I due materiali che sembrano simili a bassa temperatura
FEP e PTFE sono entrambi polimeri perfluorurati ed entrambi resistono ai comuni fluidi di raffreddamento utilizzati nei processi chimici: acqua refrigerata, soluzioni glicole, salamoia e refrigerante. A temperature comprese tra 0 gradi e 50 gradi, la resistenza chimica e le proprietà meccaniche dei due materiali sono simili e la scelta viene spesso effettuata in base al costo.
FEP è un copolimero di tetrafluoroetilene ed esafluoropropilene. Il comonomero di esafluoropropilene interrompe la cristallinità del polimero e riduce la viscosità del fuso, consentendo la lavorazione del FEP mediante estrusione del fuso. Il FEP ha una temperatura massima di servizio continuo di 200 gradi, rispetto ai 260 gradi del PTFE.
Il PTFE è un omopolimero del tetrafluoroetilene. La struttura lineare produce una maggiore cristallinità, che conferisce al PTFE una maggiore resistenza alla trazione, una migliore resistenza allo scorrimento viscoso e una temperatura di servizio continuo più elevata. Il PTFE non può essere lavorato a fusione-, quindi viene fabbricato mediante stampaggio a compressione e sinterizzazione.
Il confronto della conducibilità termica
FEP e PTFE hanno conduttività termica simile. Il PTFE ha una conduttività di 0,25 W/m·K, mentre il FEP ha una conduttività di 0,24 W/m·K. La differenza è trascurabile e non influisce sulla superficie richiesta per un dato carico termico.
Il coefficiente di trasferimento termico complessivo per entrambi i materiali è dominato dalle resistenze del film fluido, non dalla resistenza delle pareti. Nel servizio di raffreddamento da liquido-a-liquido, il coefficiente complessivo per uno scambiatore di calore in PTFE è generalmente pari a 200–300 W/m²·K, mentre il coefficiente per uno scambiatore di calore in FEP è essenzialmente lo stesso. La scelta tra i due materiali non può essere fatta in base alle prestazioni termiche.
La differenza di resistenza alla fatica flessibile
La resistenza alla fatica da flessione è la capacità di un materiale di resistere a flessioni e flessioni ripetute senza rompersi. Il FEP ha una resistenza alla fatica da flessione inferiore rispetto al PTFE a causa della sua cristallinità inferiore e della sua struttura molecolare più flessibile.
Nei servizi di raffreddamento chimico a bassa-temperatura, può verificarsi fatica da flessione negli scambiatori di calore soggetti a vibrazioni, cicli termici o movimenti meccanici. I tubi si flettono man mano che lo scambiatore di calore si espande e si contrae e la flessione ripetuta può causare crepe nella parete del tubo.
Il PTFE ha una resistenza alla fatica da flessione maggiore rispetto al FEP, il che lo rende adatto per servizi in cui i tubi sono soggetti a flessioni ripetute. Il FEP è adatto per servizi in cui i tubi sono supportati rigidamente e non soggetti a movimenti significativi.
La differenza di resistenza alla permeazione
La permeazione è la diffusione di un gas o di un liquido attraverso un polimero. Il FEP ha tassi di permeazione più elevati rispetto al PTFE a causa della sua cristallinità inferiore e della sua struttura molecolare più aperta.
Nel servizio di raffreddamento chimico a bassa-temperatura, la permeazione può costituire un problema se il fluido di raffreddamento contiene gas disciolti o se il fluido di processo è sensibile alla contaminazione. La permeazione di ossigeno o anidride carbonica attraverso la parete del tubo può influenzare la chimica del processo e la permeazione del fluido di processo attraverso la parete del tubo può contaminare il fluido di raffreddamento.
Il PTFE ha tassi di permeazione inferiori rispetto al FEP, il che lo rende adatto per servizi in cui la permeazione rappresenta un problema. Il FEP è adatto per servizi in cui la permeazione non è un fattore critico.
La differenza di capacità di temperatura
Il FEP ha una temperatura massima di servizio continuo di 200 gradi, mentre il PTFE ha una temperatura massima di servizio continuo di 260 gradi. A bassa temperatura, entrambi i materiali rientrano ampiamente nel loro intervallo di servizio e la differenza di capacità di temperatura non influisce sulla selezione.
La differenza di capacità di temperatura diventa importante se le condizioni del processo cambiano. Se il servizio di raffreddamento viene successivamente convertito in un servizio di riscaldamento o se la temperatura operativa viene aumentata, l'unità FEP potrebbe non essere adatta e sarebbe necessaria l'unità PTFE.
Confronto tra i due materiali nel raffreddamento chimico-a bassa temperatura
La seguente tabella riassume le prestazioni e le caratteristiche di costo degli scambiatori di calore in PTFE e FEP nel servizio di raffreddamento chimico a bassa-temperatura a 10 gradi con una soluzione di glicole al 30%.
| Caratteristica | Scambiatore di calore in PTFE | Scambiatore di calore FEP | Vantaggio |
|---|---|---|---|
| Conduttività termica | 0.25 W/m·K | 0.24 W/m·K | Pari |
| Coefficiente complessivo di scambio termico | 250 W/m²·K | 245 W/m²·K | Pari |
| Temperatura massima di servizio continuo | 260 gradi | 200 gradi | PTFE |
| Resistenza alla fatica da flessione | Alto | Moderare | PTFE |
| Resistenza alla permeazione | Alto | Moderare | PTFE |
| Resistenza chimica alla soluzione glicolata | Eccellente | Eccellente | Pari |
| Resistenza meccanica | Alto | Moderare | PTFE |
| Resistenza agli shock termici | Alto | Moderare | PTFE |
| Riparabilità | Bene | Bene | Pari |
| Durata utile nel servizio di raffreddamento | 15-20 anni | 10-15 anni | PTFE |
| Costo di capitale per il servizio da 20 kW | $18,000 | $14,000 | FEP |
| Costo di installazione | $2,500 | $2,500 | Pari |
| Costo di manutenzione annuale | $1,200 | $1,800 | PTFE |
| Costo totale di cinque-anni | $33,500 | $33,500 | Pari |
I valori del costo totale quinquennale presuppongono un valore di produzione di $ 400 l'ora e includono il costo di capitale, il costo di installazione e il costo di manutenzione nell'arco di cinque anni. Il costo totale quinquennale è essenzialmente uguale perché il costo di capitale inferiore del FEP è compensato dal costo di manutenzione più elevato.
Quando la FEP è la scelta migliore
FEP è la scelta migliore in diverse applicazioni specifiche.
Servizio a bassa-temperatura senza flessioni.A temperature inferiori a 50 gradi e con tubi supportati rigidamente, il FEP offre le stesse prestazioni del PTFE a un costo di capitale inferiore.
Servizio di permeazione non-critico.Quando la permeazione di gas o liquidi attraverso la parete del tubo non costituisce un problema, il FEP è adeguato.
Requisiti di breve durata.Quando si prevede che lo scambiatore di calore abbia una durata operativa pari o inferiore a 10 anni, il FEP è adeguato e meno costoso.
Applicazioni-sensibili ai costi.Quando il budget di capitale è limitato, la FEP fornisce prestazioni adeguate a un costo inferiore.
Servizio di raffreddamento standard.Per il servizio di raffreddamento standard senza requisiti chimici o meccanici insoliti, il FEP è adeguato.
Quando il PTFE è la scelta migliore
Il PTFE è la scelta migliore in diverse applicazioni specifiche.
Servizio flessibile.Quando i tubi sono soggetti a vibrazioni, cicli termici o movimenti meccanici, il PTFE ha una resistenza alla fatica da flessione maggiore rispetto al FEP.
Servizio sensibile alla permeazione.Quando la permeazione di gas o liquidi attraverso la parete del tubo costituisce un problema, il PTFE ha tassi di permeazione inferiori rispetto al FEP.
Servizio ad alta-temperatura.Quando la temperatura operativa può superare i 200 gradi, è necessario il PTFE perché il FEP si ammorbidisce e perde resistenza.
Requisito di lunga durata.Quando si prevede che lo scambiatore di calore abbia una durata operativa di 15 anni o più, il PTFE è la scelta migliore perché ha una maggiore resistenza meccanica e una migliore resistenza allo scorrimento viscoso.
Servizio-di elevata purezza.Quando il fluido di processo è sensibile alla contaminazione, il PTFE ha tassi di permeazione inferiori e minori estraibili rispetto al FEP.
Caratteristiche del design che influenzano la selezione
Diverse caratteristiche di progettazione influenzano la scelta tra PTFE e FEP.
Distanza tra i supporti del tubo.Una distanza più ravvicinata tra i supporti dei tubi riduce la flessione dei tubi, riducendo così i requisiti di fatica da flessione e consentendo l'utilizzo del FEP.
Velocità del flusso.Una maggiore velocità del flusso aumenta la vibrazione e la flessione dei tubi, il che favorisce il PTFE.
Frequenza del ciclo termico.Cicli termici più frequenti aumentano la flessione dei tubi, favorendo il PTFE.
Sensibilità al fluido di processo.I fluidi di processo più sensibili richiedono tassi di permeazione inferiori, il che favorisce il PTFE.
Margine di temperatura operativa.Un margine più ampio tra la temperatura operativa e il limite del materiale offre maggiore flessibilità per futuri cambiamenti di processo, il che favorisce il PTFE.
Parametri di specifica per il raffreddamento chimico a bassa-temperatura
I tecnici delle apparecchiature che valutano gli scambiatori di calore in PTFE e FEP per il raffreddamento chimico a bassa-temperatura devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Chimica dei fluidi di raffreddamento.Specificare la composizione del fluido di raffreddamento, inclusa la concentrazione di glicole, salamoia o altri additivi.
Temperatura operativa.Specificare la temperatura operativa massima e il profilo di temperatura previsto.
Sensibilità al fluido di processo.Specificare la sensibilità del fluido di processo alla contaminazione dovuta alla permeazione.
Condizioni di flessione.Specificare la vibrazione, il ciclo termico e il movimento meccanico che i tubi subiranno.
Requisito di durata utile.Specificare la durata utile prevista e il programma di sostituzione.
Carico termico e area superficiale.Specificare il carico termico e la superficie richiesta per ciascuna opzione di materiale.
Vincoli di spazio.Specificare lo spazio disponibile e l'ingombro massimo consentito.
Capacità di manutenzione.Specificare la capacità di manutenzione della struttura.
Abbinamento della selezione dei materiali alle condizioni del servizio di raffreddamento
La scelta tra scambiatori di calore in PTFE e FEP nel raffreddamento chimico a bassa-temperatura dipende dalle condizioni di flessione, dalla sensibilità alla permeazione, dai requisiti di durata di servizio e dalla sensibilità ai costi. Il FEP è adeguato per il servizio a bassa-temperatura senza problemi di flessione e permeazione ed è meno costoso. Il PTFE è necessario per servizi soggetti a flessione, problemi di permeazione o requisiti di lunga durata.
La decisione di selezione dovrebbe basarsi su un'analisi specifica della struttura- che incorpori il costo di capitale, il costo di installazione, il costo di manutenzione e l'esposizione alla perdita di produzione. Un semplice modello di foglio di calcolo con questi componenti di costo fornisce le informazioni necessarie per prendere una decisione.
Per gli impianti di raffreddamento chimico a bassa-temperatura che valutano le opzioni dello scambiatore di calore, la selezione del materiale dovrebbe basarsi sul costo totale di proprietà per la durata di servizio prevista, non solo sul costo di capitale. Un'unità FEP con un costo di capitale inferiore può avere un costo di vita più elevato se richiede sostituzioni più frequenti.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per il raffreddamento chimico a bassa-temperatura o altri servizi corrosivi possono richiedere una revisione del progetto che comprenda la chimica del fluido di raffreddamento, la temperatura operativa, la sensibilità del fluido di processo, le condizioni di flessibilità e i requisiti di durata di servizio per confermare che la selezione del materiale corrisponda alle effettive condizioni di servizio e alla struttura dei costi della struttura.
