La domanda- sulle alte temperature
Un processo chimico richiede un riscaldamento continuo a 180 gradi con vapore saturo a 6 barg. Sia i tubi in PTFE che quelli in PFA (perfluoroalcossi) sono progettati per un servizio continuo a 260 gradi. Entrambi sono completamente fluorurati e chimicamente inerti. Il progettista dello scambiatore di calore deve scegliere tra di essi in base alle prestazioni meccaniche alla temperatura-in particolare, alla resistenza alla rottura per scorrimento sotto pressione interna.
A 180 gradi, le velocità di scorrimento del PTFE e del PFA divergono. La differenza ha origine nella loro architettura molecolare. Il PTFE è un polimero lineare di peso molecolare ultra-elevato con una conformazione a catena rigida,-a forma di bastoncino. Il PFA incorpora il comonomero del perfluoropropilviniletere, che introduce corti rami laterali che interrompono la cristallinità e alterano la risposta al creep.
La domanda è quantitativa: per dimensioni identiche del tubo e pressione interna del vapore, quante ore di funzionamento fornisce ciascun materiale prima della rottura per scorrimento viscoso o della deformazione inaccettabile? La risposta determina gli intervalli di manutenzione e il costo del ciclo di vita.
La base molecolare della differenza di creep
Il creep nei fluoropolimeri avviene per scorrimento della catena molecolare. Sotto stress prolungato, le catene polimeriche si districano lentamente e scivolano l'una sull'altra. La velocità dipende dalla lunghezza della catena (peso molecolare), dalla rigidità della catena, dalla cristallinità e dalla presenza di rami laterali che fungono da ancore.
Il PTFE ha un peso molecolare estremamente elevato-da 10⁷ a 10⁸ g/mol e un'elevata cristallinità (50-70% per il PTFE vergine, inferiore per i gradi modificati). Le catene lunghe e rigide formano estesi domini cristallini che resistono allo scorrimento della catena. Le regioni amorfe, pur essendo soggette a deformazione, sono vincolate dai cristalliti circostanti.
Il PFA ha un peso molecolare inferiore al PTFE e una cristallinità inferiore (30-45%). I rami laterali del perfluoropropilviniletere interrompono la cristallizzazione. Mentre i rami laterali forniscono un certo ancoraggio contro lo scorrimento della catena-simile alla funzione del comonomero nel PTFE modificato, la cristallinità complessiva inferiore e il peso molecolare inferiore determinano uno scorrimento più rapido a temperature elevate.
A 180 gradi, la velocità di scorrimento del PFA sotto uguale sollecitazione circolare è circa 2-4 volte quella del PTFE vergine e 1,5-3 volte quella del PTFE modificato. La differenza quantitativa si traduce in una durata utile più breve o in pareti del tubo più spesse affinché il PFA raggiunga una durata equivalente.
| Parametro di scorrimento | PTFE vergine | PTFE modificato | PFA |
|---|---|---|---|
| Peso molecolare tipico (g/mol) | 10⁷-10⁸ | 10⁷-10⁸ (con rami laterali) | 10⁶-10⁷ |
| Cristallinità (%) | 50-70 | 40-55 | 30-45 |
| Velocità di scorrimento a 180 gradi, sollecitazione del cerchio di 3 MPa (%/1.000 ore) | 0.08-0.15 | 0.04-0.08 | 0.12-0.30 |
| Tempo per la deformazione al 2% a 180 gradi, 3 MPa (ore) | 13,000-25,000 | 25,000-50,000 | 6,500-16,500 |
| Vita utile stimata a 180 gradi, 6 barg (anni) | 1.5-3 | 3-6 | 0.8-2 |
| Spessore della parete del tubo per una durata equivalente di 5 anni (mm, diametro esterno 10 mm) | 1.5 | 1.2 | 2.0+ |
L'implicazione del design
Lo scorrimento più veloce del PFA a 180 gradi non ne preclude l'uso-richiede pareti del tubo più spesse per ridurre lo stress del telaio a un livello in cui la velocità di scorrimento è accettabile. Per una data pressione del vapore e una data durata di esercizio richiesta, la parete del tubo in PFA deve essere del 30-50% più spessa dell'equivalente in PTFE modificato e del 15-25% più spessa del PTFE vergine.
La parete più spessa aumenta il costo del materiale e riduce leggermente il trasferimento di calore. Queste penalità devono essere valutate rispetto ai vantaggi del PFA: lavorabilità-alla fusione che consente connessioni saldate, maggiore trasparenza e resistenza alla fatica da flessione leggermente migliore.
Per le applicazioni a 180 gradi in cui lo scambiatore di calore è installato in modo permanente e le connessioni meccaniche sono accettabili, il PTFE modificato offre il miglior equilibrio tra resistenza allo scorrimento viscoso, spessore della parete e costo. Il PFA è preferibile quando sono necessarie connessioni saldate per un servizio di purezza ultra-elevata-e la durata di scorrimento più breve viene gestita attraverso la progettazione o la sostituzione programmata.
Riepilogo
I tubi per scambiatori di calore in PTFE modificato forniscono una durata alla rottura per scorrimento viscoso 1,5-3 volte più lunga rispetto ai tubi in PFA a 180 gradi sotto uguale sollecitazione circolare, grazie al peso molecolare più elevato, alla maggiore cristallinità e all'effetto di ancoraggio dei rami laterali nei gradi modificati. Il PFA può raggiungere una durata di servizio equivalente grazie all'aumento dello spessore delle pareti per ridurre lo stress, a scapito di un costo del materiale più elevato e di un trasferimento di calore leggermente ridotto. Per la maggior parte delle applicazioni industriali a 180 gradi, il PTFE modificato è la scelta meccanicamente superiore.
Il supporto tecnico per la selezione del materiale PTFE o PFA a temperature e pressioni operative specifiche è disponibile previa presentazione della pressione del vapore, della durata di servizio richiesta, delle dimensioni del tubo e dei requisiti di purezza.
