저항 격차를 유발하는 분자 차이
PTFE와 PVDF의 차이점은 탄소-수소 결합에 있습니다. PVDF는 비닐리덴 플루오라이드의 공중합체로, 분자 구조에는 PTFE에 없는 탄소{2}}수소 결합이 포함되어 있습니다. 탄소-수소 결합은 탄소-불소 결합보다 약하며, 산화 공격이 시작되는 부위입니다.
PTFE에는 탄소-수소 결합이 없는 완전 불소화 탄소 백본이 있습니다. 탄소-불소 결합은 유기화학에서 가장 강력한 결합 중 하나이며 결합 에너지는 약 485kJ/mol입니다. 산화성 산은 260도 이하의 온도에서는 이 결합을 끊을 만큼 충분한 에너지를 갖고 있지 않습니다.
PVDF에는 결합 에너지가 약 413kJ/mol인 탄소-수소 결합이 있습니다. 그 차이는 약 15%이지만 내산화성에 대한 실질적인 효과는 훨씬 더 큽니다. PVDF에 대한 산화 공격은 탄소-수소 결합에서 시작되고 분해는 폴리머 사슬을 따라 전파됩니다. 산화 속도는 온도와 산화 산의 농도에 따라 증가합니다.
산화성 내산성 비교
산화성 산에 대한 PTFE 및 PVDF의 저항성은 특정 산, 농도 및 온도에 따라 달라집니다.
질산.PTFE는 최대 70% 농도와 최대 200도 온도에서 질산에 저항합니다. PVDF는 최대 50% 농도와 최대 100도 온도에서 질산에 저항합니다. 이러한 한계를 초과하면 PVDF가 공격을 받고 재료가 저하됩니다.
크롬산.PTFE는 최대 50% 농도와 최대 150도 온도에서 크롬산에 저항합니다. PVDF는 최대 30% 농도와 최대 80도 온도에서 크롬산에 저항합니다. 이러한 한계를 초과하면 PVDF가 공격을 받고 재료가 변색되고 부서지기 쉽습니다.
과염소산.PTFE는 최대 70% 농도와 최대 150도 온도에서 과염소산에 저항합니다. PVDF는 최대 30% 농도와 최대 60도 온도에서 과염소산에 저항합니다. 과염소산은 강력한 산화 잠재력 때문에 PVDF에 특히 공격적입니다.
과산화수소.PTFE는 최대 50% 농도와 최대 100도 온도에서 과산화수소에 저항합니다. PVDF는 최대 30% 농도와 최대 60도 온도에서 과산화수소에 저항합니다. 과산화수소가 분해되면 PVDF를 공격하는 산소 라디칼이 생성됩니다.
열전도도 비교
PTFE와 PVDF는 열전도율이 비슷합니다. PTFE의 전도도는 0.25W/m·K이고, PVDF의 전도도는 0.19W/m·K입니다. 차이는 작으며 주어진 열 부하에 필요한 표면적에 큰 영향을 미치지 않습니다.
두 재료의 전체 열 전달 계수는 벽 저항이 아닌 유막 저항에 의해 지배됩니다. 액체-대-액체 서비스에서 PTFE 열 교환기의 전체 계수는 일반적으로 200~300W/m²·K이고, PVDF 열 교환기의 계수는 일반적으로 180~280W/m²·K입니다. 그 차이는 10% 미만이며 이는 열 전달 계산의 불확실성 내에 있습니다.
따라서 열전도도 비교는 두 재료 모두 의미 있는 방식으로 선호되지 않습니다. 선택은 화학적 호환성과 기계적 특성을 기반으로 해야 합니다.
산화성 산 서비스의 두 가지 재료 비교
다음 표에는 30% 질산을 사용하여 60도에서 산화성 산 서비스를 수행하는 PTFE 및 PVDF 열 교환기의 성능 및 비용 특성이 요약되어 있습니다.
| 특성 | PTFE 열교환기 | PVDF 열교환기 | 이점 |
|---|---|---|---|
| 열전도율 | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| 전체 열전달 계수 | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| 최대 작동 온도 | 260도 | 150도 | PTFE |
| 질산 저항 한계 | 200도에서 70% | 100도에서 50% | PTFE |
| 크롬산 저항 한계 | 150도에서 50% | 80도에서 30% | PTFE |
| 과염소산 저항 한계 | 150도에서 70% | 60도에서 30% | PTFE |
| 과산화수소 저항 한계 | 100도에서 50% | 60도에서 30% | PTFE |
| 기계적 강도 | 보통의 | 높은 | PVDF |
| 최대 작동 압력 | 0.5MPa | 1.0MPa | PVDF |
| 산화성 산 서비스의 수명 | 12~18세 | 5~8년 | PTFE |
| 30kW 의무에 대한 자본 비용 | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| 설치비용 | $3,000 | $3,000 | 동일한 |
| 연간 유지관리 비용 | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| 5-년 총 비용 | $47,500 | $53,000 | PTFE |
5년-년 총 비용 값은 시간당 생산 가치를 500달러로 가정하고 5년간의 자본 비용, 설치 비용, 유지 관리 비용을 포함합니다.
PVDF가 더 나은 선택일 때
PVDF는 여러 특정 응용 분야에서 더 나은 선택입니다.
저온-서비스.40도 이하의 온도에서 PVDF는 대부분의 산화성 산에 어려움 없이 저항하며, 낮은 자본 비용으로 인해 PVDF가 선호됩니다.
저-집중도 서비스.20% 미만의 농도에서 PVDF는 최대 60도까지의 온도에서 대부분의 산화성 산에 저항하며, 낮은 자본 비용으로 인해 PVDF가 선호됩니다.
고압-서비스.PVDF는 PTFE보다 기계적 강도가 더 높고 더 높은 압력을 견딜 수 있습니다. 5bar 이상의 압력에서 산성 서비스를 산화하는 경우 PVDF가 유일하게 실행 가능한 옵션일 수 있습니다.
중요하지 않은-서비스.열 교환기가 공정에 중요하지 않고 교체 비용이 허용 가능한 경우 PVDF는 저렴한 비용으로 적절한 성능을 제공합니다.
짧은 서비스 수명 요구 사항.열 교환기의 사용 수명이 5년 이하로 예상되는 경우 PVDF가 적합하고 가격도 저렴합니다.
PTFE가 더 나은 선택일 때
PTFE는 여러 특정 응용 분야에서 더 나은 선택입니다.
고온-서비스.60도 이상의 온도에서 PTFE는 PVDF보다 산화성 산에 더 잘 견디며 수명이 더 깁니다.
집중도가 높은-서비스입니다.30% 이상의 농도에서 PTFE는 PVDF보다 산화성 산에 더 잘 저항합니다.
과염소산 서비스.PVDF는 낮은 농도와 온도에서 공격을 받기 때문에 PTFE는 과염소산 서비스에 사용할 수 있는 유일한 불소 중합체입니다.
긴 서비스 수명 요구 사항.열 교환기의 사용 수명이 10년 이상으로 예상되는 경우 PTFE는 장기간에 걸쳐 화학적 공격에 저항하므로 더 나은 선택입니다.
중요한 서비스.열 교환기가 공정에 중요하고 가동 중지 시간 비용이 높을 경우 실패 확률이 낮기 때문에 PTFE가 더 나은 선택입니다.
서비스 수명을 연장하는 설계 기능
여러 가지 설계 기능으로 산화성 산성 서비스에서 PTFE 및 PVDF 열교환기의 서비스 수명이 연장됩니다.
작동 온도를 낮추십시오.작동 온도를 낮추면 산화 속도가 감소하고 두 재료의 사용 수명이 연장됩니다.
농도가 낮습니다.산 농도를 낮추면 산화 속도가 감소하고 수명이 연장됩니다.
유속 제어.적당한 유속을 유지하면 경계층 두께가 감소하고 튜브 표면의 산화종 농도가 감소합니다.
-현장 청소 조항.세척액 공급 및 회수 연결을 통해 열교환기를 분해하지 않고 세척할 수 있어 가동 중단 시간과 생산 손실이 줄어듭니다.
온도 모니터링.열 교환기 입구 및 출구에 있는 온도 센서를 통해 열 전달 성능을 모니터링할 수 있으므로 오염이나 성능 저하를 조기에 감지할 수 있습니다.
산화성 산성 서비스의 사양 매개변수
산화성 산성 서비스용 PTFE 및 PVDF 열교환기를 평가하는 장비 엔지니어는 공급업체와 함께 다음 매개변수를 확인해야 합니다.
산성 화학.농도와 오염물질을 포함한 산 조성을 지정합니다.
작동 온도.최대 작동 온도와 예상 온도 프로필을 지정합니다.
작동 압력.최대 작동 압력을 지정하십시오.
열 부하 및 표면적.각 재료 옵션에 대해 열부하와 필요한 표면적을 지정합니다.
화학적 호환성.재료가 작동 온도 및 농도에서 특정 산과 호환되는지 확인하십시오.
서비스 수명 요구 사항.예상 사용 수명과 교체 일정을 지정하십시오.
유지보수 능력.현장에서 열교환기를 수리하는 능력을 포함하여 시설의 유지관리 능력을 지정합니다.
생산 가치 및 가동 중지 시간 비용.총 소유 비용 분석을 시설에 맞게 조정할 수 있도록 생산 가치와 가동 중지 시간 비용을 제공합니다.
산화성 산성 서비스 조건에 맞는 재료 선택
산화성 산성 서비스에서 PTFE와 PVDF 열교환기 사이의 선택은 산성 화학, 온도, 농도 및 서비스 수명 요구 사항에 따라 달라집니다. PVDF는 자본 비용이 낮고 기계적 강도가 높지만 온도가 높고 농도가 높을 때 산화 공격에 더 취약합니다. PTFE는 자본 비용이 높지만 공격적인 산화성 산 서비스에서 사용 수명이 더 깁니다.
선택 결정은 자본 비용, 유지 관리 비용 및 생산 손실 노출을 통합하는 시설{0}}별 분석을 기반으로 해야 합니다. 이러한 비용 구성 요소가 포함된 간단한 스프레드시트 모델은 결정을 내리는 데 필요한 정보를 제공합니다.
열교환기 옵션을 평가하는 산화산 서비스 시설의 경우 자재 선택은 자본 비용뿐만 아니라 예상 서비스 수명에 대한 총 소유 비용을 기준으로 해야 합니다. 자본 비용이 낮은 PVDF 장치는 더 자주 교체해야 하는 경우 수명 비용이 더 높을 수 있습니다.
산화성 산 또는 기타 부식성 서비스에 대한 PTFE 열교환기 사양을 평가하는 장비 엔지니어 및 조달 전문가는 산성 화학, 작동 온도, 작동 압력, 화학적 호환성 및 서비스 수명 요구 사항을 다루는 설계 검토를 요청하여 재료 선택이 시설의 실제 서비스 조건 및 비용 구조와 일치하는지 확인할 수 있습니다.
