高圧蒸気用途において、金属製ユニットと比較して PTFE 熱交換器を制限するものは何ですか?{0}}

限界を定義するスチームテーブル

プロセス温度 160 度で 150 kW の熱を必要とする化学プラントでは、飽和温度 191 度となる 12 bar の蒸気を利用できます。この用途に指定されている金属製熱交換器は、6 mm のステンレス鋼管壁を備えたシェル-および- チューブ ユニットです。 PTFE 代替品も同じ義務に照らして評価する必要があります。

12 bar、191 度の飽和蒸気圧力は、金属製熱交換器の範囲内に十分収まります。 PTFE の場合、最初の制約は最大動作圧力です。標準的な PTFE 熱交換器の定格圧力は中程度の温度で 0.5 ～ 1.0 MPa (5 ～ 10 bar) ですが、温度が上昇すると圧力定格は低下します。 190 度では、一般的な PTFE チューブの許容作動圧力は 0.3 ～ 0.5 MPa となり、これは必要な蒸気圧力を下回ります。

2 番目の制約は、温度に依存する強度です。{0} PTFE は、190 度における室温引張強さの約 50% を維持し、クリープ速度が大幅に増加します。-高温での圧力に耐えるためにはチューブの壁を厚くする必要があり、これにより熱抵抗が増加し、熱伝達率が低下します。

3 番目の制約は、管壁が蒸気によって加熱されるときに発生する内部応力です。チューブの蒸気側は 191 度、プロセス側は 160 度で、壁全体に 31 度の温度差が生じます。低-導電率の材料では、この温度差によって大きな熱応力が生じ、これが圧力応力に加わります。

圧力封じ込め限界

圧力の封じ込めは最も基本的な制限です。内圧下での薄肉管内のフープ応力は、圧力と管の直径に比例し、壁の厚さに反比例します。外径 6 mm、壁厚 1.0 mm の PTFE チューブの場合、内圧 10 bar でのフープ応力は約 30 MPa です。 PTFE の 190 度での引張強さは約 10 ～ 12 MPa であり、これはチューブが適切な安全率で圧力を保持できないことを意味します。

壁の厚さを増やすとフープ応力は減少しますが、熱抵抗は増加します。肉厚が 2.0 mm の場合、フープ応力は 15 MPa に低下しますが、これは強度限界内ですが、熱抵抗は 2 倍になり、熱伝達率は低下します。それを補うために熱交換器を大きくする必要があり、資本コストと必要なスペースが増加します。

代わりに、チューブの直径を小さくすることもできます。外径 3 mm、壁厚 1.0 mm のチューブのフープ応力は 10 bar で 15 MPa ですが、これは強度限界内です。チューブの直径が小さいほど単位体積あたりの表面積が大きくなり、低い熱伝達率が部分的に補われます。

温度に依存する強度の限界-

PTFE の引張強さは温度とともに低下します。 20 度での引張強さは約 25 ～ 30 MPa です。 100度では約15～18MPaになります。 190度では約10～12MPaになります。 250度では約5～6MPaになります。

強度が低下すると、許容応力や許容圧力が制限されます。 100 度で 10 bar と定格される熱交換器は、190 度で 4 ～ 5 bar しか定格されない場合があります。ディレーティング係数は通常、室温定格と比較して 190 度で 0.5～0.6 です。-。

ディレーティングは温度の線形関数ではありません。強度は 150 度まではゆっくりと低下し、200 度を超えると急激に低下します。高圧蒸気サービスの実際の限界は約 150 ～ 180 度であり、これを超えると、ほとんどの産業用蒸気システムでは圧力定格が低すぎます。

クリープ限界

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 は室温でクリープし、クリープ速度は温度とともに増加します。 190 度では、クリープ速度は 20 度の場合よりも 10 ～ 20 倍高くなる可能性があります。

熱交換器では、クリープはチューブ直径のゆっくりとした増加と壁厚のゆっくりとした減少として現れます。チューブは内圧によって膨張し、壁は薄くなります。時間が経つと、チューブが破裂したり、チューブとチューブシートの接合部から漏れが発生したりすることがあります。-

クリープ限界は通常、10,000 時間で 1% 未満のひずみが生じる最大応力として表されます。 190 度の PTFE の場合、この応力は約 3 ～ 4 MPa であり、引張強さよりもはるかに低くなります。引張強度ではなく、クリープ限界が長期使用を制御するパラメータです。-

熱応力限界

チューブ壁の熱応力は、壁全体の温度差、熱膨張係数、および弾性率に比例します。 PTFE の場合、熱膨張係数は約 12 × 10-5 / 度、190 度での弾性率は約 200 MPa です。

壁全体の温度差が 31 度の場合、熱応力は約 7.4 MPa になります。この応力により圧力応力が加わり、許容圧力が低下します。高圧蒸気の用途では、熱応力が総応力のかなりの部分を占める可能性があるため、設計計算に熱応力を含める必要があります。

熱応力は、壁全体の温度差を減らすこと、つまり熱流束を減らすことによって減らすことができます。熱流束が低いほどより大きな表面積が必要となり、資本コストが増加します。

高圧蒸気サービスにおける PTFE ユニットと金属ユニットの比較-

次の表は、12 bar、191 度の高圧蒸気サービスにおける PTFE とステンレス鋼の熱交換器の性能とコストの特性をまとめたものです。{0}

5 年間の総コスト値は、1 時間あたりの生産価値が 500 ドルであると想定しており、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。

PTFE が依然としてより良い選択である場合

機械的な制限にもかかわらず、いくつかの高圧蒸気用途では PTFE が依然として優れた選択肢です。{0}

腐食性凝縮水サービス。蒸気凝縮液に塩化物やフッ化物などの腐食性種が含まれている場合、ステンレス鋼ユニットは腐食する可能性がありますが、PTFE ユニットは耐性があります。

低圧蒸気サービス。-蒸気圧が 5 bar 未満、温度が 150 度未満では、PTFE の機械的制限はそれほど厳しくなく、PTFE ユニットは競争力がある可能性があります。

-純度の高いサービス。プロセス流体が金属イオンによる汚染に敏感な場合は、金属イオンが浸出しない PTFE ユニットがより良い選択となります。

熱負荷が小さいサービス。熱負荷が小さい場合、PTFE ユニットの表面積が大きいほど制約が少なく、資本コストが低いため PTFE が有利になる可能性があります。

後付けサービス。既存の熱交換器が PTFE ユニットであり、蒸気圧力が増加した場合でも、圧力が軽減限度内であれば PTFE ユニットでも十分な可能性があります。

PTFE 圧力限界を拡張する設計変更

いくつかの設計変更により、高圧蒸気サービスにおける PTFE 熱交換器の圧力限界が拡張されました。-

チューブ径が小さくなります。チューブの直径が小さいほど、同じ圧力と壁厚でもフープ応力が低くなります。 3 mm チューブは、同じ肉厚の 6 mm チューブよりも高い圧力に耐えることができます。

チューブの壁が厚い。壁を厚くするとフープ応力は減少しますが、熱抵抗は増加します。壁の厚さは、特定の圧力と熱伝達の要件に合わせて最適化する必要があります。

強化チューブ構造。金属または複合材で補強された PTFE チューブは、補強されていないチューブよりも高い圧力に耐えることができます。補強材は、ワイヤーブレード、スパイラルラップ、または複合層であってもよい。

動作温度の低下。蒸気温度を下げると熱応力が減少し、材料の強度が増加します。蒸気圧を下げるか、過熱防止装置を使用すると、温度を下げることができます。

熱流束の減少。熱流束が低いと、壁全体の温度差と熱応力が減少します。より大きな表面積が必要となり、資本コストが増加します。

フローティングチューブシート。フローティングチューブシートはチューブとチューブシートにかかる軸応力を軽減し、圧力封じ込めを向上させます。

高圧蒸気サービスの仕様パラメータ-

高圧蒸気サービス用の PTFE 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}

蒸気の圧力と温度。蒸気の最高圧力と飽和温度を指定します。

プロセス温度。プロセス流体温度とアプローチ温度を指定します。

チューブの直径と壁の厚さ。圧力と熱伝達の要件に基づいて、チューブの直径と壁の厚さを指定します。

圧力定格。室温ではなく、動作温度での圧力定格を指定してください。

クリープ限界。長期使用に対するクリープ限界と最大許容応力を指定します。-

熱ストレス。熱応力計算と許容応力を指定します。

強化。チューブが補強されているかどうかと補強の種類を指定します。

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。

蒸気条件に合わせた PTFE 設計

高圧蒸気サービスにおける PTFE 熱交換器の制限は、圧力封じ込め、温度依存の強度、クリープ、熱応力です。-これらの制限は、チューブの直径を小さくする、壁を厚くする、補強する、熱流束を減らすなどの設計変更によって管理できます。高圧蒸気サービスにおける PTFE の実際的な限界は 190 度で約 5 bar であり、これを超えると設計が非現実的になるか、資本コストが法外に高くなります。-

選択の決定は、蒸気条件、プロセス要件、資本コスト、メンテナンス コスト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}これらのパラメーターを含む単純なスプレッドシート モデルは、意思決定に必要な情報を提供します。

熱交換器のオプションを評価する高圧蒸気サービス施設の場合、材料の選択は、資本コストや熱性能だけでなく、予想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}資本コストが高い金属製ユニットは、定格を下げることなく蒸気条件に対応できれば、寿命コストが低くなる可能性があります。

高圧蒸気やその他の要求の厳しいサ​​ービス向けの 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、蒸気圧力、蒸気温度、チューブ直径、肉厚、圧力定格、クリープ限界、熱応力を対象とした設計レビューをリクエストして、ユニットが実際の蒸気条件や施設のプロセス要件に適合していることを確認できます。{0}