Πώς συγκρίνεται ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE με το PEEK σε Υψηλή-Θερμοκρασία ανταλλαγής θερμότητας οργανικού διαλύτη πάνω από 150 μοίρες;

Η πρόκληση του διαλύτη υψηλής-Θερμοκρασίας

Η φαρμακευτική σύνθεση, η ειδική χημική παραγωγή και οι εργασίες ανάκτησης διαλυτών θερμαίνουν τους οργανικούς διαλύτες στους 150-200 βαθμούς. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, οι διαλύτες γίνονται επιθετικοί προς τα πολυμερή υλικά μέσω διόγκωσης, διείσδυσης και πλαστικοποίησης. Ένα πολυμερές που είναι χημικά ανθεκτικό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος μπορεί να μαλακώσει, να διογκωθεί ή να διαλυθεί στους 180 βαθμούς.

Το PEEK-πολυαιθεραιθερκετόνη-είναι ένα θερμοπλαστικό υψηλής-απόδοσης με θερμοκρασία συνεχούς λειτουργίας 250 βαθμών και εξαιρετική χημική αντοχή. Χρησιμοποιείται σε απαιτητικές εφαρμογές αεροδιαστημικής, πετρελαίου και φυσικού αερίου και χημικής επεξεργασίας όπου αποτυγχάνουν άλλα πολυμερή. Το PTFE αξιολογείται επίσης για συνεχή εξυπηρέτηση 260 μοιρών με σχεδόν-καθολική χημική αντοχή.

Η επιλογή μεταξύ αυτών των δύο πολυμερών υψηλής ποιότητας για ανταλλαγή θερμότητας με διαλύτη εξαρτάται από τις θεμελιωδώς διαφορετικές αποκρίσεις τους στην έκθεση σε οργανικούς διαλύτες σε υψηλή θερμοκρασία.

Η διαφορά διόγκωσης και διείσδυσης

Οι οργανικοί διαλύτες διεισδύουν στα πολυμερή με διάχυση στον ελεύθερο όγκο μεταξύ των πολυμερών αλυσίδων. Η έκταση της απορρόφησης εξαρτάται από την αντιστοιχία παραμέτρων διαλυτότητας μεταξύ του διαλύτη και του πολυμερούς και από την ποσότητα του ελεύθερου όγκου στη δομή του πολυμερούς.

Το PEEK είναι ένα ημι-κρυσταλλικό πολυμερές με άκαμπτο αρωματικό σκελετό. Η ακαμψία περιορίζει τον ελεύθερο όγκο και μειώνει την απορρόφηση του διαλύτη σε σύγκριση με πιο εύκαμπτα πολυμερή. Στους περισσότερους οργανικούς διαλύτες σε θερμοκρασίες κάτω των 150 βαθμών, το PEEK απορροφά λιγότερο από 2% διαλύτη κατά βάρος και διατηρεί καλά τις μηχανικές του ιδιότητες.

Πάνω από 150 μοίρες, η κατάσταση αλλάζει. Η αυξημένη θερμική ενέργεια διευρύνει τον ελεύθερο όγκο. Τα μόρια του διαλύτη διεισδύουν βαθύτερα. Η απορρόφηση αυξάνεται. Ο απορροφούμενος διαλύτης πλαστικοποιεί το πολυμερές-τα μόρια του διαλύτη λειτουργούν ως εσωτερικά λιπαντικά μεταξύ των πολυμερών αλυσίδων, μειώνοντας την αντοχή και την ακαμψία. Ένα εξάρτημα PEEK που είναι διαστατικά σταθερό και μηχανικά υγιές στους 120 βαθμούς μπορεί να διογκωθεί και να μαλακώσει στους 180 βαθμούς στον ίδιο διαλύτη.

Το PTFE ανταποκρίνεται διαφορετικά. Οι δεσμοί άνθρακα-φθορίου δημιουργούν ένα πολυμερές με πολύ χαμηλή συνεκτική ενεργειακή πυκνότητα-οι διαμοριακές δυνάμεις μεταξύ των αλυσίδων είναι αδύναμες. Οι διαλύτες που απορροφώνται από τα περισσότερα πολυμερή βρίσκουν μικρή θερμοδυναμική έλξη στο PTFE. Η παράμετρος διαλυτότητας του PTFE είναι περίπου 6,2 (cal/cm³)^(1/2), μακριά από τους περισσότερους οργανικούς διαλύτες. Η απορρόφηση είναι ελάχιστη ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες.

Πίνακας 1: PTFE έναντι PEEK σε έκθεση σε οργανικό διαλύτη στις 180 μοίρες

Η διάκριση Stress Cracking

Το PEEK είναι ευαίσθητο σε ρωγμές από περιβαλλοντικές καταπονήσεις σε ορισμένους οργανικούς διαλύτες σε υψηλή θερμοκρασία. Όταν ένα καταπονημένο συστατικό PEEK εκτίθεται σε έναν διαλύτη που έχει κάποια συγγένεια για το πολυμερές, τα μόρια του διαλύτη συγκεντρώνονται σε συγκεντρώσεις τάσεων-επιφανειακά ελαττώματα, σημάδια μηχανικής επεξεργασίας ή σημεία σύσφιξης. Η τοπική πλαστικοποίηση προκαλεί μικρο-ρωγμές που διαδίδονται αργά μέσα στο υλικό.

Η ευαισθησία εξαρτάται από τον συγκεκριμένο διαλύτη, το επίπεδο τάσης και τη θερμοκρασία. Είναι δύσκολο να προβλεφθεί για νέες ή μικτές συνθέσεις διαλυτών. Ένας εναλλάκτης θερμότητας που λειτουργεί άψογα σε περιβάλλον δοκιμής μπορεί να αποτύχει πρόωρα στην παραγωγή λόγω μικρής ακαθαρσίας διαλύτη ή ελαφρώς διαφορετικής θερμοκρασίας λειτουργίας.

Το PTFE δεν έχει γνωστή ευαισθησία σε ρωγμές στο περιβάλλον σε οργανικούς διαλύτες. Ο δεσμός άνθρακα-φθορίου είναι πολύ ισχυρός για να διαταραχθεί τα μόρια του διαλύτη. Η χαμηλή συνεκτική ενεργειακή πυκνότητα του υλικού σημαίνει ότι ακόμη και οι διαλύτες που απορροφούν ελαφρώς δεν μπορούν να συγκεντρωθούν αρκετά σε σημεία τάσης για να ξεκινήσουν το ράγισμα.

Το ερπυσμό και το όριο πίεσης-απενεργοποιούνται

Εκεί που το PEEK έχει ένα πλεονέκτημα είναι η αντίσταση ερπυσμού. Η άκαμπτη αρωματική ραχοκοκαλιά του PEEK παρέχει καλύτερη αντίσταση στον ερπυσμό υπό φορτίο από το PTFE στην ίδια θερμοκρασία. Ένας σωλήνας PEEK υπό εσωτερική πίεση ατμού στις 180 μοίρες σέρνεται πιο αργά από έναν σωλήνα PTFE υπό τις ίδιες συνθήκες.

Το τροποποιημένο PTFE, με τα συμμονομερή πλευρικών-διακλαδώσεων, κλείνει μεγάλο μέρος αυτού του κενού. Σε 180 μοίρες και μέτριες πιέσεις ατμού (2-4 barg), το τροποποιημένο PTFE παρέχει επαρκή διάρκεια ερπυσμού για 5-10 χρόνια σέρβις. Για εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερες πιέσεις ατμού στους 180 μοίρες, η ανώτερη αντίσταση ερπυσμού του PEEK μπορεί να δικαιολογήσει το υψηλότερο κόστος υλικού και την πιο περιορισμένη συμβατότητα με διαλύτες.

Περίληψη

Το PTFE ξεπερνά το PEEK σε υπηρεσία ζεστού οργανικού διαλύτη πάνω από 150 μοίρες, όπου η διόγκωση του διαλύτη, η διείσδυση και η ρωγμάτωση της τάσης είναι οι κυρίαρχες ανησυχίες. Η παράμετρος χαμηλής διαλυτότητας του PTFE και οι ισχυροί δεσμοί C-F παρέχουν σχεδόν-μηδενική απορρόφηση διαλύτη και ανοσία στη διάσπαση λόγω τάσης. Το PEEK είναι ευαίσθητο σε διόγκωση και ρωγμές στο περιβάλλον σε ορισμένους διαλύτες σε υψηλές θερμοκρασίες.

Το πλεονέκτημα του PEEK είναι η ανώτερη αντίσταση ερπυσμού, η οποία μπορεί να είναι καθοριστική σε εφαρμογές ατμού υψηλής-πίεσης. Για τα περισσότερα καθήκοντα θέρμανσης με οργανικούς διαλύτες εντός των ορίων πίεσης του PTFE, το PTFE παρέχει την ευρύτερη χημική συμβατότητα και την απαλλαγή από τον κίνδυνο πυρόλυσης λόγω πίεσης.

Η μηχανική ανάλυση για την επιλογή πολυμερών εναλλάκτη θερμότητας θερμού διαλύτη είναι διαθέσιμη μετά την υποβολή της ταυτότητας και της συγκέντρωσης του διαλύτη, της θερμοκρασίας και πίεσης λειτουργίας, του χρόνου λειτουργίας θερμότητας και τυχόν προηγούμενων αποτελεσμάτων δοκιμών συμβατότητας πολυμερούς.