De to materialer, der ligner hinanden ved lav temperatur
FEP og PTFE er begge perfluorerede polymerer, og begge modstår de almindelige kølevæsker, der bruges i kemisk behandling: afkølet vand, glykolopløsninger, saltlage og kølemiddel. Ved temperaturer mellem 0 grader og 50 grader er den kemiske resistens og de mekaniske egenskaber af de to materialer ens, og udvælgelsen sker ofte på basis af omkostninger.
FEP er en copolymer af tetrafluorethylen og hexafluorpropylen. Hexafluorpropylen-comonomeren forstyrrer polymerens krystallinitet og reducerer smelteviskositeten, hvilket tillader FEP at blive behandlet ved smelteekstrudering. FEP har en maksimal kontinuerlig driftstemperatur på 200 grader sammenlignet med 260 grader for PTFE.
PTFE er en homopolymer af tetrafluorethylen. Den lineære struktur giver en højere krystallinitet, hvilket giver PTFE højere trækstyrke, bedre krybemodstand og en højere kontinuerlig driftstemperatur. PTFE kan ikke smelte-bearbejdes, så det fremstilles ved kompressionsstøbning og sintring.
Den termiske ledningsevne sammenligning
FEP og PTFE har lignende varmeledningsevner. PTFE har en ledningsevne på 0,25 W/m·K, og FEP har en ledningsevne på 0,24 W/m·K. Forskellen er ubetydelig, og den påvirker ikke det nødvendige overfladeareal for en given varmebelastning.
Den samlede varmeoverførselskoefficient for begge materialer er domineret af væskefilmmodstandene, ikke af vægmodstanden. I væske-til-væskekøling er den samlede koefficient for en PTFE-varmeveksler typisk 200-300 W/m²·K, og koefficienten for en FEP-varmeveksler er stort set den samme. Valget mellem de to materialer kan ikke foretages på basis af termisk ydeevne.
Flex-træthedsmodstandsforskellen
Flex træthedsmodstand er et materiales evne til at modstå gentagne bøjninger og bøjninger uden at revne. FEP har lavere bøjningstræthedsmodstand end PTFE på grund af dens lavere krystallinitet og dens mere fleksible molekylære struktur.
Ved kemisk afkøling ved lav-temperatur kan der opstå flextræthed i varmevekslere, der er udsat for vibrationer, termisk cyklus eller mekanisk bevægelse. Rørene bøjer sig, når varmeveksleren udvider sig og trækker sig sammen, og den gentagne bøjning kan forårsage revner i rørvæggen.
PTFE har højere bøjningstræthedsmodstand end FEP, hvilket gør den velegnet til brug, hvor rørene udsættes for gentagne bøjninger. FEP er velegnet til service, hvor rørene er stift understøttet og ikke udsat for væsentlige bevægelser.
Permeationsmodstandsforskellen
Permeation er diffusionen af en gas eller væske gennem en polymer. FEP har højere permeationshastigheder end PTFE på grund af dens lavere krystallinitet og dens mere åbne molekylære struktur.
I lav-temperatur kemisk køleservice kan permeation være et problem, hvis kølevæsken indeholder opløste gasser, eller hvis procesvæsken er følsom over for forurening. Permeationen af oxygen eller kuldioxid gennem rørvæggen kan påvirke proceskemien, og permeationen af procesvæsken gennem rørvæggen kan forurene kølevæsken.
PTFE har lavere permeationshastigheder end FEP, hvilket gør den velegnet til service, hvor gennemtrængningen er et problem. FEP er velegnet til service, hvor permeationen ikke er en kritisk faktor.
Temperaturkapacitetsforskellen
FEP har en maksimal kontinuerlig driftstemperatur på 200 grader, mens PTFE har en maksimal kontinuerlig driftstemperatur på 260 grader. Ved lav temperatur er begge materialer godt inden for deres serviceområde, og temperaturforskellen påvirker ikke valget.
Temperaturkapacitetsforskellen bliver vigtig, hvis procesbetingelserne ændres. Hvis køleservicen senere konverteres til en varmeservice, eller hvis driftstemperaturen øges, er FEP-enheden muligvis ikke egnet, og PTFE-enheden vil være påkrævet.
Sammenligning af de to materialer i kemisk lav-temperaturkøling
Følgende tabel opsummerer ydeevne og omkostningskarakteristika for PTFE- og FEP-varmevekslere i lav-temperatur kemisk køling ved 10 grader med en 30 % glykolopløsning.
| Karakteristisk | PTFE varmeveksler | FEP varmeveksler | Fordel |
|---|---|---|---|
| Termisk ledningsevne | 0.25 W/m·K | 0.24 W/m·K | Lige |
| Samlet varmeoverførselskoefficient | 250 W/m²·K | 245 W/m²·K | Lige |
| Maksimal kontinuerlig driftstemperatur | 260 grader | 200 grader | PTFE |
| Flex træthedsmodstand | Høj | Moderat | PTFE |
| Permeationsmodstand | Høj | Moderat | PTFE |
| Kemisk resistens over for glykolopløsning | Fremragende | Fremragende | Lige |
| Mekanisk styrke | Høj | Moderat | PTFE |
| Modstandsdygtighed over for termisk stød | Høj | Moderat | PTFE |
| Reparationsevne | God | God | Lige |
| Levetid i køleservice | 15-20 år | 10-15 år | PTFE |
| Kapitaludgift for 20 kW told | $18,000 | $14,000 | FEP |
| Installationsomkostninger | $2,500 | $2,500 | Lige |
| Årlige vedligeholdelsesomkostninger | $1,200 | $1,800 | PTFE |
| Fem-års samlede omkostninger | $33,500 | $33,500 | Lige |
De fem-årige samlede omkostningsværdier antager en produktionsværdi på 400 USD i timen og inkluderer kapitalomkostninger, installationsomkostninger og vedligeholdelsesomkostninger over fem år. De fem-årige samlede omkostninger er stort set lige store, fordi de lavere kapitalomkostninger ved FEP opvejes af de højere vedligeholdelsesomkostninger.
Når FEP er det bedre valg
FEP er det bedre valg i flere specifikke applikationer.
Lav-temperaturservice uden bøjning.Ved temperaturer under 50 grader og med stift understøttede rør, fungerer FEP lige så godt som PTFE til en lavere kapitalomkostning.
Ikke-kritisk permeationstjeneste.Når gennemtrængning af gasser eller væsker gennem rørvæggen ikke er et problem, er FEP tilstrækkelig.
Krav til kort levetid.Når varmeveksleren forventes at have en levetid på 10 år eller derunder, er FEP tilstrækkelig og billigere.
Omkostningsfølsomme applikationer-.Når kapitalbudgettet er begrænset, giver FEP tilstrækkelig ydeevne til en lavere pris.
Standard køleservice.Til standard køleservice uden usædvanlige kemiske eller mekaniske krav er FEP tilstrækkelig.
Når PTFE er det bedre valg
PTFE er det bedre valg i flere specifikke applikationer.
Fleksibel service.Når rørene udsættes for vibrationer, termisk cykling eller mekaniske bevægelser, har PTFE højere modstandsdygtighed over for bøjningstræthed end FEP.
Permeationsfølsom-tjeneste.Når gennemtrængning af gasser eller væsker gennem rørvæggen er et problem, har PTFE lavere permeationshastigheder end FEP.
Høj-temperaturservice.Når driftstemperaturen kan overstige 200 grader, er PTFE påkrævet, fordi FEP blødgør og mister styrke.
Krav om lang levetid.Når varmeveksleren forventes at have en levetid på 15 år eller mere, er PTFE det bedre valg, fordi det har højere mekanisk styrke og bedre krybemodstand.
Høj-renhedstjeneste.Når procesvæsken er følsom over for forurening, har PTFE lavere permeationshastigheder og lavere ekstraherbare materialer end FEP.
Designfunktioner, der påvirker udvalget
Flere designfunktioner påvirker valget mellem PTFE og FEP.
Rørstøtteafstand.Tættere rørstøtteafstand reducerer bøjningen af rørene, hvilket reducerer behovet for bøjetræthed og gør det muligt at bruge FEP.
Strømningshastighed.Højere strømningshastighed øger vibrationerne og bøjningen af rørene, hvilket favoriserer PTFE.
Termisk cykling frekvens.Hyppigere termisk cykling øger bøjningen af rørene, hvilket favoriserer PTFE.
Procesvæskefølsomhed.Mere følsomme procesvæsker kræver lavere permeationshastigheder, hvilket favoriserer PTFE.
Driftstemperaturmargin.En større margin mellem driftstemperaturen og materialegrænsen giver mere fleksibilitet til fremtidige procesændringer, hvilket favoriserer PTFE.
Specifikationsparametre for kemisk lav-temperaturkøling
Udstyrsingeniører, der vurderer PTFE- og FEP-varmevekslere til kemisk afkøling ved lav-temperatur, bør bekræfte følgende parametre med leverandøren.
Kølevæskekemi.Angiv kølevæskesammensætningen, inklusive koncentrationen af glykol, saltlage eller andre tilsætningsstoffer.
Driftstemperatur.Angiv den maksimale driftstemperatur og den forventede temperaturprofil.
Procesvæskefølsomhed.Angiv procesvæskens følsomhed over for kontaminering fra permeation.
Fleksible forhold.Angiv vibration, termisk cykling og mekanisk bevægelse, som rørene vil opleve.
Krav om levetid.Angiv den forventede levetid og udskiftningsplanen.
Varmebelastning og overfladeareal.Angiv varmebelastningen og det nødvendige overfladeareal for hver materialemulighed.
Pladsbegrænsninger.Angiv den tilgængelige plads og det maksimalt tilladte fodaftryk.
Vedligeholdelsesevne.Angiv anlæggets vedligeholdelsesevne.
Matchende materialevalg til køleservicebetingelser
Valget mellem PTFE- og FEP-varmevekslere i lav-temperatur kemisk køling afhænger af bøjningsforholdene, permeationsfølsomheden, levetidskravet og omkostningsfølsomheden. FEP er tilstrækkelig til lav-temperaturservice uden bøjning og uden problemer med gennemtrængning, og det er billigere. PTFE er påkrævet til service med bøjning, gennemtrængningsproblemer eller krav om lang levetid.
Valgbeslutningen bør baseres på en facilitets-specifik analyse, der inkorporerer kapitalomkostningerne, installationsomkostningerne, vedligeholdelsesomkostningerne og eksponeringen for produktionstab. En simpel regnearksmodel med disse omkostningskomponenter giver de nødvendige oplysninger til at træffe beslutningen.
For kemiske køleanlæg med lav-temperatur, der evaluerer mulighederne for varmevekslere, bør materialevalget baseres på de samlede ejeromkostninger over den forventede levetid, ikke kun kapitalomkostningerne. En FEP-enhed med en lavere kapitalomkostning kan have en højere levetidsomkostning, hvis den kræver hyppigere udskiftning.
Udstyrsingeniører og indkøbsspecialister, der vurderer PTFE-varmevekslerspecifikationer til kemisk afkøling ved lav-temperatur eller anden ætsende service, kan anmode om en designgennemgang, der dækker kølevæskekemi, driftstemperatur, procesvæskefølsomhed, bøjningsbetingelser og krav til levetid for at bekræfte, at materialevalget er afstemt med anlæggets faktiske serviceforhold og omkostningsstruktur.
