高温酸使用における PTFE 熱交換器と PFA 熱交換器の境界は何ですか?{0}}

紙の上では交換可能に見える 2 つの素材

化学処理施設では、150 度の硫酸サービス用の熱交換器が指定されています。調達文書には、チューブの材質が「PTFE または同等品」として記載されており、チューブの寸法は外径 6 mm、壁厚 0.8 mm と記載されています。 2 つの見積もりを受け取りました。1 つは PTFE チューブ付き、もう 1 つは PFA チューブ付きです。 PFA の見積もりは 15% 高く、納期は 4 週間長くなります。

価格の安さを基準に選択し、PTFEユニットを発注します。ユニットは設置され、チューブ-と-の接合部で漏れが発生するまで約 14 か月間動作します。検査の結果、接合部の PTFE に亀裂が生じ、溶接部に亀裂が生じていることが判明しました。 PFA ユニットが選択されていた場合、動作温度での耐クリープ性がより高い溶接継手を備えていたでしょう。

単純な価格比較のように見えた選択の決定は、実際には最高動作温度と 2 つの材料の結合の完全性に関する決定でした。

化学構造の違い

PTFE と PFA は両方とも過フッ素化ポリマーであり、炭素主鎖がフッ素原子によって完全に保護されていることを意味します。違いは側鎖にあります。 PTFE は側鎖のない直線的な構造をしています。 PFA は、主鎖にペルフルオロアルコキシ側鎖が結合した直鎖構造を持っています。

PFA の側鎖はポリマーの結晶性を破壊し、溶融粘度を低下させます。 PFA は溶融粘度が低いため、溶融押出や射出成形で加工することができ、PTFE よりも滑らかな表面とより信頼性の高い溶接接合部を備えたチューブやコンポーネントが製造されます。

PTFE の線状構造により高い結晶化度が得られ、これにより PTFE は PFA よりも高い引張強度、優れた耐クリープ性、および高い連続使用温度が得られます。

最大動作温度差

PTFE の最大連続使用温度は 260 度、PFA の場合は 260 度です。 2 つの材料の公称温度限界は同じです。実際の違いは、機械的特性が発散し始める範囲の高い端で現れます。

150 度では、どちらの材料も熱交換器の使用に適した機械的強度を維持します。 200 度では、PTFE は室温での引張強さの約 70% を保持しますが、PFA は約 50% を保持します。- 250 度では、PTFE は約 50% を保持し、PFA は約 30% を保持します。

実際的な意味は、200 度を超える温度では、圧力を含むコンポーネントには PTFE が最適な選択肢であるのに対し、-PFA はより低い応力の用途に限定されるということです。-

クリープ抵抗の違い

クリープとは、持続的な荷重下での材料のゆっくりとした変形です。 PTFE は結晶化度が高く線状構造であるため、PFA よりも耐クリープ性に優れています。この違いは、温度が高い場合に特に顕著になります。

熱交換器では、チューブとチューブシートは内圧と熱膨張による持続的な負荷を受けます。チューブ-と-のチューブシートの接合部には、接合部の圧縮による持続的な負荷がかかります。時間が経つと材料がクリープし、接合部が緩む可能性があります。

PTFE は、同じ温度と応力において PFA よりも低い速度でクリープします。高温使用では、この差がジョイントの耐用年数を決定します。- PTFE ジョイントは 10 ～ 15 年持続しますが、PFA ジョイントは 5 ～ 8 年持続します。

溶接の完全性の違い

PFA は PTFE よりも溶融粘度が低いため、より確実に溶着できます。 PFA の溶接部はより均質であり、溶接強度は通常、母材の強度の 90 ～ 95% です。 PTFE の溶接部は均一性が低く、溶接強度は通常、母材の強度の 70 ～ 85% です。

溶接の完全性の違いは、熱交換器内で最も応力がかかる箇所であるチューブとチューブシートの接合部で特に重要です。{0}{1} PFA ジョイントは PTFE ジョイントよりも信頼性が高く、PFA ジョイントの耐用年数は長くなります。

表面の平滑性の違い

PFA は溶融粘度が低いため、PTFE よりも滑らかな表面で押し出すことができます。表面が滑らかになると堆積物や粒子の付着が減り、汚れの発生率が減り、清掃の頻度が減ります。

高温の酸を使用する場合、酸がチューブ表面に堆積物を形成する可能性があり、その堆積物によって熱伝達率が低下するため、PFA 表面が滑らかであることが利点となります。{0}}表面が滑らかになると粒子の発生も減少します。これは高純度用途では重要です。-

高温酸サービスにおける 2 つの材料の比較-

次の表は、150 度、50% 硫酸での硫酸使用における PTFE および PFA 熱交換器の性能とコスト特性をまとめたものです。

5 年間の総コスト値は、1 時間あたり 600 ドルの生産価値を想定しており、5 年間にわたる資本コスト、設置コスト、メンテナンス コストが含まれています。

PFA がより良い選択である場合

いくつかの特定の用途では、PFA がより良い選択となります。

-純度の高いサービス。PFA は PTFE よりも表面が滑らかでパーティクルの発生が少ないため、パーティクル汚染が懸念される半導体や製薬用途に適しています。

汚れ落としサービス。より滑らかな PFA 表面により堆積物の付着が減少し、汚れの発生率と洗浄頻度が減少します。

溶接継手-の重要なサービス。PFA 溶接は PTFE 溶接よりも信頼性が高いため、接合部の完全性が重要なサービスには PFA が適しています。

低温サービス。-150 度未満の温度では、どちらの材料も良好に機能し、コストが高いにもかかわらず、より滑らかな PFA 表面とより信頼性の高い溶接により PFA が有利になる可能性があります。

カスタム-で製造されたコンポーネント。PFA は、PTFE では製造が難しい複雑な形状に成形できるため、カスタム製造の熱交換器コンポーネントに適しています。{0}}

PTFE がより良い選択である場合

いくつかの特定の用途では PTFE が適しています。

200 度を超える高温サービス。-PTFE は 200 度を超える温度でも機械的強度を維持しますが、PFA は軟化して強度を失います。

高圧サービス。-PTFE は PFA よりも耐クリープ性が高いため、持続負荷が高い高圧用途に適しています。{0}

大型熱交換器サービス。PTFE は PFA よりも安価であるため、資本コストが重要な要素となる大型の熱交換器に適しています。

サーマルサイクリングサービス。PTFEはPFAよりも耐熱衝撃性に優れているため、温度変化が頻繁な用途に適しています。

長寿命要件。PTFE は高温使用において PFA よりも耐クリープ性に優れ、耐用年数が長いため、耐用年数が重要な要素となる用途に適しています。{0}

高温酸サービスの仕様パラメータ-

高温酸サービス用の PTFE および PFA 熱交換器を評価する機器エンジニアは、サプライヤーに次のパラメータを確認する必要があります。{0}

酸の化学。濃度や汚染物質を含む酸の組成を指定します。

動作温度。最大動作温度と予想される温度プロファイルを指定します。

作動圧力。最高使用圧力をご指定ください。

熱負荷と表面積。材料オプションごとに熱負荷と必要な表面積を指定します。

ジョイントデザイン。チューブとチューブシートの接合部の設計と必要な溶接強度を指定します。{0}}-

表面仕上げ。汚れや粒子の制御に必要な表面仕上げを指定します。

サーマルサイクリング。予想される熱サイクルの数と大きさを指定します。

耐用年数要件。予想される耐用年数と交換スケジュールを指定します。

温度および接合要件に合わせた材料選択

高温酸用途における PTFE 熱交換器と PFA 熱交換器の選択は、温度、圧力、接合部の完全性要件、表面仕上げ要件によって決まります。{0} PTFE は耐クリープ性が高く、実際の温度限界が高いのに対し、PFA は溶接の完全性が優れ、表面がより滑らかです。

選択の決定は、資本コスト、設置コスト、メンテナンス コスト、生産損失のリスクを組み込んだ施設固有の分析に基づいて行う必要があります。{0}これらのコスト要素を含む単純なスプレッドシート モデルは、意思決定を行うために必要な情報を提供します。

高温酸サービス施設で熱交換器のオプションを評価する場合、材料の選択は資本コストや熱性能だけでなく、予想される耐用年数にわたる総所有コストに基づいて行う必要があります。{0}資本コストが高い PFA ユニットは、必要なメンテナンスが少なく、生成する粒子も少ない場合、生涯コストが低くなります。

高温の酸やその他の腐食性用途向けの PTFE 熱交換器の仕様を評価する機器エンジニアや調達専門家は、酸の化学的性質、動作温度、動作圧力、接合部の設計、表面仕上げ、耐用年数要件を含む設計レビューをリクエストして、材料の選択が施設の実際の使用条件やコスト構造に適合していることを確認できます。{0}