การจัดการก๊าซคลอรีนเปียกหรือโบรมีนเหลวเป็นเรื่องยากอย่างฉาวโฉ่-ฮาโลเจนเหล่านี้โจมตีโลหะหลายชนิด และอาจแทรกซึมหรือเกิดความเครียด-ทำให้ฟลูออโรโพลีเมอร์บางชนิดแตกร้าวได้ PVDF (โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์) ได้กลายเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในบริการเชิงรุกเหล่านี้ เนื่องจากมีการผสมผสานระหว่างความต้านทานและความแข็งแกร่งที่เป็นเอกลักษณ์ สำหรับวิศวกรกระบวนการที่ออกแบบหน่วยนำโบรมีนกลับมาใช้ใหม่ ระบบอบแห้งคลอรีน หรือถังสัมผัสสำหรับการฆ่าเชื้อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PVDF นำเสนอความสมดุลที่น่าสนใจระหว่างความเข้ากันได้ทางเคมีและความทนทานเชิงกล ซึ่งมักจะเหนือกว่าโซลูชันที่ใช้ PTFE{4}} แบบดั้งเดิม
ความทนทานต่อสารเคมีของ PVDF ในสภาพแวดล้อมแบบฮาโลเจน
PVDF เป็นฟลูออโรโพลีเมอร์กึ่ง-ผลึกที่มีหมู่ CH₂ และ CF₂ สลับกัน โครงสร้างนี้ให้ความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อสารออกซิไดซ์ รวมถึงคลอรีนเปียก คลอรีนไดออกไซด์ ไฮโปคลอไรต์ และโบรมีนเหลว PVDF แตกต่างจากฟลูออโรโพลีเมอร์อื่นๆ ตรงที่ไม่มีการซึมผ่านหรือรอยแตกร้าวจากความเค้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อสัมผัสกับฮาโลเจนเหล่านี้ภายใต้สภาวะการทำงานทั่วไป
ประสบการณ์ภาคสนามแสดงให้เห็นว่า PTFE สามารถทนทุกข์ทรมานจากการซึมผ่านในการให้บริการคลอรีนเปียก-ในระยะยาว โมเลกุลของคลอรีนจะค่อยๆ กระจายผ่านเมทริกซ์ PTFE ซึ่งอาจทำให้เกิดการพองตัวหรือการแยกตัวในท่อแลกเปลี่ยนความร้อน โครงสร้างผลึกที่หนาแน่นขึ้นของ PVDF และปริมาตรอิสระที่ลดลงจะช่วยลดอัตราการซึมผ่านของฮาโลเจนตามลำดับความสำคัญหรือมากกว่า เพราะเหตุนี้,บริการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนคลอรีนโบรมีน PVDFการใช้งานมีการเติบโตอย่างต่อเนื่องในพืชคลอร์-ด่าง โรงงานสกัดโบรมีน และระบบบำบัดน้ำ
อุณหภูมิบริการสูงสุดและขีดจำกัดความเข้มข้น
PVDF รักษาความต้านทานต่อฮาโลเจนไว้ที่อุณหภูมิการใช้งานต่อเนื่องสูงสุดประมาณ 135 องศา (275 องศา F) ในช่วงนี้ PVDF ทนทานต่อก๊าซคลอรีนเปียก (อิ่มตัวด้วยไอน้ำ) และโบรมีนเหลวโดยไม่สลายตัว ที่อุณหภูมิสูงกว่า 135 องศา PTFE จะยังคงมีเสถียรภาพ (สูงถึง 260 องศา) แต่สำหรับกระบวนการคลอรีนและโบรมีนส่วนใหญ่-ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 120 องศา -PVDF ก็เพียงพอแล้ว
ขีดจำกัดความเข้มข้นนั้นกว้าง PVDF ต้านทานคลอรีนเปียกจากระดับร่องรอยจนถึงเฟสก๊าซ 100% หากมีความชื้น (ก๊าซคลอรีนแห้งสามารถทำปฏิกิริยากับ PVDF ที่อุณหภูมิสูงได้) สำหรับโบรมีน PVDF จะจัดการกับโบรมีนเหลว น้ำโบรมีน และไอโบรมีนภายในขีดจำกัดอุณหภูมิ
ข้อดีด้านความแข็งแรงทางกลเหนือ PTFE
ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าของ PVDF เมื่อเปรียบเทียบกับ PTFE ตารางต่อไปนี้สรุปการเปรียบเทียบ:
| คุณสมบัติ | ไฟเบอร์ | พีวีดีเอฟ |
|---|---|---|
| ความต้านแรงดึง (MPa) | 20–30 | 40–55 |
| โมดูลัสแรงดัดงอ (MPa) | 500–700 | 2000–2500 |
| การยืดตัวที่จุดขาด (%) | 250–400 | 20–50 |
| ความแข็ง (ฝั่ง D) | 50–60 | 70–80 |
| ทนต่อการขัดถู | ต่ำ | ปานกลางถึงสูง |
PVDF มีความแข็งแกร่งและแข็งแกร่งกว่าอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งช่วยให้สามารถออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีผนังท่อที่บางกว่า-โดยทั่วไป 0.5–1.0 มม. สำหรับ PVDF เทียบกับ 1.0–2.0 มม. สำหรับ PTFE ผนังที่บางลงส่งผลให้ความต้านทานความร้อนลดลงและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนดีขึ้น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือก PVDF-และ-แบบท่อสามารถให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมสูงกว่าหน่วย PTFE ที่เทียบเท่ากัน 15–25% โดยถือว่ามีรูปทรงเดียวกัน
ความแข็งแรงทางกลที่สูงขึ้นยังช่วยให้พิกัดแรงดันสูงขึ้นอีกด้วย โดยทั่วไปตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE จะถูกจำกัดอยู่ที่ 3–5 บาร์ (45–75 psi) เนื่องจากการคืบคลานและการไหลเย็น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PVDF จัดการกับแรงดัน 8–10 บาร์ (115–145 psi) เป็นประจำ และรองรับเปลือกเสริมได้ถึง 15 บาร์ ทำให้ PVDF เหมาะสำหรับการใช้งานที่แรงดันในท่ออยู่ในระดับปานกลางแต่เกินความสามารถของ PTFE
ความต้านทานต่อการขัดถูเป็นอีกความแตกต่างหนึ่ง ในบริการที่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนมองเห็นของแข็งแขวนลอย ผลึก (เช่น เกลือในน้ำเกลือคลอร์-) หรือการไหลเชี่ยวที่มีอนุภาคที่กักไว้ ท่อ PTFE จะกัดเซาะค่อนข้างเร็ว ความแข็งและความต้านทานต่อการเสียดสีที่สูงขึ้นของ PVDF ช่วยยืดอายุการใช้งานของท่อได้อย่างมาก
การใช้งานจริงในการประมวลผลด้วยฮาโลเจน
ระบบอบแห้งคลอรีน
ในการผลิตคลอรีน คลอรีนเปียกจากเซลล์อิเล็กโทรไลซิสจะผ่านหอทำให้แห้ง (โดยทั่วไปคือกรดซัลฟิวริกเข้มข้น) กระบวนการอบแห้งเป็นแบบคายความร้อนซึ่งต้องใช้ความเย็น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PVDF ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเครื่องทำความเย็นคลอรีนก่อนหรือหลังการอบแห้ง ทนทานต่อทั้งคลอรีนเปียก (ต้นน้ำของการอบแห้ง) และคลอรีนแห้งที่มีความชื้นติดตาม (ปลายน้ำ) ในขณะที่โลหะจะสึกกร่อนอย่างรวดเร็ว
การกู้คืนโบรมีนจากน้ำเกลือ
การสกัดโบรมีนจากน้ำทะเลหรือน้ำเกลือในทะเลสาบเกลือเกี่ยวข้องกับการออกซิเดชันของโบรไมด์เป็นโบรมีนโดยใช้ก๊าซคลอรีน ตามด้วยการลอกไอน้ำ ไอโบรมีนที่เกิดขึ้นจะถูกควบแน่นและทำให้บริสุทธิ์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PVDF ทำหน้าที่เป็นคอนเดนเซอร์และเครื่องทำความเย็นผลิตภัณฑ์ในบริการนี้ รายงานภาคสนามระบุอายุการใช้งานเกิน 10 ปีในหน่วยนำโบรมีนกลับมาใช้ใหม่ ในขณะที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ในตำแหน่งเดียวกันแสดงความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับการซึมผ่าน{4}}หลังจาก 3-5 ปี
สารฟอกขาวและไฮโปคลอไรต์ คูลลิ่ง
โซเดียมไฮโปคลอไรต์ (สารฟอกขาว) สลายตัวที่อุณหภูมิสูง ปล่อยออกซิเจนและความร้อนออกมา เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PVDF จะระบายความร้อนให้กับสารละลายไฮโปคลอไรต์ในระหว่างการผลิตเพื่อรักษาเสถียรภาพ PTFE ก็เหมาะสมเช่นกัน แต่ความแข็งแกร่งที่สูงกว่าของ PVDF ช่วยให้การออกแบบมีขนาดกะทัดรัดและคุ้มค่ามากขึ้น-
ข้อจำกัดและขอบเขตความเข้ากันได้
PVDF ไม่ใช่สิ่งทดแทนสากลสำหรับ PTFE มันถูกโจมตีโดยตัวทำละลายที่มีขั้วรุนแรง รวมไปถึง:
คีโตน (อะซิโตน, เมทิลเอทิลคีโตน)
เอสเทอร์ (เอทิลอะซิเตต, บิวทิลอะซิเตต)
อีเทอร์บางชนิด (tetrahydrofuran)
กรดฟูมิงซัลฟิวริก (มากกว่า 100% H₂SO₄)
Concentrated hot caustic (above 80 °C and >นาโอห์ 20%)
ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ PTFE ยังคงเป็นวัสดุที่ต้องการ นอกจากนี้ PVDF ไม่สามารถใช้กับก๊าซคลอรีนแห้งที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 135 องศา) หรือกับคลอรีนไตรฟลูออไรด์ สำหรับบริการที่เกิน 135 องศาหรือต้องการความต้านทานต่อสารเคมีสากล เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ยังคงเป็นมาตรฐาน
ตารางความเข้ากันได้: PTFE กับ PVDF ในฮาโลเจนและสารเคมีที่เกี่ยวข้อง
ตารางต่อไปนี้ให้คำแนะนำความเข้ากันได้ทั่วไปสำหรับวัสดุแลกเปลี่ยนความร้อน การให้คะแนน: E=ดีเยี่ยม, G=ดี (โจมตีเล็กน้อย), F=พอใช้ (บริการจำกัด), X=ไม่แนะนำ
| เคมี | ความเข้มข้น | อุณหภูมิ | ไฟเบอร์ | พีวีดีเอฟ |
|---|---|---|---|---|
| คลอรีนเปียก(แก๊ส) | อิ่มตัว | สูงถึง 100 องศา | E | E |
| คลอรีนเปียก(แก๊ส) | อิ่มตัว | 100–135 องศา | E | G |
| คลอรีนแห้ง | แก๊ส 100% | สูงถึง 100 องศา | E | F¹ |
| โบรมีนของเหลว | 100% | สูงถึง 100 องศา | E | E |
| โบรมีนของเหลว | 100% | 100–135 องศา | E | G |
| น้ำโบรมีน | อิ่มตัว | สูงถึง 100 องศา | E | E |
| คลอรีนไดออกไซด์ | น้ำ | สูงถึง 80 องศา | E | E |
| โซเดียมไฮโปคลอไรต์ | 15% | สูงถึง 50 องศา | E | E |
| กรดไฮโดรคลอริก | 37% | สูงถึง 100 องศา | E | E |
| กรดซัลฟิวริก เป็นควัน | >100% | 25 องศา | E | X |
| อะซิโตน | 100% | 25 องศา | E | X |
| เอทิลอะซิเตต | 100% | 25 องศา | E | X |
| โซเดียมไฮดรอกไซด์ | 50% | 80 องศา | E | F² |
¹ คลอรีนแห้งที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาอาจทำให้ PVDF เสื่อมสภาพ ใช้ไฟเบอร์แทน
² PVDF ยอมรับได้สำหรับการกัดกร่อนที่มีความเข้มข้นสูง-เป็นช่วงๆ หรือต่ำ แต่ไม่สามารถใช้กับบริการที่มีความเข้มข้นสูง-อุณหภูมิสูง-อย่างต่อเนื่องได้
ข้อควรพิจารณาในการออกแบบสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PVDF
เมื่อระบุกบริการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนคลอรีนโบรมีน PVDFการใช้งาน มีหลายปัจจัยที่ต้องให้ความสนใจ:
ความหนาของผนังท่อ:แม้ว่า PVDF จะมีความแข็งแกร่ง แต่แนะนำให้ใช้ความหนาขั้นต่ำ 0.8 มม. สำหรับบริการฮาโลเจน เพื่อให้มีความปลอดภัยต่อการซึมผ่านและความเสียหายทางกล
ปะเก็นและซีล:ใช้ปะเก็น PTFE หรือเพอร์ฟลูออโรอีลาสโตเมอร์ (FFKM) ปะเก็น PVDF มีแนวโน้มที่จะคืบคลาน EPDM และ FKM เข้ากันไม่ได้กับฮาโลเจน
แรงดันตก:ท่อที่บางกว่าช่วยให้มีความเร็วการไหลสูงขึ้น แต่การกัดกร่อน-ไม่เป็นปัญหากับ PVDF ยอมรับความเร็วสูงสุด 3 เมตร/วินาทีที่ด้านข้างท่อ
การขยายตัวทางความร้อน:PVDF มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนประมาณ 8 เท่าของเหล็กกล้าคาร์บอน การออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนต้องรองรับการขยายตัวส่วนต่างผ่านลูปส่วนขยาย เครื่องเป่าลม หรือแผ่นท่อลอย
การเปรียบเทียบกับทางเลือกอื่นของฟลูออโรโพลีเมอร์
ETFE (เอทิลีนเตตราฟลูออโรเอทิลีน) และ ECTFE (เอทิลีนคลอโรไตรฟลูออโรเอทิลีน) ยังใช้ในบริการฮาโลเจนอีกด้วย ทั้งสองมีความแข็งแรงเชิงกลระหว่าง PTFE และ PVDF โดยมีความทนทานต่อสารเคมีต่ำกว่า PTFE เล็กน้อย แต่สูงกว่า PVDF สำหรับตัวทำละลายบางชนิด อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไป PVDF จะคุ้มค่ากว่า-และพร้อมใช้งานมากกว่าในรูปแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อน (เปลือก-และ-ท่อ ขดลวด การแช่) สำหรับโบรมีนและคลอรีนเปียกโดยเฉพาะ ประวัติการทำงานอันยาวนานของ PVDF ให้ความได้เปรียบ
บทสรุป
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ PVDF เติมเต็มช่องที่สำคัญในบริการฮาโลเจน โดยที่ความต้านทานเฉพาะต่อคลอรีนเปียกและโบรมีนเหลว รวมกับความแข็งแรงเชิงกลที่เหนือกว่า มีประสิทธิภาพเหนือกว่า PTFE ผนังท่อที่บางกว่า อัตราความดันที่สูงขึ้น ความต้านทานต่อการเสียดสีที่ดีขึ้น และอัตราการซึมผ่านที่ต่ำกว่า ทำให้ PVDF เป็นตัวเลือกที่คุ้มค่า{1}}มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้สำหรับคลอร์-อัลคาไล การนำโบรมีนกลับมาใช้ใหม่ และการฆ่าเชื้อที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 135 องศา อย่างไรก็ตาม การเลือกใช้วัสดุจำเป็นต้องมีความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับเคมีของกระบวนการ-รวมถึงการมีอยู่ของตัวทำละลายที่มีขั้ว กรดฟูมิง หรือ-คลอรีนแห้งที่อุณหภูมิสูง- โดยที่ยังคงจำเป็นต้องใช้ PTFE สำหรับหน้าที่การถ่ายเทความร้อนของคลอรีนและโบรมีนส่วนใหญ่ PVDF มอบความสมดุลที่น่าสนใจระหว่างประสิทธิภาพและความทนทาน
