ปัญหาฝ้าเพดานอุณหภูมิ
การกัดสารเคมีของส่วนประกอบอะลูมิเนียมและไทเทเนียมในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศใช้สารกัดกรดอัลคาไลน์ที่มีโซเดียมไฮดรอกไซด์ ไตรเอทาโนลามีน และโลหะที่ละลายอยู่ อ่างน้ำทำงานที่อุณหภูมิ 80-110 องศา ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของโลหะผสมและอัตราการกัดกรด เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะต้องส่งความร้อนที่สม่ำเสมอในสารละลายที่โจมตีวัสดุส่วนใหญ่ทางเคมี
PVDF ดูเหมือนเหมาะสมในการประเมินครั้งแรก ทนทานต่อด่างแก่ที่อุณหภูมิปานกลาง สามารถหลอมละลายได้-ทำให้สามารถออกแบบท่อร่วมที่ซับซ้อนได้ มีค่าใช้จ่ายน้อยกว่า PTFE โรงงานโรงสีเคมีหลายแห่งใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PVDF ที่อุณหภูมิอ่างต่ำกว่า 80 องศาได้สำเร็จ
ข้อจำกัดเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิอาบน้ำเกิน 90 องศา คุณสมบัติทางกลของ PVDF จะลดลงอย่างรวดเร็วเหนือเกณฑ์นี้ โพลีเมอร์จะอ่อนตัวลง คืบคลานภายใต้ภาระ และเสี่ยงต่อการแตกร้าวจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อมเมื่อมีสารประกอบเอมีนในไตรเอทาโนลามีน PTFE ซึ่งมีความสามารถด้านอุณหภูมิที่สูงกว่าและทนต่อสารเคมีที่เหนือกว่า ยังคงทำงานได้อย่างสมบูรณ์ตลอดช่วงการทำงานทั้งหมด
ข้อจำกัดอุณหภูมิ PVDF
PVDF มีระดับอุณหภูมิการบริการต่อเนื่องที่ 150 องศาในอากาศ การให้คะแนนนี้บ่งชี้ถึงอัตรากำไรที่เพียงพอสำหรับการอาบสารเคมี 110 องศา แต่การจัดระดับนี้ใช้กับวัสดุที่ไม่รับแรงในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย ภายในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ท่อ PVDF ประสบกับความเค้นแบบห่วงจากแรงดันไอน้ำภายใน ความเค้นดัดจากน้ำหนักตัวเอง-ระหว่างส่วนรองรับ และการสัมผัสสารเคมีจากสารละลายอัลคาไลน์ไตรเอทาโนลามีน การรวมกันนี้ช่วยลดเพดานการทำงานในทางปฏิบัติลงอย่างมาก
ที่ 90-100 องศา โมดูลัสยืดหยุ่นของ PVDF จะลดลงเหลือประมาณ 20% ของค่าอุณหภูมิห้อง ท่อย้อยระหว่างส่วนรองรับ การคืบคลานภายใต้แรงดันไอน้ำจะเร่งความเร็ว วัสดุจะนิ่มลงจนถึงจุดที่การเชื่อมต่อของแคลมป์สูญเสียการยึดเกาะ ท่อร่วมบิดเบี้ยว และท่อสามารถดึงออกจากข้อต่อได้
ที่ 110 องศา ซึ่งอ่างกัดสารเคมีหลายแห่งต้องการอัตราการกัดกรดอย่างรวดเร็วบนโลหะผสมไททาเนียม PVDF ก็ใกล้จะถึงขีดจำกัดทางกลในทางปฏิบัติแล้ว กระบวนการใดก็ตามที่ทำให้อุณหภูมิอ่างสูงขึ้นแม้เพียงช่วงสั้นๆ-วาล์วควบคุมไอน้ำทำงานผิดปกติ ปั๊มหมุนเวียนขัดข้อง-อาจทำให้ส่วนประกอบ PVDF เสียรูปหรือล้มเหลวอย่างถาวร
ตารางที่ 1: ประสิทธิภาพของ PTFE เทียบกับ PVDF ในอ่างกัดสารเคมีอัลคาไลน์ไตรเอทานอลลามีน
| คุณสมบัติด้านประสิทธิภาพ | พีวีดีเอฟ | ไฟเบอร์ |
|---|---|---|
| อุณหภูมิบริการต่อเนื่องสูงสุด (ไม่เน้น) | 150 องศา | 260 องศา |
| ขีดจำกัดการปฏิบัติงานจริงในอ่างที่มีฤทธิ์กัดกร่อน | 90-100 องศา | 200 องศา + |
| โมดูลัสยืดหยุ่นที่ 100 องศา (% ของสภาพแวดล้อม) | ~20% | ~40% |
| ความต้านทานการคืบคลานที่ 100 องศาภายใต้ความเครียด | ยากจน | ดี |
| ความเครียดจากสิ่งแวดล้อมแตกตัวในไตรเอทาโนลามีน | อ่อนแอกว่า 80 องศา | มีภูมิคุ้มกัน |
| ทนต่อสารเคมีอัลคาไลน์ | ดีถึง pH 13 | ดีเยี่ยมถึง pH 14 |
| การนำความร้อน (W/m·K) | 0.17-0.19 | 0.25 |
| ต้นทุนสัมพัทธ์ (ท่อ) | 0.6-0.8× | 1.0× |
| ละลาย-แปรรูปได้ (สามารถเชื่อมได้) | ใช่ | เลขที่ |
ผลของไตรเอทาโนลามีน
ไตรเอทาโนลามีนเป็นเอมีนอินทรีย์ที่ใช้ในสารละลายการกัดสารเคมีเพื่อควบคุมอัตราการกัดกรดและผิวสำเร็จ ทำหน้าที่เป็นสารก่อเชิงซ้อนสำหรับอะลูมิเนียมละลาย ป้องกันการตกตะกอนบนพื้นผิวชิ้นงาน นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นตัวแทนการแตกร้าวความเครียดจากสิ่งแวดล้อมสำหรับ PVDF
การแตกร้าวจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อมเกิดขึ้นเมื่อโพลีเมอร์ที่เกิดความเครียดสัมผัสกับสารเคมีเฉพาะที่เร่งการเกิดรอยแตกร้าว สารเคมีไม่ละลายหรือกัดกร่อนโพลีเมอร์ในปริมาณมาก-PVDF ที่แช่อยู่ในสารละลายไตรเอทาโนลามีนแบบไม่มีความเครียดอาจไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงที่มองเห็นได้เป็นเวลาหลายปี แต่เมื่อโพลีเมอร์อยู่ภายใต้แรงดึงจากแรงดันภายในหรือการดัดงอ และโมเลกุลไตรเอทาโนลามีนทะลุผ่านช่องว่างขนาดเล็ก-ของพื้นผิว การแตกร้าวจะเกิดขึ้นและแพร่กระจาย
ที่อุณหภูมิอ่างสูงกว่า 80 องศา การรวมกันของความแรงของ PVDF ที่ลดลงและกิจกรรมทางเคมีของไตรเอทาโนลามีนที่เพิ่มขึ้นจะสร้างสภาวะที่การแตกร้าวของความเครียดดำเนินไปอย่างรวดเร็ว รอยแตกร้าวเริ่มต้นที่จุดที่มีความเข้มข้นของความเค้น: แคลมป์รองรับ ส่วนโค้งของท่อ และการเชื่อมต่อส่วนหัว เมื่อเกิดรอยแตกร้าวจะแพร่กระจายผ่านผนังท่อ ทำให้เกิดไอน้ำรั่วหรือท่อแตก
PTFE มีภูมิต้านทานต่อการแตกร้าวจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อมโดยไตรเอทาโนลามีน พันธะคาร์บอน-ฟลูออรีนแรงเกินกว่าที่เอมีนจะรบกวนได้ ความต้านทานการคืบคลานที่สูงขึ้นของโพลีเมอร์ที่อุณหภูมิจะรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างภายใต้ความเครียด
การพิจารณาการถ่ายเทความร้อน
ค่าการนำความร้อนของ PVDF ที่ 0.17-0.19 W/m·K ต่ำกว่าของ PTFE 0.25 W/m·K เล็กน้อย PTFE ถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นประมาณ 30-40% ผ่านผนังท่อ สำหรับหน้าที่ความร้อนและขนาดท่อที่เท่ากัน คอยล์ PTFE ต้องการพื้นที่ผิวน้อยกว่า PVDF ที่เทียบเท่ากัน
ข้อได้เปรียบด้านความร้อนเพียงเล็กน้อยนี้ผสมผสานกับขีดจำกัดอุณหภูมิในการทำงานที่สูงขึ้นของ PTFE เพื่อให้สามารถออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดกะทัดรัดมากขึ้นสำหรับอ่างกัดสารเคมี แรงดันไอน้ำที่อนุญาตได้สูงกว่าที่อุณหภูมิผนังท่อที่สูงขึ้นจะช่วยลดพื้นที่ผิวที่ต้องการต่อไปอีก
สรุป
PTFE มีประสิทธิภาพเหนือกว่า PVDF ในอ่างกัดสารเคมีที่อุณหภูมิสูง-ที่มีสารกัดกร่อนและไตรเอทานอลลามีน เนื่องจาก PTFE รักษาความสมบูรณ์ทางกลและความทนทานต่อสารเคมีที่อุณหภูมิอ่างสูงถึง 200 องศา ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัดในทางปฏิบัติของ PVDF ที่ 90-100 องศา ไตรเอทาโนลามีนเร่งการแตกตัวของความเครียดจากสิ่งแวดล้อมใน PVDF ที่มีความเครียดที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเป็นกลไกความล้มเหลวที่ PTFE มีภูมิต้านทาน
ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนเริ่มต้นเล็กน้อยของ PVDF จะถูกลบโดยต้นทุนการเปลี่ยนเมื่อหน่วย PVDF ทำงานล้มเหลวก่อนเวลาอันควรที่อุณหภูมิการทำงานสูง PTFE ให้บริการระยะยาว-ที่เชื่อถือได้โดยไม่มีข้อจำกัดด้านอุณหภูมิและการสัมผัสสารเคมีที่จำกัด PVDF ให้ใช้งาน-การกัดสารเคมีที่อุณหภูมิต่ำลง
การวิเคราะห์ทางวิศวกรรมสำหรับการเลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE เทียบกับ PVDF ในการใช้งานการกัดสารเคมีเฉพาะนั้นสามารถทำได้โดยส่งเคมีของอ่าง อุณหภูมิการทำงาน แรงดันไอน้ำ และประวัติการบริการตัวแลกเปลี่ยนความร้อนก่อนหน้า
