La differenza molecolare che determina il divario di resistenza
La differenza tra PTFE e PVDF sta nei legami carbonio-idrogeno. Il PVDF è un copolimero del fluoruro di vinilidene e la sua struttura molecolare contiene legami carbonio-idrogeno che non sono presenti nel PTFE. Il legame carbonio-idrogeno è più debole del legame carbonio-fluoro ed è il sito in cui inizia l'attacco ossidativo.
Il PTFE ha uno scheletro di carbonio completamente fluorurato senza legami carbonio-idrogeno. Il legame carbonio-fluoro è uno dei più forti della chimica organica, con un'energia di legame di circa 485 kJ/mol. Gli acidi ossidanti non hanno energia sufficiente per rompere questo legame a temperature inferiori a 260 gradi.
Il PVDF ha legami carbonio-idrogeno con un'energia di legame di circa 413 kJ/mol. La differenza è di circa il 15%, ma l'effetto pratico sulla resistenza all'ossidazione è molto maggiore. L'attacco ossidativo sul PVDF inizia a livello del legame carbonio-idrogeno e la degradazione si propaga lungo la catena polimerica. La velocità di ossidazione aumenta con la temperatura e con la concentrazione dell'acido ossidante.
Il confronto della resistenza agli acidi ossidanti
La resistenza del PTFE e del PVDF agli acidi ossidanti dipende dall'acido specifico, dalla concentrazione e dalla temperatura.
Acido nitrico.Il PTFE resiste all'acido nitrico a concentrazioni fino al 70% e a temperature fino a 200 gradi. Il PVDF resiste all'acido nitrico a concentrazioni fino al 50% e temperature fino a 100 gradi. Al di sopra di questi limiti il PVDF viene attaccato e il materiale si degrada.
Acido cromico.Il PTFE resiste all'acido cromico a concentrazioni fino al 50% e temperature fino a 150 gradi. Il PVDF resiste all'acido cromico a concentrazioni fino al 30% e temperature fino a 80 gradi. Al di sopra di questi limiti il PVDF viene attaccato e il materiale scolorisce e si infragilisce.
Acido perclorico.Il PTFE resiste all'acido perclorico a concentrazioni fino al 70% e temperature fino a 150 gradi. Il PVDF resiste all'acido perclorico a concentrazioni fino al 30% e temperature fino a 60 gradi. L'acido perclorico è particolarmente aggressivo nei confronti del PVDF a causa del suo forte potenziale ossidante.
Perossido di idrogeno.Il PTFE resiste al perossido di idrogeno a concentrazioni fino al 50% e temperature fino a 100 gradi. Il PVDF resiste al perossido di idrogeno a concentrazioni fino al 30% e temperature fino a 60 gradi. La decomposizione del perossido di idrogeno genera radicali dell'ossigeno che attaccano il PVDF.
Il confronto della conduttività termica
PTFE e PVDF hanno conduttività termica simile. Il PTFE ha una conduttività di 0,25 W/m·K, mentre il PVDF ha una conduttività di 0,19 W/m·K. La differenza è piccola e non influisce in modo significativo 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 da liquido-a-liquido, il coefficiente complessivo per uno scambiatore di calore in PTFE è tipicamente 200–300 W/m²·K, mentre il coefficiente per uno scambiatore di calore PVDF è tipicamente 180–280 W/m²·K. La differenza è inferiore al 10%, che rientra nell'incertezza del calcolo del trasferimento di calore.
Il confronto della conduttività termica quindi non favorisce nessuno dei due materiali in modo significativo. La scelta deve basarsi sulla compatibilità chimica e sulle proprietà meccaniche.
Confronto tra i due materiali nel servizio acido ossidante
La tabella seguente riassume le caratteristiche prestazionali e di costo degli scambiatori di calore in PTFE e PVDF in servizio acido ossidante a 60 gradi con acido nitrico al 30%.
| Caratteristica | Scambiatore di calore in PTFE | Scambiatore di calore in PVDF | Vantaggio |
|---|---|---|---|
| Conduttività termica | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| Coefficiente complessivo di scambio termico | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| Temperatura massima di esercizio | 260 gradi | 150 gradi | PTFE |
| Limite di resistenza all'acido nitrico | 70% a 200 gradi | 50% a 100 gradi | PTFE |
| Limite di resistenza all'acido cromico | 50% a 150 gradi | 30% a 80 gradi | PTFE |
| Limite di resistenza all'acido perclorico | 70% a 150 gradi | 30% a 60 gradi | PTFE |
| Limite di resistenza al perossido di idrogeno | 50% a 100 gradi | 30% a 60 gradi | PTFE |
| Resistenza meccanica | Moderare | Alto | PVDF |
| Pressione massima di esercizio | 0,5MPa | 1,0 MPa | PVDF |
| Vita utile in servizio con acido ossidante | 12-18 anni | 5–8 anni | PTFE |
| Costo capitale per servizio 30 kW | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| Costo di installazione | $3,000 | $3,000 | Pari |
| Costo di manutenzione annuale | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| Costo totale di cinque-anni | $47,500 | $53,000 | PTFE |
I valori del costo totale di cinque- anni presuppongono un valore di produzione di $ 500 l'ora e includono il costo di capitale, il costo di installazione e il costo di manutenzione nell'arco di cinque anni.
Quando il PVDF è la scelta migliore
Il PVDF è la scelta migliore in diverse applicazioni specifiche.
Servizio a bassa-temperatura.A temperature inferiori a 40 gradi, il PVDF resiste senza difficoltà alla maggior parte degli acidi ossidanti e il costo di capitale inferiore favorisce il PVDF.
Servizio a bassa-concentrazione.A concentrazioni inferiori al 20%, il PVDF resiste alla maggior parte degli acidi ossidanti a temperature fino a 60 gradi e il costo di capitale inferiore favorisce il PVDF.
Servizio ad alta-pressione.Il PVDF ha una resistenza meccanica maggiore del PTFE e può resistere a pressioni più elevate. Per il servizio con acido ossidante a pressioni superiori a 5 bar, il PVDF può essere l'unica opzione praticabile.
Servizio non-critico.Quando lo scambiatore di calore non è fondamentale per il processo e il costo di sostituzione è accettabile, il PVDF fornisce prestazioni adeguate a un costo inferiore.
Requisiti di breve durata.Quando si prevede che lo scambiatore di calore abbia una durata operativa pari o inferiore a 5 anni, il PVDF è adeguato e meno costoso.
Quando il PTFE è la scelta migliore
Il PTFE è la scelta migliore in diverse applicazioni specifiche.
Servizio ad alta-temperatura.A temperature superiori a 60 gradi, il PTFE resiste agli acidi ossidanti meglio del PVDF e la durata è più lunga.
Servizio ad alta-concentrazione.A concentrazioni superiori al 30%, il PTFE resiste agli acidi ossidanti meglio del PVDF.
Servizio acido perclorico.Il PTFE è l'unico fluoropolimero utilizzabile per il servizio con acido perclorico perché il PVDF viene attaccato a bassa concentrazione e temperatura.
Requisito di lunga durata.Quando si prevede che lo scambiatore di calore abbia una durata operativa di 10 anni o più, il PTFE è la scelta migliore perché resiste all'attacco chimico per un periodo più lungo.
Servizio critico.Quando lo scambiatore di calore è fondamentale per il processo e i costi di fermo macchina sono elevati, il PTFE è la scelta migliore perché ha una probabilità di guasto inferiore.
Caratteristiche di progettazione che prolungano la durata
Numerose caratteristiche di progettazione prolungano la durata degli scambiatori di calore in PTFE e PVDF in servizio con acido ossidante.
Temperatura operativa inferiore.La riduzione della temperatura operativa riduce il tasso di ossidazione e prolunga la durata di entrambi i materiali.
Concentrazione inferiore.La riduzione della concentrazione di acido riduce il tasso di ossidazione e prolunga la durata.
Controllo della velocità del flusso.Il mantenimento di una velocità di flusso moderata riduce lo spessore dello strato limite e la concentrazione di specie ossidanti sulla superficie del tubo.
-disposizioni di pulizia in atto.I collegamenti per l'alimentazione e il ritorno della soluzione detergente consentono di pulire lo scambiatore di calore senza smontarlo, riducendo i tempi di fermo e la perdita di produzione.
Monitoraggio della temperatura.I sensori di temperatura all'ingresso e all'uscita dello scambiatore di calore consentono di monitorare le prestazioni di trasferimento del calore, consentendo il rilevamento tempestivo di incrostazioni o degrado.
Parametri di specifica per il servizio con acido ossidante
I tecnici delle apparecchiature che valutano gli scambiatori di calore in PTFE e PVDF per il servizio con acido ossidante devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Chimica degli acidi.Specificare la composizione acida, inclusa la concentrazione e i contaminanti.
Temperatura operativa.Specificare la temperatura operativa massima e il profilo di temperatura previsto.
Pressione di esercizio.Specificare la pressione operativa massima.
Carico termico e area superficiale.Specificare il carico termico e la superficie richiesta per ciascuna opzione di materiale.
Compatibilità chimica.Confermare che il materiale sia compatibile con l'acido specifico alla temperatura e concentrazione operative.
Requisito di durata utile.Specificare la durata prevista e il programma di sostituzione.
Capacità di manutenzione.Specificare la capacità di manutenzione dell'impianto, inclusa la capacità di riparare lo scambiatore di calore in loco.
Valore della produzione e costo dei tempi di inattività.Fornire il valore della produzione e il costo dei tempi di inattività in modo che l'analisi del costo totale di proprietà possa essere adattata alla struttura.
Abbinamento della selezione del materiale alle condizioni di servizio dell'acido ossidante
La scelta tra scambiatori di calore in PTFE e PVDF nel servizio acido ossidante dipende dalla chimica dell'acido, dalla temperatura, dalla concentrazione e dai requisiti di durata utile. Il PVDF ha un costo di capitale inferiore e una maggiore resistenza meccanica, ma è più suscettibile all'attacco ossidativo a temperature elevate e ad alta concentrazione. Il PTFE ha un costo di capitale più elevato ma una durata di servizio più lunga in servizio acido ossidante aggressivo.
La decisione di selezione dovrebbe basarsi su un'analisi specifica della struttura- che incorpori il costo di capitale, 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 servizio dell'acido ossidante 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 PVDF 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 l'acido ossidante o altri servizi corrosivi possono richiedere una revisione del progetto che comprenda la chimica degli acidi, la temperatura operativa, la pressione operativa, la compatibilità chimica 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.
