プロセスでは濃酸を 180 度に加熱する必要があります。 PTFE は化学反応に耐える唯一の材料ですが、そのデータシートには最大 200 度となっています。それは続くでしょうか？このような高温では PTFE はどうなるのでしょうか?また、長期にわたって耐えられるように熱交換器をどのように設計変更する必要がありますか?-
これらは、プロセスが材料の限界に達するときに、すべての腐食エンジニアが耳にする疑問です。一見すると、答えは簡単に見えます。PTFE は 200 度でも化学的に不活性を保ち、その有名な炭素-フッ素結合は、最も攻撃的な酸、溶剤、酸化剤に対して無傷です。しかし、これらの温度での信頼性は自動的には得られません。 PTFE の分子鎖が使用上限近くで可動性を獲得したときに PTFE がどのように動作するかを考慮した、意図的なエンジニアリングが必要です。
120 度から 200 度の間では、PTFE は耐食性を失いません。沸騰した硫酸またはフッ化水素酸の混合物への浸漬試験では、数千時間後にも重量変化は無視でき、孔食は発生しませんでした。ポリマーは非反応性を保ちます。-変わるのは機械的な性能です。材料が 200 度に近づくと、引張強度は室温の値から約 50 % 低下し、弾性率が低下し、クリープ-荷重下でのゆっくりとした永久変形-が測定可能になります。長期間暴露すると、結晶化度がわずかに増加し、数か月ではなく数年にわたって中程度の脆化が生じる可能性があります。-これらの変更はいずれも突然の障害を引き起こすものではありません。代わりに、それらは徐々に蓄積されます。 PTFE シェル-および-チューブまたは浸漬コイル交換器は、適切に考慮されれば、熱酸濃縮器や高温エッチング ラインで通常 5 ～ 10 年の連続使用を実現します。-。
最初の重要な調整はプレッシャーです。メーカーの圧力-温度曲線は交渉の余地がありません。-周囲条件では、25 mm PTFE チューブは 6 bar に安全に耐えることができます。 180 度では、許容圧力は 1 ～ 2 bar に低下することが多く、壁の厚さと直径によってはそれ以下になる場合もあります。低下は直線的ではありません-軟化したポリマーのフープ応力耐性が低下するため、150 度を超えると加速します-。そのため、エンジニアは室温設計で提案されるよりも太いチューブや小さな直径を選択し、洗浄や蒸気抜きサイクル中の圧力の乱れなど、あらゆる動作シナリオを検証します。-この曲線を無視すると、化学的限界に達するずっと前に膨れや破断が発生する可能性があります。
熱膨張により、次のエンジニアリング上の課題が生じます。 PTFE の線係数は約 10–12 × 10-5 / 度 - で、ステンレス鋼の約 15 倍です。 20 度から 200 度まで、3 m のチューブは 30 mm 近く長くなります。両方のチューブシートが固定されている場合、その成長によってチューブ-と-のシート接合部に圧縮座屈またはせん断が発生します。解決策は動きです。フローティングチューブシート、シェル側の拡張ベローズ、または柔軟な PTFE- で裏打ちされた補償板は、ポリマーにストレスを与えることなく、成長差を吸収します。コイル状またはバヨネット設計では、十分な曲げ半径とスライド サポートにより歪みがさらに軽減されます。これらの規定がなければ、化学的に完璧な熱交換器であっても、サイクリングの数週間以内に接合部で漏れが発生します。
温度が上昇すると、サポートと振動制御もより重要になります。軟化した PTFE は、支持されていないスパンが長すぎると、自重またはプロセス流体の重みでたわみます。互換性のある材料で作られたシンプルなミッドスパン クリップまたは穴あきサポート プレートは、チューブの位置を維持し、流れによる振動を抑えます。- 180 度では、サポートされていないチューブの固有振動数は低下します。ポンプの脈動との共振により疲労が加速する可能性があります。サポートを追加するための適度な投資により、クリープ変形と早期亀裂の両方が防止されます。
材質の選択自体が寿命に影響します。高密度に押出または成形された未使用の未充填 PTFE は、200 度まで最も安定した性能を発揮します。再処理された樹脂や、ガラスやカーボンが多く充填されたグレードでは、クリープ耐性が低下し、最高温度定格が低下する可能性があります。-場合によっては連続 150 度まで低下することもあります。文書化されたメルトフローインデックスを使用して樹脂を指定し、チューブメーカーからのトレーサビリティを確認することで、耐用年数を短縮する可能性のある変動を排除できます。{6}}
熱交換器のサイズ設定には、腐食許容量を超える注意が必要です。 PTFE の熱伝導率は温度によってわずかしか変化しないため (約 0.25 W/m・K のまま)、壁抵抗は予測可能なままです。実際の変化は流体特性に起こります。濃酸の粘度は 180 度で急激に低下し、プロセス側の膜係数が向上しますが、蒸気や熱油の加熱媒体は異なる動作をする可能性があります。{4}したがって、動作温度での流体特性が挿入されると、全体的な熱伝達計算-の信頼性が維持されます。ポリマー自体には謎のディレーティング係数は適用されません。余分なマージンが必要となるのは、機械的安全率の低下です。{8}}エンジニアは、予期せぬ汚れを補ったり、圧力降下を減らすために流速を緩やかにするために、表面積を 10～15% 増加させることがよくあります。
運用規律によって信頼性の全体像が完成します。突然の熱衝撃-200 度の蒸気が冷熱交換器に急速に導入されると-、局所的な応力集中が生じ、微細な亀裂が発生する可能性があります。- 1 時間あたり 20 ～ 30 度の緩やかな昇温速度と加熱前の均圧化を組み合わせることで、チューブを保護します。同様に、ゆっくりとした冷却と完全な排出を可能にするシャットダウン手順により、アイドル期間中の酸の滞留とその後の濃度による攻撃が防止されます。-
定期的なモニタリングは簡単ですが不可欠です。四半期ごとにサイトグラスまたはマンウェイを使用して目視検査を行い、チューブの曲がり、変色 (まれではありますが、年月が経つと発生する可能性があります)、または接合部の滲みがないかどうかを確認します。アクセス可能なセクションの定期的な超音波厚さチェックにより、クリープによる薄化が検出されます。多くのプラントでは、累積膨張を追跡するために、補償器に単純なひずみゲージも取り付けています。これらのタスクはいずれも珍しいものではありません。これらは、限界近くで動作するあらゆる機器に適用される警戒を反映しています。
これらの予防策が役立つアプリケーションは数多くあります。熱硫酸濃縮装置では、通常、PTFE 浸漬コイルを使用して、希釈せずに 160 ～ 180 度に達します。エレクトロニクス製造における高温クロム酸エッチング浴は、PTFE シェル-と- ユニットに依存しており、蒸気加熱は 185 度に制限されています。腐食性スラリーの蒸気トレースとハロゲン化溶媒の穏やかな加熱も同様に一般的です。いずれの場合も、動作ウィンドウは 200 度未満で快適ですが、同じ設計原則が適用されます。
-80 ～ 120 度などの適度な温度では -PTFE 熱交換器は他のプラスチック部品とほぼ同じように動作します。標準的な固定チューブ シートで十分で、圧力定格は十分なままで、数十年経ってもクリープは無視できます。 120 ～ 200 度の範囲に入ると、エンジニアリングの重点が単純さから順応性に変わります。このポリマーは耐食性においては依然として優れていますが、現在では、拡張の規定、圧力の軽減、および注意深くサポートするという形で敬意を求めています。
要約すると、PTFE 熱交換器は、熱膨張補償、圧力軽減、適切なサポート、およびバージン材料を使用して設計された場合、最大 200 度まで確実に動作できます。データシートの制限で致命的な障害が発生することはありません。その代わりに、高音域を注意深く扱うエンジニアに静かに報酬を与えます。この原則は PTFE を超えています。-エッジに押し込まれるすべての素材には、同様の思慮深いディテールが必要です。これらの詳細に対処すると、熱交換器はプロセスに必要なものを正確に提供します。つまり、他の材料が存在しない環境で何年にもわたって漏れや腐食のないサービスを提供します。-{6}}
