Боравенето с мокър хлорен газ или течен бром е изключително трудно-тези халогени атакуват много метали и дори могат да проникнат или да напукат-някои флуорополимери. PVDF (поливинилиден флуорид) се очертава като предпочитан материал за топлообменници в тези агресивни услуги поради уникалната си комбинация от устойчивост и здравина. За инженери-технологи, проектиращи блокове за възстановяване на бром, системи за сушене с хлор или контактни резервоари за дезинфекция, PVDF топлообменниците предлагат завладяващ баланс на химическа съвместимост и механична устойчивост, който често надминава традиционните решения, базирани на PTFE-.
Химическа устойчивост на PVDF в халогенни среди
PVDF е полу{0}}кристален флуорополимер, съдържащ редуващи се CH₂ и CF₂ групи. Тази структура осигурява отлична устойчивост на окислители, включително мокър хлор, хлорен диоксид, хипохлорити и течен бром. За разлика от някои други флуорополимери, PVDF не проявява значително проникване или напукване под напрежение, когато е изложен на тези халогени при типични работни условия.
Опитът на място показва, че PTFE може да страда от проникване при дългосрочно -обслужване с мокър хлор. Молекулите на хлора бавно дифундират през PTFE матрицата, потенциално причинявайки образуване на мехури или разслояване в тръбите на топлообменника. По-плътната кристална структура на PVDF и по-малкият свободен обем намаляват скоростите на проникване на халоген с порядък или повече. Следователно,PVDF топлообменник хлор бром услугаприложенията нарастват стабилно в хлор-алкални инсталации, съоръжения за екстракция на бром и системи за пречистване на вода.
Максимална работна температура и граници на концентрация
PVDF поддържа своята халогенна устойчивост до максимална непрекъсната работна температура от приблизително 135 градуса (275 градуса F). В този диапазон PVDF издържа на мокър хлорен газ (наситен с водна пара) и течен бром без разграждане. При температури над 135 градуса PTFE остава стабилен (до 260 градуса), но за повечето процеси с хлор и бром-които работят под 120 градуса -PVDF е напълно подходящ.
Границите на концентрация са широки. PVDF е устойчив на мокър хлор от следи до 100% газова фаза, при условие че има влага (сухият хлорен газ може да реагира с PVDF при повишени температури). Що се отнася до брома, PVDF обработва течен бром, бромна вода и бромни пари в границите на температурната граница.
Предимства на механичната якост пред PTFE
Ключово предимство са превъзходните механични свойства на PVDF в сравнение с PTFE. Следната таблица обобщава сравнението:
| Собственост | PTFE | PVDF |
|---|---|---|
| Якост на опън (MPa) | 20–30 | 40–55 |
| Модул на огъване (MPa) | 500–700 | 2000–2500 |
| Удължение при скъсване (%) | 250–400 | 20–50 |
| Твърдост (Shore D) | 50–60 | 70–80 |
| Устойчивост на абразия | ниско | Умерено до високо |
PVDF е значително по-здрав и по-твърд. Това позволява проекти на топлообменници с по-тънки стени на тръбите-обикновено 0,5–1,0 mm за PVDF срещу 1,0–2,0 mm за PTFE. По-тънките стени водят до по-ниско термично съпротивление и подобрени коефициенти на топлопреминаване. PVDF кожух-и-тръбен топлообменник може да постигне общи коефициенти на топлопреминаване с 15–25% по-високи от еквивалентен PTFE модул, като се приеме същата геометрия.
По-високата механична якост също позволява по-високи стойности на налягането. PTFE топлообменниците обикновено са ограничени до 3–5 бара (45–75 psi) поради пълзене и студен поток. PVDF топлообменниците рутинно се справят с 8–10 бара (115–145 psi), а с подсилени черупки до 15 бара. Това прави PVDF подходящ за приложения, където налягането в тръбопровода е умерено, но надвишава възможностите на PTFE.
Устойчивостта на абразия е друга отличителна черта. При услуги, при които топлообменникът вижда суспендирани твърди частици, кристали (напр. сол в хлор-алкален солен разтвор) или турбулентен поток с увлечени частици, PTFE тръбите ерозират относително бързо. По-високата твърдост и устойчивост на абразия на PVDF значително удължават живота на тръбата.
Практически приложения в халогенната обработка
Системи за сушене на хлор
При производството на хлор мокрият хлор от електролизните клетки преминава през изсушаваща кула (обикновено концентрирана сярна киселина). Процесът на сушене е екзотермичен и изисква охлаждане. PVDF топлообменниците се използват широко като хлорни охладители преди или след изсушаване. Те са устойчиви както на мокър хлор (преди сушенето), така и на сух хлор със следи от влага (надолу), докато металите биха корозирали бързо.
Възстановяване на бром от саламура
Екстракцията на бром от морска вода или саламура от солено езеро включва окисление на бромид до бром с помощта на хлорен газ, последвано от дестилация с пара. Получените бромни пари се кондензират и пречистват. PVDF топлообменниците служат като кондензатори и охладители на продукта в тази услуга. Докладите от терен показват експлоатационен живот над 10 години в блоковете за регенериране на бром, докато PTFE топлообменниците на същото място показват повреди,-свързани с проникването след 3–5 години.
Охлаждане с белина и хипохлорит
Натриевият хипохлорит (белина) се разлага при повишени температури, освобождавайки кислород и топлина. PVDF топлообменниците охлаждат хипохлоритния разтвор по време на производството, за да поддържат стабилност. PTFE също е подходящ, но по-високата якост на PVDF позволява по-компактни,-рентабилни дизайни.
Ограничения и граници на съвместимост
PVDF не е универсален заместител на PTFE. Атакува се от силни полярни разтворители, включително:
Кетони (ацетон, метил етил кетон)
Естери (етил ацетат, бутил ацетат)
Някои етери (тетрахидрофуран)
Димяща сярна киселина (над 100% H₂SO₄)
Concentrated hot caustic (above 80 °C and >20% NaOH)
В тези среди PTFE остава предпочитаният материал. Освен това PVDF не може да се използва със сух хлорен газ при високи температури (над 135 градуса) или с хлорен трифлуорид. За услуги, надвишаващи 135 градуса или изискващи универсална химическа устойчивост, PTFE топлообменниците остават стандарт.
Таблица за съвместимост: PTFE срещу PVDF в халоген и подобни химикали
Следващата таблица предоставя общо ръководство за съвместимост на материали за топлообменник. Оценки: E=Отлично, G=Добро (незначителна атака), F=Справедливо (ограничено обслужване), X=Не се препоръчва.
| химически | Концентрация | температура | PTFE | PVDF |
|---|---|---|---|---|
| Хлор, мокър (газ) | Наситен | До 100 градуса | E | E |
| Хлор, мокър (газ) | Наситен | 100-135 градуса | E | G |
| Хлор, сух | 100% газ | До 100 градуса | E | F¹ |
| Бром, течност | 100% | До 100 градуса | E | E |
| Бром, течност | 100% | 100-135 градуса | E | G |
| Бромна вода | Наситен | До 100 градуса | E | E |
| Хлорен диоксид | Воден | До 80 градуса | E | E |
| Натриев хипохлорит | 15% | До 50 градуса | E | E |
| Солна киселина | 37% | До 100 градуса | E | E |
| Сярна киселина, димяща | >100% | 25 градуса | E | X |
| ацетон | 100% | 25 градуса | E | X |
| Етилацетат | 100% | 25 градуса | E | X |
| Натриев хидроксид | 50% | 80 градуса | E | F² |
¹ Сухият хлор при температури над 100 градуса може да причини разграждане на PVDF. Вместо това използвайте PTFE.
² PVDF е приемлив за непостоянна или ниска-концентрация каустик, но не и за непрекъснато обслужване при висока-температура, висока-концентрация.
Съображения за проектиране на PVDF топлообменници
При посочване на aPVDF топлообменник хлор бром услугаприложение, няколко фактора изискват внимание:
Дебелина на стената на тръбата:Въпреки здравината на PVDF, минималната дебелина от 0,8 mm се препоръчва за халогенни услуги, за да се осигури граница на безопасност срещу проникване и механични повреди.
Уплътнения и уплътнения:Използвайте уплътнения от PTFE или перфлуороеластомер (FFKM). PVDF уплътненията са склонни да пълзят. EPDM и FKM не са съвместими с халогени.
Пад на налягането:По-тънките тръби позволяват по-високи скорости на потока, но ерозията-корозията не е проблем за PVDF. Скорости до 3 m/s са приемливи от страната на тръбата.
Топлинно разширение:PVDF има коефициент на топлинно разширение приблизително 8 пъти по-голям от този на въглеродната стомана. Конструкциите на топлообменниците трябва да позволяват диференциално разширение чрез разширителни контури, силфони или плаващи тръбни листове.
Сравнение с други флуорополимерни алтернативи
ETFE (етилен тетрафлуороетилен) и ECTFE (етилен хлоротрифлуоретилен) също се използват в халогенното обслужване. И двата предлагат механична якост между PTFE и PVDF, с химическа устойчивост малко под PTFE, но над PVDF за някои разтворители. Въпреки това, PVDF обикновено е по-рентабилен-и по-лесно достъпен във форми на топлообменник (кожух-и-тръба, намотка, потапяне). Специално за брома и мокрия хлор дългогодишният опит на PVDF му дава предимство.
Заключение
PVDF топлообменниците запълват критична ниша в халогенните услуги, където тяхната специфична устойчивост на мокър хлор и течен бром, комбинирана с превъзходна механична якост, превъзхожда PTFE. По-тънките стени на тръбите, по-високите стойности на налягането, по-добрата устойчивост на абразия и по-ниските скорости на проникване правят PVDF икономически-ефективен и надежден избор за хлор-алкални процеси, възстановяване на бром и процеси на дезинфекция, работещи под 135 градуса. Изборът на материал обаче изисква подробно разбиране на химията на процеса-включително наличието на полярни разтворители, димящи киселини или сух-високотемпературен хлор-, където PTFE остава необходим. За по-голямата част от задачите за топлопредаване на хлор и бром, PVDF предлага завладяващ баланс на производителност и издръжливост.
