Dva materiala, ki sta na papirju videti zamenljiva
Obrat za kemično predelavo določa izmenjevalnik toplote za žveplovo kislino pri 150 stopinjah. Dokumentacija o javnem naročilu navaja material cevi kot "PTFE ali enakovreden", dimenzije cevi pa kot 6 mm OD s steno 0,8 mm. Prejeti sta dve ponudbi: ena s PTFE cevmi in ena s PFA cevmi. Kotacija PFA je višja za 15 %, dobavni rok pa štiri tedne daljši.
Izbira je narejena na podlagi nižje cene in naročena je enota PTFE. Enota je nameščena in deluje približno 14 mesecev, preden pride do puščanja na spoju cevi-in-cevne pločevine. Pregled razkrije, da je PTFE na spoju polzel in zvar je počil. Enota PFA, če bi bila izbrana, bi imela zvarni spoj z večjo odpornostjo proti lezenju pri delovni temperaturi.
Odločitev o izbiri, ki se je zdela preprosta primerjava cen, je bila pravzaprav odločitev o najvišji delovni temperaturi in skupni celovitosti obeh materialov.
Razlika v kemijski strukturi
PTFE in PFA sta oba perfluorirana polimera, kar pomeni, da je ogljikovo ogrodje popolnoma zaščiteno z atomi fluora. Razlika je v stranskih verigah. PTFE ima linearno strukturo brez stranskih verig. PFA ima linearno strukturo s perfluoroalkoksi stranskimi verigami, ki so pritrjene na hrbtenico.
Stranske verige v PFA porušijo kristaliničnost polimera in zmanjšajo viskoznost taline. Nižja viskoznost taline omogoča obdelavo PFA z ekstruzijo taline in brizganjem, ki proizvaja cevi in komponente z bolj gladkimi površinami in zanesljivejšimi zvarjenimi spoji kot PTFE.
Linearna struktura PTFE proizvaja višjo kristaliničnost, kar daje PTFE višjo natezno trdnost, boljšo odpornost proti lezenju in višjo stalno delovno temperaturo kot PFA.
Največja delovna temperaturna razlika
Najvišja stalna delovna temperatura za PTFE je 260 stopinj, za PFA pa 260 stopinj. Oba materiala imata enako nazivno mejo temperature. Praktična razlika se pojavi na povišanem koncu območja, kjer se mehanske lastnosti začnejo razhajati.
Pri 150 stopinjah oba materiala ohranita ustrezno mehansko trdnost za delovanje izmenjevalnika toplote. Pri 200 stopinjah PTFE ohrani približno 70 % natezne trdnosti pri sobni-temperaturi, PFA pa približno 50 %. Pri 250 stopinjah PTFE zadrži približno 50 %, medtem ko PFA zadrži približno 30 %.
Praktična posledica je, da je pri temperaturah nad 200 stopinj PTFE boljša izbira za komponente,-ki vsebujejo pritisk, medtem ko je PFA omejen na aplikacije z nižjo-obremenitvijo.
Razlika v odpornosti proti lezenju
Lezenje je počasna deformacija materiala pod trajno obremenitvijo. PTFE ima boljšo odpornost proti lezenju kot PFA zaradi svoje višje kristaliničnosti in linearne strukture. Razlika je še posebej pomembna pri povišani temperaturi.
V izmenjevalniku toplote so cevi in cevna plošča trajno obremenjeni zaradi notranjega tlaka in toplotnega raztezanja. Spoji cevi-in-cevne pločevine so pod dolgotrajno obremenitvijo zaradi stiskanja spoja. Sčasoma se material lezi in spoj se lahko zrahlja.
PTFE lezi z manjšo hitrostjo kot PFA pri enaki temperaturi in obremenitvi. Pri visoki-temperaturni uporabi ta razlika določa življenjsko dobo spoja. Spoj iz PTFE lahko traja 10–15 let, spoj iz PFA pa 5–8 let.
Razlika v celovitosti zvara
PFA je mogoče variti bolj zanesljivo kot PTFE zaradi njegove nižje viskoznosti taline. Območje zvara pri PFA je bolj homogeno, trdnost zvara pa je običajno 90–95 % trdnosti osnovnega materiala. Zvarno območje v PTFE je manj homogeno, trdnost zvara pa je običajno 70–85 % trdnosti osnovnega materiala.
Razlika v celovitosti zvara je še posebej pomembna pri spojih cevi-in-cevne pločevine, ki so najbolj obremenjena mesta v izmenjevalniku toplote. Spoj PFA je zanesljivejši od spoja PTFE, življenjska doba spoja PFA pa je daljša.
Razlika v gladkosti površine
PFA je mogoče ekstrudirati z bolj gladko površino kot PTFE zaradi njegove nižje viskoznosti taline. Bolj gladka površina zmanjša oprijem usedlin in delcev, kar zmanjša stopnjo umazanije in pogostost čiščenja.
Pri visoko{0}}temperaturni uporabi s kislino je bolj gladka površina PFA prednost, ker lahko kislina tvori usedline na površini cevi, usedline pa zmanjšajo koeficient prenosa toplote. Bolj gladka površina tudi zmanjša nastajanje delcev, kar je pomembno pri-aplikacijah visoke čistosti.
Primerjava dveh materialov pri visoko-temperaturni kislinski uporabi
Naslednja tabela povzema značilnosti delovanja in stroškov toplotnih izmenjevalnikov PTFE in PFA v žveplovi kislini pri 150 stopinjah s 50 % žveplove kisline.
| Značilno | PTFE izmenjevalnik toplote | Toplotni izmenjevalnik PFA | Prednost |
|---|---|---|---|
| Najvišja neprekinjena delovna temperatura | 260 stopinj | 260 stopinj | Enakopravni |
| Natezna trdnost pri 150 stopinjah | 70 % RT | 60 % RT | PTFE |
| Natezna trdnost pri 200 stopinjah | 50 % RT | 35 % RT | PTFE |
| Odpornost proti lezenju pri 150 stopinjah | visoko | Zmerno | PTFE |
| Odpornost proti lezenju pri 200 stopinjah | Zmerno | Nizka | PTFE |
| Trdnost zvara | 70–85 % starša | 90–95 % starša | PFA |
| Gladkost površine | Dobro | Odlično | PFA |
| Odpornost proti obraščanju | Zmerno | visoko | PFA |
| Kemična odpornost na žveplovo kislino | Odlično | Odlično | Enakopravni |
| Življenjska doba pri-visokotemperaturni kislini | 10–15 let | 8–12 let | PTFE |
| Stroški kapitala za dajatev 30 kW | $28,000 | $32,000 | PTFE |
| Stroški namestitve | $3,000 | $3,000 | Enakopravni |
| Letni stroški vzdrževanja | $2,000 | $2,500 | PTFE |
| Pet{0}}letni skupni strošek | $50,000 | $55,000 | PTFE |
Pet{0}}letne skupne vrednosti stroškov predvidevajo proizvodno vrednost 600 USD na uro in vključujejo kapitalske stroške, stroške namestitve in stroške vzdrževanja v petih letih.
Ko je PFA boljša izbira
PFA je boljša izbira v več specifičnih aplikacijah.
Storitev visoke-čistosti.PFA ima bolj gladko površino in manjše nastajanje delcev kot PTFE, zaradi česar je primeren za uporabo v polprevodnikih in farmacevtskih izdelkih, kjer je kontaminacija z delci zaskrbljujoča.
Storitev obraščanja.Bolj gladka površina PFA zmanjša oprijem usedlin, kar zmanjša stopnjo umazanije in pogostost čiščenja.
Kritična storitev-varjenih spojev.Zvari PFA so zanesljivejši od zvarov PTFE, zaradi česar je PFA boljša izbira za storitve, kjer je celovitost spoja kritična.
Storitev z nižjo-temperaturo.Pri temperaturah pod 150 stopinj se oba materiala dobro obneseta, bolj gladka površina PFA in zanesljivejši zvari pa lahko dajejo prednost PFA kljub višjim stroškom.
Komponente-izdelane po meri.PFA je mogoče oblikovati v zapletene oblike, ki jih je težko izdelati s PTFE, zaradi česar je primeren za-komponente toplotnega izmenjevalnika, izdelane po meri.
Ko je PTFE boljša izbira
PTFE je boljša izbira v več specifičnih aplikacijah.
Delovanje pri visoki-temperaturi nad 200 stopinj.PTFE ohrani svojo mehansko trdnost pri temperaturah nad 200 stopinj, medtem ko se PFA zmehča in izgubi trdnost.
Storitev pod visokim{0}}tlakom.PTFE ima višjo odpornost proti lezenju kot PFA, zaradi česar je primeren za visoko{0}}tlačne storitve, kjer je trajna obremenitev visoka.
Servis velikega izmenjevalnika toplote.PTFE je cenejši od PFA, zaradi česar je primeren za velike izmenjevalnike toplote, kjer so stroški kapitala pomemben dejavnik.
Storitev termocikliranja.PTFE ima večjo odpornost na toplotne udarce kot PFA, zaradi česar je primeren za uporabo pri pogostih temperaturnih spremembah.
Zahteva po dolgi življenjski dobi.PTFE ima boljšo odpornost proti lezenju in daljšo življenjsko dobo kot PFA pri visoki-temperaturni uporabi, zaradi česar je primeren za aplikacije, kjer je življenjska doba kritičen dejavnik.
Parametri specifikacije za delo s kislino-visokih temperatur
Inženirji opreme, ki ocenjujejo toplotne izmenjevalnike PTFE in PFA za visoko{0}}temperaturno delovanje s kislino, morajo pri dobavitelju potrditi naslednje parametre.
Kislinska kemija.Navedite sestavo kisline, vključno s koncentracijo in onesnaževalci.
Delovna temperatura.Določite najvišjo delovno temperaturo in pričakovan temperaturni profil.
Delovni tlak.Določite največji delovni tlak.
Toplotna obremenitev in površina.Določite toplotno obremenitev in zahtevano površino za vsako možnost materiala.
Skupna zasnova.Določite zasnovo spoja cevi--na cevno ploščo in zahtevano trdnost zvara.
Površinska obdelava.Določite zahtevano površinsko obdelavo za obraščanje in nadzor delcev.
Toplotno kroženje.Določite pričakovano število in obseg toplotnih ciklov.
Zahtevana življenjska doba.Določite pričakovano življenjsko dobo in urnik zamenjave.
Usklajevanje izbire materiala z zahtevami glede temperature in spoja
Izbira med toplotnimi izmenjevalniki PTFE in PFA pri visoko-temperaturni kislinski uporabi je odvisna od temperature, tlaka, zahteve glede celovitosti spoja in zahteve glede končne obdelave površine. PTFE ima boljšo odpornost proti lezenju in višjo praktično temperaturno mejo, medtem ko ima PFA boljšo celovitost zvara in bolj gladko površino.
Odločitev o izbiri mora temeljiti na-specifični analizi objekta, ki vključuje kapitalske stroške, stroške namestitve, stroške vzdrževanja in izpostavljenost izgubam pri proizvodnji. Preprost model preglednice s temi komponentami stroškov zagotavlja informacije, potrebne za odločitev.
Za visokotemperaturne{0}}servisne objekte s kislino, ki ocenjujejo možnosti izmenjevalnika toplote, mora izbira materiala temeljiti na skupnih stroških lastništva v pričakovani življenjski dobi, ne le na kapitalskih stroških ali toplotni učinkovitosti. Enota PFA z višjimi kapitalskimi stroški ima lahko nižje stroške v življenjski dobi, če zahteva manj vzdrževanja in proizvede manj delcev.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije PTFE toplotnega izmenjevalnika za visoko-temperaturne kisline ali druge korozivne storitve, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema kislinsko kemijo, delovno temperaturo, delovni tlak, zasnovo spoja, površinsko obdelavo in zahteve glede življenjske dobe, da potrdijo, da je izbor materiala usklajen z dejanskimi pogoji uporabe in strukturo stroškov objekta.
