הכימיה המשתנה עם הטמפרטורה והריכוז
מפעל כימי המשתמש בתמיסת נתרן היפוכלוריט לטיפול במים או הלבנה דורש מחליף חום כדי להעלות את טמפרטורת התמיסה מסביבה ל-50-70 מעלות. התמיסה היא בדרך כלל 10-15% נתרן היפוכלוריט עם pH של 11-13, מיוצב עם כמות קטנה של סודה קאוסטית.
בתנאים אלה, גם PTFE וגם PVDF תואמים מבחינה כימית לתמיסה. נראה כי בחירת החומרים מעדיפה PVDF מכיוון שיש לו מוליכות תרמית של 0.19 W/m·K, אשר דומה ל-PTFE, אך עלות הון נמוכה בהרבה. ל-PVDF יש גם חוזק מכני גבוה יותר וניתן להשתמש בו בלחצים גבוהים יותר.
ההשוואה משתנה כאשר הטמפרטורה עולה מעל 70 מעלות או הריכוז עולה מעל 15%. בתנאים אלה, נתרן היפוכלוריט מתפרק מהר יותר, ויוצר גז כלור וחומצה הידרוכלורית. תוצרי הפירוק תוקפים PVDF בצורה אגרסיבית יותר מ-PTFE. PVDF יכול להיות מותקף גם על ידי סודה קאוסטית המשמשת לייצוב ההיפוכלוריט, במיוחד בטמפרטורה גבוהה.
השוואת מוליכות תרמית
ל-PTFE ול-PVDF יש מוליכות תרמית דומות. ל-PTFE מוליכות של 0.25 W/m·K, ול-PVDF מוליכות של 0.19 W/m·K. ההבדל הוא קטן, והוא אינו משפיע באופן משמעותי על שטח הפנים הנדרש עבור עומס חום נתון.
מקדם העברת החום הכולל של שני החומרים נשלט על ידי התנגדויות הסרט הנוזל, לא על ידי התנגדות הקיר. בשירות נוזל-ל-נוזל, המקדם הכולל של מחליף חום PTFE הוא בדרך כלל 200-300 W/m²·K, והמקדם עבור מחליף חום PVDF הוא בדרך כלל 180-280 W/m²·K. ההפרש קטן מ-10%, וזה בגדר אי הוודאות של חישוב העברת החום.
לכן השוואת המוליכות התרמית אינה מעדיפה אף אחד מהחומרים בצורה משמעותית. הבחירה חייבת להתבסס על התאימות הכימית והתכונות המכניות.
ההבדל בתאימות כימית
גם PTFE וגם PVDF עמידים בפני נתרן היפוכלוריט בטמפרטורת הסביבה ובריכוז בינוני. ההבדל מופיע בטמפרטורה גבוהה ובריכוז גבוה.
PTFE עמיד בפני נתרן היפוכלוריט בריכוזים של עד 15% וטמפרטורות של עד 100 מעלות. החומר אינו מתכלה, וחיי השירות נקבעים על ידי גורמים מכניים ולא מתקפה כימית.
PVDF עמיד בפני נתרן היפוכלוריט בריכוזים של עד 10% וטמפרטורות של עד 60 מעלות. מעבר לגבולות אלה, ה-PVDF יכול להיות מותקף על ידי ההיפוכלוריט והסודה קאוסטית, במיוחד בתפרי הריתוך ובחיבורי הצינור-ל-הצינור. ההתקף מתבטא בשיקוף פני השטח, שינוי צבע ובסופו של דבר פיצוח.
הסודה קאוסטית המשמשת לייצוב ההיפוכלוריט היא דאגה מיוחדת עבור PVDF. PVDF עמיד בפני סודה קאוסטית בטמפרטורת הסביבה, אך בטמפרטורה מוגברת, הקאוסטיק יכול לתקוף את ה-PVDF ולגרום לפיצוח מתח. השילוב של היפוכלוריט וקוסטיקה אגרסיבי יותר מכל אחד מהכימיקלים לבדו.
ההבדל ביכולת הטמפרטורה
ל-PTFE יש טמפרטורת פעולה מקסימלית של 260 מעלות, בעוד של-PVDF יש טמפרטורת פעולה מקסימלית של 150 מעלות. עבור שירות נתרן היפוכלוריט, מגבלת הטמפרטורה המעשית נקבעת על ידי הפירוק הכימי, לא מגבלת החומר.
נתרן היפוכלוריט מתפרק בקצב שעולה עם הטמפרטורה. ב-60 מעלות, קצב הפירוק הוא כ-2% ליום. ב-70 מעלות, השיעור הוא כ-5% ליום. ב-80 מעלות, השיעור הוא כ-10% ליום. הפירוק יוצר גז כלור, שהוא מאכל לשני החומרים, ומפחית את ריכוז ההיפוכלוריט.
קצב הפירוק מגביל את טמפרטורת הפעולה המעשית עבור שני החומרים. בטמפרטורות מעל 70 מעלות, קצב הפירוק גבוה מספיק כדי שריכוז ההיפוכלוריט חייב להתחדש ברציפות, ולשחרר את גז הכלור. בחירת החומר חייבת לקחת בחשבון את גז הכלור ואת תוצרי הפירוק.
PTFE עמיד יותר לתוצרי הפירוק מאשר PVDF. גז הכלור וחומצת ההידרוכלורית הנוצרים מהפירוק תוקפים PVDF בצורה אגרסיבית יותר מ-PTFE, במיוחד בתפרי הריתוך.
השוואה בין שני החומרים בשירות נתרן היפוכלוריט
הטבלה הבאה מסכמת את מאפייני הביצועים והעלות של מחליפי חום PTFE ו-PVDF בשירות נתרן היפוכלוריט ב-60 מעלות עם 12% נתרן היפוכלוריט ו-1% סודה קאוסטית.
| מְאַפיֵן | מחליף חום PTFE | מחליף חום PVDF | יִתרוֹן |
|---|---|---|---|
| מוליכות תרמית | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| מקדם העברת חום כולל | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| טמפרטורת פעולה מקסימלית | 260 מעלות | 150 מעלות | PTFE |
| עמידות כימית להיפוכלוריט | מְעוּלֶה | טוֹב | PTFE |
| עמידות כימית לסודה קאוסטית | מְעוּלֶה | לְמַתֵן | PTFE |
| עמידות בפני גז כלור | מְעוּלֶה | לְמַתֵן | PTFE |
| שלמות תפר ריתוך | טוֹב | לְמַתֵן | PTFE |
| חוזק מכני | לְמַתֵן | גָבוֹהַ | PVDF |
| לחץ הפעלה מקסימלי | 0.5 MPa | 1.0 MPa | PVDF |
| חיי שירות בשירות היפוכלוריט | 10-15 שנים | 5-8 שנים | PTFE |
| עלות הונית למס 30 קילוואט | $26,000 | $18,000 | PVDF |
| עלות התקנה | $3,000 | $3,000 | לְהִשְׁתַווֹת |
| עלות תחזוקה שנתית | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| עלות כוללת של חמש- שנים | $45,500 | $50,500 | PTFE |
ערכי העלות הכוללת של חמש- השנים מניחים ערך ייצור של $500 לשעה וכוללים את עלות ההון, עלות ההתקנה ועלות התחזוקה לאורך חמש שנים.
כאשר PVDF היא הבחירה הטובה יותר
PVDF היא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-בטמפרטורה נמוכה.בטמפרטורות מתחת ל-40 מעלות, PVDF מתנגד לנתרן היפוכלוריט ללא קושי, ועלות ההון הנמוכה יותר מעדיפה PVDF.
שירות-בריכוז נמוך.בריכוזים מתחת ל-5%, PVDF עמיד בפני נתרן היפוכלוריט בטמפרטורות של עד 60 מעלות, ועלות ההון הנמוכה יותר מעדיפה PVDF.
שירות-בלחץ גבוה.ל-PVDF חוזק מכני גבוה יותר מ-PTFE והוא יכול לעמוד בלחצים גבוהים יותר. עבור שירות נתרן היפוכלוריט בלחצים מעל 5 בר, PVDF עשויה להיות האפשרות הקיימא היחידה.
שירות לא-מאכל.אם תמיסת הנתרן היפוכלוריט מיוצבת עם חיץ אחר התואם ל-PVDF, חיי השירות של ה-PVDF מתארכים. יש להעריך את הכימיה של המאגר לצורך תאימות עם PVDF.
כאשר PTFE הוא הבחירה הטובה יותר
PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-בטמפרטורה גבוהה.בטמפרטורות מעל 60 מעלות, PTFE מתנגד למוצרי הפירוק טוב יותר מ-PVDF, וחיי השירות ארוכים יותר.
שירות-בריכוז גבוה.בריכוזים מעל 10%, PTFE מתנגד להיפוכלוריט ולחומר המאכל טוב יותר מאשר PVDF.
שירות קוסטי-מיוצב.אם הנתרן היפוכלוריט מיוצב עם סודה קאוסטית, PTFE הוא הבחירה הטובה יותר מכיוון שהוא עמיד בפני קאוסטיקה בטמפרטורה גבוהה.
חשיפה לגזי כלור.אם הפירוק מייצר גז כלור, PTFE מתנגד לגז טוב יותר מ-PVDF.
דרישת חיי שירות ארוכים.אם מחליף החום צפוי להחזיק מעמד יותר מ-8 שנים, PTFE הוא הבחירה הטובה יותר מכיוון שהוא מתנגד להתקפה הכימית לאורך תקופה ארוכה יותר.
תכונות עיצוב שמאריכות את חיי השירות
מספר מאפייני עיצוב מאריכים את חיי השירות של מחליפי חום PTFE ו-PVDF כאחד בשירות נתרן היפוכלוריט.
טמפרטורת הפעלה נמוכה יותר.הפחתת טמפרטורת ההפעלה מ-70 מעלות ל-50 מעלות מפחיתה את קצב הפירוק ואת ההתקפה הכימית על חומר מחליף החום.
ריכוז נמוך יותר.הפחתת ריכוז הנתרן היפוכלוריט מ-15% ל-10% מפחיתה את ההתקפה הכימית ואת קצב הפירוק.
בחירת מאגר.בחירת חוצץ התואם לחומר מחליף החום מפחיתה את ההתקפה הכימית. סודה קאוסטית אגרסיבית ל-PVDF בטמפרטורה גבוהה, בעוד שחוצצים אחרים עשויים להיות תואמים יותר.
בקרת מהירות זרימה.שמירה על מהירות זרימה מתונה מפחיתה את עובי שכבת הגבול ואת ריכוז תוצרי הפירוק על פני הצינור.
במקום הוראות ניקוי-.חיבורים לאספקה והחזרת תמיסת ניקוי מאפשרים לנקות את מחליף החום ללא פירוק, מה שמפחית את זמן ההשבתה ואת אובדן הייצור.
ניטור טמפרטורה.חיישני טמפרטורה בכניסה וביציאה של מחליף החום מאפשרים ניטור של ביצועי העברת החום, מה שמאפשר זיהוי מוקדם של עכירות או השפלה.
פרמטרי מפרט עבור שירות נתרן היפוכלוריט
מהנדסי ציוד שמעריכים מחליפי חום PTFE ו-PVDF עבור שירות נתרן היפוכלוריט צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
ריכוז נתרן היפוכלוריט.ציין את הריכוז המרבי ואת הטווח הצפוי.
טמפרטורת הפעלה.ציין את טמפרטורת הפעולה המקסימלית ואת פרופיל הטמפרטורה הצפויה.
כימיה של חוצץ.ציין את המאגר המשמש לייצוב ההיפוכלוריט, כולל הריכוז וה-pH.
לחץ הפעלה.ציין את לחץ הפעולה המקסימלי.
עומס חום ושטח פנים.ציין את עומס החום ואת שטח הפנים הנדרש עבור כל אפשרות חומר.
קצב פירוק.ציין את קצב הפירוק הצפוי ואת קצב ייצור גז הכלור.
יכולת תחזוקה.ציין את יכולת התחזוקה של המתקן, כולל היכולת לתקן את מחליף החום במקום.
דרישת חיי שירות.ציין את חיי השירות הצפוי ואת לוח הזמנים להחלפה.
התאמת בחירת החומר לתנאי השירות של היפוכלוריט
הבחירה בין מחליפי חום PTFE ו-PVDF בשירות נתרן היפוכלוריט תלויה בטמפרטורה, בריכוז, בכימיה המאגר ובדרישת חיי השירות. ל-PVDF עלות הון נמוכה יותר וחוזק מכני גבוה יותר, אך הוא רגיש יותר להתקפה כימית בטמפרטורה גבוהה ובריכוז גבוה. ל-PTFE יש עלות הון גבוהה יותר אך חיי שירות ארוכים יותר בשירות היפוכלוריט אגרסיבי.
החלטת הבחירה צריכה להתבסס על ניתוח- ספציפי למתקן המשלב את עלות ההון, עלות התחזוקה והחשיפה לאובדן ייצור. מודל גיליון אלקטרוני פשוט עם רכיבי עלות אלו מספק את המידע הדרוש לקבלת ההחלטה.
עבור מתקני שירות נתרן היפוכלוריט המעריכים אפשרויות מחליף חום, בחירת החומר צריכה להתבסס על העלות הכוללת של הבעלות לאורך חיי השירות הצפוי, ולא רק על עלות ההון. ליחידת PVDF עם עלות הון נמוכה יותר עשויה להיות עלות חיים גבוהה יותר אם היא דורשת החלפה תכופה יותר.
מהנדסי ציוד ומומחי רכש המעריכים מפרטי מחליפי חום של PTFE עבור נתרן היפוכלוריט או שירות כימי מחמצן אחר יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה ריכוז היפוכלוריט, טמפרטורת הפעלה, כימיה של חיץ, לחץ תפעול ודרישות חיי שירות כדי לוודא שבחירת החומר מותאמת לתנאי השירות בפועל ולמבנה העלויות של המתקן.
