טיפול בגז כלור רטוב או ברום נוזלי הוא ידוע לשמצה קשה-הלוגנים אלה תוקפים מתכות רבות ואף עלולים לחדור או להלחיץ-לפצוע חלק מהפלואורופולימרים. PVDF (פוליווינילידן פלואוריד) הופיע כחומר מועדף עבור מחליפי חום בשירותים אגרסיביים אלה בשל השילוב הייחודי שלו בין עמידות וחוזק. עבור מהנדסי תהליכים המתכננים יחידות לשחזור ברום, מערכות ייבוש כלור או מיכלי מגע לחיטוי, מחליפי חום PVDF מציעים איזון משכנע של תאימות כימית וחוסן מכאני, שלעתים קרובות עולה על פתרונות מבוססי PTFE- מסורתיים.
עמידות כימית של PVDF בסביבות הלוגן
PVDF הוא פלואורפולימר חצי גבישי- המכיל קבוצות CH₂ ו-CF₂ מתחלפות. מבנה זה מספק עמידות מצוינת לחומרי חמצון, לרבות כלור רטוב, דו תחמוצת כלור, היפוכלוריטים וברום נוזלי. בניגוד לכמה פלואורפולימרים אחרים, PVDF אינו מציג חדירות או פיצוח מתח משמעותי כאשר הוא נחשף להלוגנים אלה בתנאי הפעלה אופייניים.
ניסיון בשטח מוכיח ש-PTFE עלול לסבול מחדירת-כלור רטוב לטווח ארוך. מולקולות כלור מתפזרות באיטיות דרך מטריצת ה-PTFE, ועלולה לגרום לשלפוחיות או דה למינציה בצינורות מחליף חום. המבנה הגבישי הצפוף יותר של PVDF והנפח הפנוי הנמוך יותר מפחיתים את שיעורי חדירת ההלוגן בסדר גודל או יותר. כתוצאה מכך,שירות מחליף חום PVDF כלור ברוםיישומים גדלו בהתמדה בצמחי כלור-אלקלי, מתקני מיצוי ברום ומערכות לטיפול במים.
גבולות טמפרטורת שירות וריכוז מקסימליים
PVDF שומר על עמידות ההלוגן שלו עד לטמפרטורת שירות רציפה מקסימלית של כ-135 מעלות (275 מעלות F). בטווח זה, PVDF עמיד בפני גז כלור רטוב (רווי אדי מים) וברום נוזלי ללא פירוק. בטמפרטורות מעל 135 מעלות, PTFE נשאר יציב (עד 260 מעלות), אך עבור רוב תהליכי הכלור והברום-שפועלים מתחת ל-120 מעלות -PVDF מתאים לחלוטין.
גבולות הריכוז רחבים. PVDF עמיד בפני כלור רטוב מרמות עקבות של עד 100% שלב גז, בתנאי שיש לחות (גז כלור יבש יכול להגיב עם PVDF בטמפרטורות גבוהות). עבור ברום, PVDF מטפל בברום נוזלי, מי ברום ואדי ברום בתוך מגבלת הטמפרטורה.
יתרונות חוזק מכני על פני PTFE
יתרון מרכזי הוא התכונות המכניות המעולות של PVDF בהשוואה ל-PTFE. הטבלה הבאה מסכמת את ההשוואה:
| נֶכֶס | PTFE | PVDF |
|---|---|---|
| חוזק מתיחה (MPa) | 20–30 | 40–55 |
| מודול כיפוף (MPa) | 500–700 | 2000–2500 |
| התארכות בהפסקה (%) | 250–400 | 20–50 |
| קשיות (Shore D) | 50–60 | 70–80 |
| עמידות בפני שחיקה | נָמוּך | בינוני עד גבוה |
PVDF חזק ונוקשה יותר באופן משמעותי. זה מאפשר עיצובים של מחליפי חום עם קירות צינור דקים יותר-בדרך כלל 0.5-1.0 מ"מ עבור PVDF לעומת 1.0-2.0 מ"מ עבור PTFE. קירות דקים יותר מתורגמים להתנגדות תרמית נמוכה יותר ומקדמי העברת חום משופרים. מחליף חום של מעטפת PVDF-ו-צינור יכול להשיג מקדמי העברת חום הכוללים גבוהים ב-15-25% מיחידת PTFE מקבילה, בהנחה של אותה גיאומטריה.
חוזק מכני גבוה יותר מאפשר גם דירוג לחץ גבוה יותר. מחליפי חום PTFE מוגבלים בדרך כלל ל-3-5 בר (45-75 psi) עקב זחילה וזרימה קרה. מחליפי חום PVDF מטפלים באופן שגרתי ב-8–10 בר (115–145 psi), ועם קליפות מחוזקות, עד 15 בר. זה הופך את PVDF למתאים ליישומים שבהם לחצי הקו מתונים אך עולים על היכולות של PTFE.
עמידות בפני שחיקה היא עוד הבחנה. בשירותים שבהם מחליף החום רואה מוצקים מרחפים, גבישים (לדוגמה, מלח בתמיסת כלור-אלקלית), או זרימה סוערת עם חלקיקים נלקחים, צינורות PTFE נשחקים מהר יחסית. הקשיות וההתנגדות הגבוהה יותר של PVDF מאריכים את חיי הצינור באופן משמעותי.
יישומים מעשיים בעיבוד הלוגן
מערכות ייבוש כלור
בייצור כלור, כלור רטוב מתאי אלקטרוליזה עובר דרך מגדל ייבוש (בדרך כלל חומצה גופרתית מרוכזת). תהליך הייבוש הוא אקסותרמי, הדורש קירור. מחליפי חום PVDF נמצאים בשימוש נרחב כמקררי כלור לפני או אחרי הייבוש. הם מתנגדים גם לכלור רטוב (במעלה הזרם של הייבוש) וגם לכלור יבש עם עקבות לחות (בהמשך), בעוד שמתכות ייאכלו במהירות.
שחזור ברום ממלח
הפקת ברום ממי ים או ממלחות אגם מלח כרוכה בחמצון של ברומיד לברום באמצעות גז כלור, ולאחר מכן הפשטת קיטור. אדי הברום שנוצרו מתעבים ומטוהרים. מחליפי חום PVDF משמשים כמעבים ומקררי מוצרים בשירות זה. דוחות שטח מצביעים על חיי שירות העולה על 10 שנים ביחידות לשחזור ברום, בעוד שמחליפי חום PTFE באותו מיקום הראו כשלים הקשורים לחדור- לאחר 3-5 שנים.
אקונומיקה והיפוכלוריט קירור
נתרן היפוכלוריט (אקונומיקה) מתפרק בטמפרטורות גבוהות, משחרר חמצן וחום. מחליפי חום PVDF מקררים את תמיסת ההיפוכלוריט במהלך הייצור כדי לשמור על יציבות. PTFE גם מתאים, אבל החוזק הגבוה יותר של PVDF מאפשר עיצובים קומפקטיים יותר-חסכוניים יותר.
מגבלות וגבולות תאימות
PVDF אינו תחליף אוניברסלי ל-PTFE. הוא מותקף על ידי ממיסים קוטביים חזקים, כולל:
קטונים (אצטון, מתיל אתיל קטון)
אסטרים (אתיל אצטט, בוטיל אצטט)
כמה אתרים (טטרה-הידרופורן)
חומצה גופרתית מבעבעת (מעל 100% H₂SO₄)
Concentrated hot caustic (above 80 °C and >20% NaOH)
בסביבות אלה, PTFE נשאר החומר המועדף. בנוסף, לא ניתן להשתמש ב-PVDF עם גז כלור יבש בטמפרטורות גבוהות (מעל 135 מעלות) או עם כלור טריפלואוריד. עבור שירותים העולים על 135 מעלות או הדורשים עמידות כימית אוניברסלית, מחליפי חום PTFE נשארים הסטנדרט.
טבלת תאימות: PTFE לעומת PVDF בהלוגן וכימיקלים קשורים
הטבלה הבאה מספקת מדריך תאימות כללי לחומרי מחליף חום. דירוגים: E=מצוין, G=טוב (התקפה קלה), F=הוגן (שירות מוגבל), X=לא מומלץ.
| כִּימִי | ריכוז | טֶמפֶּרָטוּרָה | PTFE | PVDF |
|---|---|---|---|---|
| כלור, רטוב (גז) | רָווּי | עד 100 מעלות | E | E |
| כלור, רטוב (גז) | רָווּי | 100-135 מעלות | E | G |
| כלור, יבש | 100% גז | עד 100 מעלות | E | F¹ |
| ברום, נוזל | 100% | עד 100 מעלות | E | E |
| ברום, נוזל | 100% | 100-135 מעלות | E | G |
| מי ברום | רָווּי | עד 100 מעלות | E | E |
| כלור דו חמצני | מֵימִי | עד 80 מעלות | E | E |
| נתרן היפוכלוריט | 15% | עד 50 מעלות | E | E |
| חומצה הידרוכלורית | 37% | עד 100 מעלות | E | E |
| חומצה גופרתית, מעשנת | >100% | 25 מעלות | E | X |
| אֲצֵטוֹן | 100% | 25 מעלות | E | X |
| אתיל אצטט | 100% | 25 מעלות | E | X |
| נתרן הידרוקסיד | 50% | 80 מעלות | E | F² |
¹ כלור יבש בטמפרטורות של מעל 100 מעלות עלול לגרום לפירוק PVDF. השתמש ב-PTFE במקום זאת.
² PVDF מקובל לסירוגין או ריכוז-נמוך אך לא עבור שירות-טמפרטורות גבוהות וריכוז גבוה- מתמשך.
שיקולי עיצוב עבור מחליפי חום PVDF
כאשר מציינים אשירות מחליף חום PVDF כלור ברוםיישום, מספר גורמים דורשים תשומת לב:
עובי דופן הצינור:למרות החוזק של PVDF, מומלץ עובי מינימלי של 0.8 מ"מ לשירות הלוגן כדי לספק מרווח בטיחות מפני חדירה ונזק מכני.
אטמים ואטמים:השתמש באטמי PTFE או perfluoroelastomer (FFKM). אטמי PVDF נוטים לזחול. EPDM ו-FKM אינם תואמים להלוגנים.
ירידת לחץ:צינורות דקים יותר מאפשרים מהירויות זרימה גבוהות יותר, אבל שחיקה-קורוזיה אינה מדאיגה עם PVDF. מהירויות של עד 3 מ' לשנייה מקובלות בצד הצינור.
התפשטות תרמית:ל-PVDF יש מקדם התפשטות תרמית בערך פי 8 מזה של פלדת פחמן. עיצובים של מחליפי חום חייבים להתאים להתרחבות דיפרנציאלית באמצעות לולאות הרחבה, מפוח או יריעות צינור צף.
השוואה לחלופות פלואורופולימר אחרות
ETFE (אתילן טטרפלואורואתילן) ו-ECTFE (אתילן כלורוטריפלואורואתילן) משמשים גם בשירות הלוגן. שניהם מציעים חוזק מכני בין PTFE ל-PVDF, עם עמידות כימית מעט מתחת ל-PTFE אך מעל PVDF עבור כמה ממסים. עם זאת, PVDF הוא בדרך כלל חסכוני יותר- וזמין יותר בצורות מחליפי חום (מעטפת-ו-צינור, סליל, טבילה). עבור ברום וכלור רטוב במיוחד, הרקורד הארוך של PVDF נותן לו יתרון.
מַסְקָנָה
מחליפי חום PVDF ממלאים נישה קריטית בשירות הלוגן, כאשר העמידות הספציפית שלהם לכלור רטוב וברום נוזלי, בשילוב עם חוזק מכני מעולה, עולה על PTFE. דפנות צינורות דקות יותר, דירוגי לחץ גבוהים יותר, עמידות טובה יותר בפני שחיקה ושיעורי חדירות נמוכים הופכים את PVDF לבחירה-יעילה ואמינה במחיר עבור תהליכי כלור-אלקלי, שחזור ברום וחיטוי הפועלים מתחת ל-135 מעלות. עם זאת, בחירת חומר דורשת הבנה מפורטת של כימיה התהליך-כולל נוכחותם של ממיסים קוטביים, חומצות מבעבעות או כלור יבש-בטמפרטורה גבוהה-כאשר PTFE נשאר הכרחי. עבור רוב חובות העברת החום של כלור וברום, PVDF מציע איזון משכנע בין ביצועים ועמידות.
