ההבדל המולקולרי שמניע את פער ההתנגדות
ההבדל בין PTFE ל-PVDF הוא בקשרי הפחמן-מימן. PVDF הוא קופולימר של וינילידן פלואוריד, והמבנה המולקולרי שלו מכיל קשרי מימן פחמן- שאינם קיימים ב-PTFE. קשר הפחמן-מימן חלש יותר מקשר הפחמן-פלואור, וזהו האתר שבו מתחילה התקפת החמצון.
ל-PTFE יש עמוד שדרה מלא של פחמן עם פלואור ללא קשרי מימן-. קשר הפחמן -פלואור הוא אחד החזקים בכימיה אורגנית, עם אנרגיית קשר של כ-485 קילו-ג'ל/מול. לחומצות מחמצנות אין מספיק אנרגיה כדי לשבור את הקשר הזה בטמפרטורות מתחת ל-260 מעלות.
ל-PVDF יש קשרי פחמן-מימן עם אנרגיית קשר של כ-413 קילו-ג'ל/מול. ההבדל הוא בערך 15%, אבל ההשפעה המעשית על עמידות החמצון היא הרבה יותר גדולה. התקפת החמצון על PVDF מתחילה בקשר המימן הפחמן-, והפירוק מתפשט לאורך שרשרת הפולימר. קצב החמצון עולה עם הטמפרטורה ועם ריכוז החומצה המחמצנת.
השוואת התנגדות לחומצה מחמצנת
העמידות של PTFE ו-PVDF לחומצות מחמצנות תלויה בחומצה הספציפית, בריכוז ובטמפרטורה.
חומצה חנקתית.PTFE עמיד לחומצה חנקתית בריכוזים של עד 70% וטמפרטורות של עד 200 מעלות. PVDF עמיד לחומצה חנקתית בריכוזים של עד 50% וטמפרטורות של עד 100 מעלות. מעל גבולות אלה, ה-PVDF מותקף, והחומר מתכלה.
חומצה כרומית.PTFE עמיד לחומצה כרומית בריכוזים של עד 50% וטמפרטורות של עד 150 מעלות. PVDF עמיד לחומצה כרומית בריכוזים של עד 30% וטמפרטורות של עד 80 מעלות. מעל גבולות אלה, ה-PVDF מותקף, והחומר משתנה ומתפורר.
חומצה פרכלורית.PTFE עמיד לחומצה פרכלורית בריכוזים של עד 70% וטמפרטורות של עד 150 מעלות. PVDF עמיד לחומצה פרכלורית בריכוזים של עד 30% וטמפרטורות של עד 60 מעלות. חומצה פרכלורית אגרסיבית במיוחד ל-PVDF בגלל פוטנציאל החמצון החזק שלה.
מי חמצן.PTFE עמיד בפני מי חמצן בריכוזים של עד 50% וטמפרטורות של עד 100 מעלות. PVDF עמיד בפני מי חמצן בריכוזים של עד 30% וטמפרטורות של עד 60 מעלות. פירוק מי חמצן יוצר רדיקלי חמצן התוקפים את ה-PVDF.
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.
השוואה בין שני החומרים בשירות חומצות חמצון
הטבלה הבאה מסכמת את מאפייני הביצועים והעלות של מחליפי חום PTFE ו-PVDF בשירות חומצה מחמצנת ב-60 מעלות עם 30% חומצה חנקתית.
| 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 |
| גבול עמידות לחומצה חנקתית | 70% ב-200 מעלות | 50% ב-100 מעלות | PTFE |
| גבול עמידות לחומצה כרומית | 50% ב-150 מעלות | 30% ב-80 מעלות | PTFE |
| גבול עמידות לחומצה פרכלורית | 70% ב-150 מעלות | 30% ב-60 מעלות | PTFE |
| גבול עמידות למי חמצן | 50% ב-100 מעלות | 30% ב-60 מעלות | PTFE |
| חוזק מכני | לְמַתֵן | גָבוֹהַ | PVDF |
| לחץ הפעלה מקסימלי | 0.5 MPa | 1.0 MPa | PVDF |
| חיי שירות בשירות חומצה מחמצנת | 12-18 שנים | 5-8 שנים | PTFE |
| עלות הונית למס 30 קילוואט | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| עלות התקנה | $3,000 | $3,000 | לְהִשְׁתַווֹת |
| עלות תחזוקה שנתית | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| עלות כוללת של חמש- שנים | $47,500 | $53,000 | 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 לרוב החומצות המחמצנות ללא קושי, ועלות ההון הנמוכה יותר מעדיפה PVDF.
שירות-בריכוז נמוך.בריכוזים מתחת ל-20%, PVDF מתנגד לרוב החומצות המחמצנות 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 חמצון חומצה בלחצים מעל 5 בר, PVDF עשויה להיות האפשרות הקיימא היחידה.
שירות לא-קריטי.כאשר מחליף החום אינו קריטי לתהליך ועלות ההחלפה מקובלת, PVDF מספק ביצועים נאותים בעלות נמוכה יותר.
דרישת חיי שירות קצרים.כאשר מחליף החום צפוי להיות בעל חיי שירות של 5 שנים או פחות, PVDF מתאים ופחות יקר.
כאשר PTFE הוא הבחירה הטובה יותר
PTFE הוא הבחירה הטובה ביותר במספר יישומים ספציפיים.
שירות-בטמפרטורה גבוהה.בטמפרטורות מעל 60 מעלות, PTFE מתנגד לחומצות מחמצנות טוב יותר מ-PVDF, וחיי השירות ארוכים יותר.
שירות-בריכוז גבוה.בריכוזים מעל 30%, PTFE מתנגד לחומצות מחמצנות טוב יותר מ-PVDF.
שירות חומצה פרכלורית.PTFE הוא הפלואורו-פולימר הקיים היחיד לשירות חומצה פרכלורית מכיוון ש-PVDF מותקף בריכוז ובטמפרטורה נמוכים.
דרישת חיי שירות ארוכים.כאשר מחליף החום צפוי להיות בעל חיי שירות של 10 שנים או יותר, PTFE הוא הבחירה הטובה יותר מכיוון שהוא מתנגד להתקפה הכימית לאורך תקופה ארוכה יותר.
שירות קריטי.כאשר מחליף החום הוא קריטי לתהליך ועלות זמן ההשבתה גבוהה, PTFE הוא הבחירה הטובה יותר מכיוון שיש לו סבירות נמוכה יותר לכשל.
תכונות עיצוב שמאריכות את חיי השירות
מספר מאפייני עיצוב מאריכים את חיי השירות של מחליפי חום PTFE ו-PVDF גם יחד בשירות חומצה מחמצנת.
טמפרטורת עבודה נמוכה יותר.הפחתת טמפרטורת הפעולה מפחיתה את קצב החמצון ומאריכה את חיי השירות של שני החומרים.
ריכוז נמוך יותר.הפחתת ריכוז החומצה מפחיתה את קצב החמצון ומאריכה את חיי השירות.
בקרת מהירות זרימה.שמירה על מהירות זרימה מתונה מפחיתה את עובי שכבת הגבול ואת ריכוז המינים המחמצנים 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 חומצה מחמצנת
מהנדסי ציוד המעריכים מחליפי חום PTFE ו-PVDF עבור שירות חומצה מחמצנת צריכים לאשר את הפרמטרים הבאים עם הספק.
כימיה של חומצה.ציין את הרכב החומצה, כולל הריכוז והמזהמים.
טמפרטורת הפעלה.ציין את טמפרטורת הפעולה המקסימלית ואת פרופיל הטמפרטורה הצפויה.
לחץ הפעלה.ציין את לחץ הפעולה המקסימלי.
עומס חום ושטח פנים.ציין את עומס החום ואת שטח הפנים הנדרש עבור כל אפשרות חומר.
תאימות כימית.ודא שהחומר תואם את החומצה הספציפית בטמפרטורת ההפעלה ובריכוז.
דרישת חיי שירות.ציין את חיי השירות הצפויים ואת לוח הזמנים להחלפה.
יכולת תחזוקה.ציין את יכולת התחזוקה של המתקן, כולל היכולת לתקן את מחליף החום במקום.
ערך ייצור ועלות זמן השבתה.ספק את ערך הייצור ואת עלות זמן ההשבתה כך שניתן להתאים את ניתוח העלות הכוללת של הבעלות למתקן.
התאמת בחירת החומר לתנאי השירות של חומצה מחמצנת
הבחירה בין מחליפי חום PTFE ו-PVDF בשירות חומצה מחמצנת תלויה בכימיה החומצה, בטמפרטורה, בריכוז ובדרישת חיי השירות. ל-PVDF יש עלות הון נמוכה יותר וחוזק מכני גבוה יותר, אך הוא רגיש יותר להתקפת חמצון בטמפרטורה גבוהה ובריכוז גבוה. ל-PTFE יש עלות הון גבוהה יותר אך חיי שירות ארוכים יותר בשירות חומצה מחמצנת אגרסיבית.
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 מחמצן חומצה להעריך אפשרויות מחליפי 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 חומצה מחמצנת או שירות קורוזיבי אחר יכולים לבקש סקירת תכנון המכסה כימיה חומצה, טמפרטורת הפעלה, לחץ הפעלה, תאימות כימית ודרישות חיי שירות כדי לוודא שבחירת החומר מותאמת לתנאי השירות בפועל ולמבנה העלויות של המתקן.
