $1,200 | $1,800 | PTFE |
| Całkowity koszt pięciu-lat | $33,500 | $33,500 | Równy |
Wartości kosztów całkowitych w ciągu pięciu- lat zakładają wartość produkcji wynoszącą 400 USD na godzinę i obejmują koszt kapitału, koszt instalacji i koszt konserwacji w ciągu pięciu lat. Całkowity koszt pięcio-letni jest zasadniczo taki sam, ponieważ niższy koszt inwestycyjny FEP jest równoważony wyższymi kosztami utrzymania.
Kiedy FEP jest lepszym wyborem
FEP jest lepszym wyborem w kilku konkretnych zastosowaniach.
Praca w niskiej-temperaturze bez zginania.W temperaturach poniżej 50 stopni i przy sztywno podpartych rurach FEP sprawdza się równie dobrze jak PTFE przy niższych kosztach kapitałowych.
Nie-krytyczna usługa przenikania.Jeżeli przenikanie gazów lub cieczy przez ściankę rury nie stanowi problemu, odpowiedni będzie FEP.
Wymagana krótka żywotność.Jeżeli oczekuje się, że żywotność wymiennika ciepła będzie wynosić 10 lat lub mniej, FEP jest odpowiedni i tańszy.
Aplikacje wrażliwe na koszty.Gdy budżet kapitałowy jest ograniczony, FEP zapewnia odpowiednią wydajność przy niższych kosztach.
Standardowa usługa chłodzenia.W przypadku standardowych usług chłodniczych bez nietypowych wymagań chemicznych i mechanicznych odpowiedni jest FEP.
Kiedy PTFE jest lepszym wyborem
PTFE jest lepszym wyborem w kilku konkretnych zastosowaniach.
Usługa elastyczna.Gdy rury są narażone na wibracje, cykle termiczne lub ruchy mechaniczne, PTFE ma wyższą odporność na zmęczenie przy zginaniu niż FEP.
Usługa wrażliwa na przenikanie-.Gdy problemem jest przenikanie gazów lub cieczy przez ściankę rury, PTFE ma niższy współczynnik przenikania niż FEP.
Obsługa w wysokiej-temperaturze.Gdy temperatura robocza może przekroczyć 200 stopni, wymagany jest PTFE, ponieważ FEP mięknie i traci wytrzymałość.
Wymagana długa żywotność.Jeżeli oczekuje się, że wymiennik ciepła będzie miał żywotność 15 lat lub więcej, lepszym wyborem będzie PTFE, ponieważ ma wyższą wytrzymałość mechaniczną i lepszą odporność na pełzanie.
Usługa o wysokiej-czystości.Gdy płyn procesowy jest wrażliwy na zanieczyszczenia, PTFE charakteryzuje się niższym współczynnikiem przenikania i mniejszą zawartością substancji ekstrahowalnych niż FEP.
Cechy konstrukcyjne wpływające na wybór
Na wybór pomiędzy PTFE i FEP wpływa kilka cech konstrukcyjnych.
Rozstaw podpór rurowych.Mniejszy rozstaw podpór rur zmniejsza zginanie rur, co zmniejsza wymagania dotyczące zmęczenia przy zginaniu i pozwala na użycie FEP.
Prędkość przepływu.Wyższa prędkość przepływu zwiększa wibracje i ugięcie rur, co sprzyja PTFE.
Częstotliwość cykli termicznych.Częstsze cykle termiczne zwiększają zginanie rur, co sprzyja PTFE.
Wrażliwość na płyn procesowy.Bardziej wrażliwe płyny procesowe wymagają niższych współczynników przenikania, co faworyzuje PTFE.
Margines temperatury roboczej.Większy margines między temperaturą roboczą a limitem materiału zapewnia większą elastyczność w przypadku przyszłych zmian procesu, co faworyzuje PTFE.
Parametry specyfikacji niskotemperaturowego-chłodzenia chemicznego
Inżynierowie zajmujący się sprzętem oceniający wymienniki ciepła PTFE i FEP pod kątem niskotemperaturowego-chłodzenia chemicznego powinni potwierdzić u dostawcy następujące parametry.
Chemia płynu chłodzącego.Określ skład płynu chłodzącego, w tym stężenie glikolu, solanki lub innych dodatków.
Temperatura robocza.Określ maksymalną temperaturę roboczą i oczekiwany profil temperatury.
Wrażliwość na płyn procesowy.Określ wrażliwość płynu procesowego na zanieczyszczenia spowodowane przenikaniem.
Elastyczne warunki.Określ wibracje, cykle termiczne i ruchy mechaniczne, którym będą poddawane rury.
Wymóg żywotności.Określ oczekiwany okres użytkowania i harmonogram wymiany.
Obciążenie cieplne i powierzchnia.Określ obciążenie cieplne i wymaganą powierzchnię dla każdej opcji materiału.
Ograniczenia przestrzenne.Określ dostępną przestrzeń i maksymalną dopuszczalną powierzchnię.
Możliwość konserwacji.Określ zdolność konserwacyjną obiektu.
Dopasowanie doboru materiałów do warunków pracy układu chłodzenia
Wybór pomiędzy wymiennikami ciepła PTFE i FEP w-chemicznym chłodzeniu chemicznym w niskich temperaturach zależy od warunków zginania, wrażliwości na przenikanie, wymagań dotyczących trwałości użytkowej i wrażliwości kosztowej. FEP jest odpowiedni do pracy w niskich-temperaturach, bez zginania i przenikania, a przy tym jest tańszy. PTFE jest wymagany w przypadku zastosowań związanych z zginaniem, przenikaniem lub wymaganą długą żywotnością.
Decyzja o wyborze powinna opierać się na analizie-specyficznego obiektu, która uwzględnia koszt kapitału, koszt instalacji, koszt konserwacji i narażenie na straty produkcyjne. Prosty model arkusza kalkulacyjnego z tymi składnikami kosztów zapewnia informacje potrzebne do podjęcia decyzji.
W przypadku niskotemperaturowych-chemicznych instalacji chłodniczych, w których oceniane są opcje wymienników ciepła, wybór materiału powinien opierać się na całkowitym koszcie posiadania w oczekiwanym okresie użytkowania, a nie tylko na koszcie kapitałowym. Jednostka FEP o niższym koszcie kapitałowym może mieć wyższy koszt w całym okresie użytkowania, jeśli wymaga częstszej wymiany.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE do-chłodzenia chemicznego w niskich temperaturach lub innych zastosowań korozyjnych mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący skład chemiczny płynu chłodzącego, temperaturę roboczą, czułość płynu procesowego, warunki zginania i wymagania dotyczące żywotności, aby potwierdzić, że wybór materiału jest dopasowany do rzeczywistych warunków pracy i struktury kosztów obiektu.
