Uszkodzona uszczelka może zmieszać dwa strumienie technologiczne, zamknąć linię i stworzyć zagrożenie dla bezpieczeństwa. Gdy płynem jest gorący chlorek metylenu lub perchloroetylen, standardowe elastomery, takie jak Viton, pęcznieją i niszczą. Wybór materiału uszczelki staje się kluczową zagadką dotyczącą zgodności chemicznej. W przypadku wymiennika ciepła PTFE obsługującego agresywne, gorące rozpuszczalniki chlorowane, uszczelka musi wytrzymać atak chemiczny, utrzymywać szczelność podczas cykli termicznych i unikać zanieczyszczenia płynu procesowego. Wybór niewłaściwego materiału może prowadzić do wycieków, przestojów i emisji do środowiska.
Wyzwanie dotyczące uszczelniania za pomocą chlorowanych rozpuszczalników
Chlorowane rozpuszczalniki, takie jak chlorek metylenu (dichlorometan, DCM), perchloroetylen (PCE, tetrachloroetylen), trichloroetylen (TCE) i chlorobenzen są szeroko stosowane w odtłuszczaniu, czyszczeniu chemicznym, syntezie chemicznej i przetwórstwie farmaceutycznym. Po podgrzaniu w wymienniku PTFE,-zazwyczaj po stronie rury, z czynnikiem grzewczym lub chłodzącym po stronie płaszcza,-rozpuszczalniki te stanowią wyjątkowe wyzwanie w zakresie uszczelnienia.
Większość uszczelek elastomerowych (nitryl, EPDM, Viton, silikon) jest atakowana przez chlorowane rozpuszczalniki. Viton® (FKM) znacznie pęcznieje i traci właściwości mechaniczne. Kauczuk nitrylowy (NBR) rozpuszcza się lub kruszy. Nawet polichloropren (neopren) jest nieodpowiedni. Jedyne elastomery o marginalnej odporności (np. perfluoroelastomery, takie jak Kalrez® lub Chemraz®) są niezwykle drogie i nadal wymagają potwierdzenia w konkretnym rozpuszczalniku i temperaturze. Ponadto elastomery mogą wypłukiwać plastyfikatory lub oligomery-o niskiej-masie cząsteczkowej do rozpuszczalnika, zanieczyszczając destylat, który może wymagać wysokiej czystości.
Dlatego poszukiwanie Amateriał uszczelki gorący chlorowany rozpuszczalnik wymiennik PTFEnieuchronnie wskazuje na roztwory na bazie fluoropolimeru-lub grafitu-, które są chemicznie obojętne i stabilne termicznie.
Materiały na uszczelkę kandydata
1. Rozszerzony PTFE (ePTFE)
Ekspandowany politetrafluoroetylen (ePTFE) to zmodyfikowana forma PTFE, która jest spieniana lub rozciągana w celu utworzenia mikroporowatej, bardzo elastycznej struktury. Zachowuje uniwersalną odporność chemiczną stałego PTFE-kompatybilnego ze wszystkimi chlorowanymi rozpuszczalnikami w temperaturach do około 260 stopni (500 stopni F). Jednak praktyczny limit temperatury dla uszczelek ePTFE w pracy ciągłej wynosi zazwyczaj 200–230 stopni, w zależności od konkretnego gatunku.
Zalety rozpuszczalników chlorowanych:
Obojętny na chlorek metylenu, perchloroetylen, TCE i wszystkie inne chlorowane węglowodory.
Brak wymywania i ekstrakcji (czysty PTFE).
Wysoce dopasowujący się – miękki, elastyczny materiał wypełnia niedoskonałości powierzchni kołnierza (zarysowania, wgłębienia, falistości) lepiej niż stały PTFE.
Niskie pełzanie i płynięcie na zimno w porównaniu do stałego PTFE, choć nadal znaczące.
Dostępne w arkuszach, taśmach i-wyciętych uszczelkach.
Wady:
Ograniczona wytrzymałość mechaniczna w porównaniu do uszczelek gumowych.
Aby uzyskać uszczelnienie, wymagane jest większe obciążenie śruby (zwykle naprężenie uszczelki 20–30 MPa).
Z czasem podatny na pełzającą relaksację; Niezbędne jest-ponowne dokręcenie po cyklach termicznych.
2. Elastyczny grafit z powłoką lub laminowaniem PTFE
Elastyczny grafit (zwany także grafitem ekspandowanym) to doskonały-materiał na uszczelki wysokotemperaturowe. Jest obojętny na prawie wszystkie chemikalia, w tym chlorowane rozpuszczalniki, aż do bardzo wysokich temperatur (450 stopni lub więcej). Jednakże czysty grafit może być nieco porowaty i może wydzielać drobne cząstki. W przypadku wymienników ciepła, gdzie występuje ryzyko zanieczyszczenia, powłoka PTFE lub laminat PTFE na powierzchni-stykającej się z płynem zapewnia nie-przywierającą,-porowatą barierę.
Typowa konstrukcja:
Rdzeń z elastycznego grafitu (z lub bez metalowej wstawki zwiększającej wytrzymałość).
Cienka warstwa folii PTFE (np. 0,05–0,1 mm) przyklejona do powierzchni stykającej się z chlorowanym rozpuszczalnikiem.
Alternatywnie, uszczelka kopertowa z PTFE (omówiona poniżej) może wykorzystywać elastyczny grafit jako rdzeń.
Zalety:
Doskonała odporność na temperaturę (do 350 stopni dla samego grafitu, 230 stopni z powłoką PTFE).
Bardzo niskie pełzanie – utrzymuje obciążenie śruby lepiej niż ePTFE.
Dobra odporność chemiczna (grafit jest atakowany tylko przez silne utleniacze, takie jak stężony kwas azotowy lub tlen w wysokich temperaturach; rozpuszczalniki chlorowane nie są utleniaczami).
Wady:
Powłoka PTFE może być cienka i można ją zarysować, odsłaniając grafit. Pełna koperta PTFE jest bardziej niezawodna.
Grafit może być ścierny; wymagana jest ostrożna obsługa.
3. Uszczelki kopertowe z PTFE
Uszczelka koperty PTFE składa się ze ściśliwego rdzenia wypełniającego (takiego jak perforowana blacha, arkusz nie{0}}włókna azbestowego lub elastyczny arkusz grafitowy) całkowicie otoczonego cienką powłoką PTFE. Koperta ma zazwyczaj grubość 0,2–0,5 mm i jest odwracana na krawędziach wewnętrznych i zewnętrznych. Powłoka PTFE zapewnia odporność chemiczną, natomiast rdzeń zapewnia sprężystość i odporność na pełzanie.
W przypadku gorących rozpuszczalników chlorowanych zalecane materiały rdzenia:
Elastyczny grafit (do wysokich temperatur, do 230 stopni z powłoką PTFE)
Siatka ze stali cięto-ciągnionej lub monelowej (dla wytrzymałości mechanicznej)
Włókno wysokotemperaturowe nie-azbestowe- (upewnij się, że nie ma rozkładających się spoiw)
Zalety:
Doskonała odporność chemiczna – tylko PTFE ma kontakt z rozpuszczalnikiem.
Dobra ściśliwość i odzysk – dobrze uszczelnia uszkodzone kołnierze.
Dostępne w standardowych rozmiarach dla kołnierzy wymiennika ciepła z PTFE.
Wady:
Wyższy koszt niż arkusz ePTFE.
Koperta może zostać przebita w przypadku nieprawidłowego obchodzenia się z uszczelką.
Wymaga starannego centrowania podczas montażu.
4. Uszczelki z litego PTFE (niewypełnione)
Solidne, niewypełnione uszczelki PTFE (wycięte z arkusza o grubości 1–3 mm) są chemicznie kompatybilne, ale mają słabą podatność i ekstremalne pełzanie. Są trudne do uszczelnienia na szorstkich kołnierzach i generalnie nie są zalecane do stosowania z chlorowanymi rozpuszczalnikami, chyba że kołnierze są bardzo płaskie, a śruby są często-dokręcane. Rozszerzony PTFE jest prawie zawsze lepszym wyborem.
Tabela referencyjna kompatybilności
| Materiał uszczelki | Odporność chemiczna na gorące chlorowane rozpuszczalniki (do 150 stopni) | Limit temperatury | Ryzyko wymywania | Pełzanie / Relaks | Zalecany do wymiennika PTFE? |
|---|---|---|---|---|---|
| Kauczuk nitrylowy (NBR) | Słaby – rozpuszcza się lub pęcznieje | Niski (<80°C) | Wysoka (plastyfikatory) | Niski | NIE |
| EPDM | Słaby – pęcznieje w wielu chlorowanych rozpuszczalnikach | Umiarkowany | Wysoki | Niski | NIE |
| Viton (FKM) | Pęcznieje znacząco w DCM, TCE | Umiarkowany (200 stopni, ale nie działa chemicznie) | Umiarkowany | Niski | NIE |
| Perfluoroelastomer (FFKM) | Doskonałe – ale niezwykle drogie | Do 260 stopni | Bardzo niski (dla większości zaporowy) | Niski | Tak, ale-koszt jest zaporowy |
| Solidny PTFE | Doskonały | Do 260 stopni | Nic | Bardzo wysoka (słaba szczelność) | Nie zalecane (pełzanie) |
| Rozszerzony PTFE (ePTFE) | Doskonały | Do 230 stopni | Nic | Umiarkowany (wymaga-ponownego dokręcenia) | Tak (pierwszy wybór) |
| Elastyczny grafit (niepowlekany) | Doskonały | Do 450 stopni | Niski (możliwe wydzielanie cząstek) | Bardzo niski | Tak, jeśli wnikanie cząstek jest dopuszczalne |
| Grafit-pokryty PTFE | Doskonały (powierzchnia PTFE) | Do 230 stopni (limit PTFE) | Minimalny | Bardzo niski | Tak |
| Koperta PTFE z rdzeniem grafitowym | Doskonały | Do 230 stopni | Nic | Niski | Tak (pewny wybór) |
Mechanika uszczelniająca: Uszczelki PTFE wymagają konserwacji
W przeciwieństwie do uszczelek elastomerowych, które dostosowują się pod umiarkowanym obciążeniem śrub, uszczelki na bazie PTFE-(w tym ePTFE) są termoplastyczne. Wymagają większego początkowego naprężenia śruby, aby utworzyć uszczelnienie,-zwykle 20–35 MPa w obszarze styku uszczelki. Jest to 2–3 razy większe obciążenie wymagane dla gumowej uszczelki. Kołnierz musi być wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać te obciążenia bez zginania.
Ponadto PTFE pełza (płynie na zimno) pod wpływem długotrwałego ściskania. Po pierwszym cyklu termicznym grubość uszczelki mogła się zmniejszyć, zmniejszając obciążenie śruby. Dlatego,ponowne-dokręcenie wymiennika po osiągnięciu przez wymiennik temperatury roboczej i jego ochłodzeniujest zdecydowanie zalecane. Drugie-dokręcenie po kilku dniach pracy może również być korzystne. Niektórzy producenci uszczelek udostępniają krzywe utrzymania momentu obrotowego w celu zaplanowania odstępów-ponownego dokręcania.
Dlamateriał uszczelki gorący chlorowany rozpuszczalnik wymiennik PTFEstandardem branżowym jest połączenie ePTFE lub uszczelki kopertowej-PTFE z rdzeniem ściśliwym (grafitowym lub metalowym). Konstrukcja powłoki zapewnia dodatkową barierę-nawet jeśli powłoka jest uszkodzona, materiał rdzenia powinien być zgodny chemicznie (np. elastyczny grafit jest również odporny na chlorowane rozpuszczalniki).
Najlepsze praktyki instalacyjne
Przygotowanie kołnierza– Powierzchnie kołnierzy powinny być gładkie (Ra 1,6–3,2 µm) i wolne od głębokich rys, wżerów lub śladów promieniowych. Chlorowane rozpuszczalniki mogą przedostawać się przez maleńkie kanały kapilarne, jeśli powierzchnia kołnierza jest zbyt szorstka. Dopuszczalny jest-wypukły kołnierz czołowy z ząbkowanym wykończeniem, ale nie powinien on mieć ostrych rowków.
Centrowanie uszczelki– Uszczelki koperty PTFE muszą być idealnie wycentrowane. Uszczelka nieosiowa-może spowodować zagięcie koperty lub odsłonięcie rdzenia na wewnętrznej krawędzi.
Kolejność dokręcania śrub– Użyć skalibrowanego klucza dynamometrycznego. Postępuj według wzoru gwiazdy. W przypadku dużych kołnierzy dokręcić w co najmniej trzech przejściach (np. 30%, 70%, 100% docelowego momentu obrotowego). Zapisz końcowe wartości momentu obrotowego.
Harmonogram ponownego-dokręcania– Po pierwszym podgrzaniu-do temperatury roboczej (np. 120 stopni dla chlorku metylenu pod ciśnieniem), schłodzić wymiennik do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia, a następnie-ponownie dokręcić śruby. Powtórzyć po 24 godzinach pracy. Po tych początkowych-dokręceniach wiele systemów zachowuje stabilność przez miesiące lub lata, ale rozsądne jest-dokręcanie raz do roku.
Obliczanie obciążenia śruby– Należy sprawdzić opublikowane przez producenta uszczelki minimalne naprężenie uszczelki (np. w przypadku ePTFE typowa wartość „Y” wynosi 20–25 MPa). Oblicz wymagany moment obrotowy śruby, korzystając z geometrii kołnierza i współczynników tarcia. Nie zgaduj.
Dlaczego nie zastosować innych popularnych materiałów na uszczelki?
Następujące materiały są często używane w mniej agresywnych zastosowaniach, ale są niebezpieczne w przypadku gorących chlorowanych rozpuszczalników:
CAF (sprasowane włókno azbestowe)– Chociaż włókna azbestu są obojętne, spoiwa gumowe w uszczelkach CAF są atakowane przez chlorowane rozpuszczalniki, powodując rozwarstwianie i nieszczelność uszczelki. CAF jest również zakazany w wielu jurysdykcjach.
Włókno nie-azbestowe (NAF)– Większość uszczelek NAF zawiera włókna aramidowe i spoiwa nitrylowe lub SBR, które pęcznieją lub rozpuszczają się w chlorowanych rozpuszczalnikach. Dopuszczalne są tylko specjalne NAF ze spoiwami PTFE, ale w rzeczywistości są to kompozyty ePTFE.
Uszczelki metalowe (spiralne, profil kamm)– Uszczelki spiralnie zwijane ze stali nierdzewnej lub monelu z wypełniaczem PTFE są odporne chemicznie, ale wymagają bardzo dużych obciążeń śrubowych i gładkich wykończeń kołnierzy. Nadają się do zastosowań wysoko-ciśnieniowych, ale zazwyczaj są przesadą w przypadku wymienników PTFE, które pracują przy umiarkowanych ciśnieniach (często<10 bar). However, they can be used if the flange design allows.
Podsumowanie: Najmniejszy element, największa odpowiedzialność
Wybór odpowiedniej uszczelki do rozpuszczalników chlorowanych polega na wyborze chemicznie obojętnych, ściśliwych materiałów i przestrzeganiu dokładnych procedur montażowych. Rozszerzony PTFE (ePTFE) zapewnia uniwersalną kompatybilność, dobre dopasowanie i brak wymywania. Uszczelki kopertowe PTFE z elastycznymi rdzeniami grafitowymi zapewniają doskonałą odporność na pełzanie i niezawodność uszczelnienia. Elastyczny grafit z powłoką PTFE jest solidną alternatywą dla wyższych temperatur. Należy całkowicie unikać uszczelek elastomerowych. Uszczelka stanowi ostatnią linię obrony przed wyciekiem. Właściwy dobór w połączeniu z właściwym momentem dokręcania śrub i-ponownym dokręcaniem po cyklach termicznych gwarantuje, że wymiennik ciepła PTFE obsługujący gorące rozpuszczalniki chlorowane będzie działał bezpiecznie i wydajnie. Najmniejszy element wymiennika ciepła może mieć największe znaczenie dla bezpieczeństwa i wydajności-i nigdzie nie jest to bardziej prawdziwe niż w przypadku stosowania rozpuszczalników chlorowanych.
