Los dos materiales que parecen intercambiables en el papel
Una instalación de procesamiento químico especifica un intercambiador de calor para servicio de ácido sulfúrico a 150 grados. El documento de adquisición enumera el material del tubo como "PTFE o equivalente" y las dimensiones del tubo como 6 mm de diámetro exterior con una pared de 0,8 mm. Se reciben dos cotizaciones: una con tubos de PTFE y otra con tubos de PFA. La cotización de PFA es un 15% más alta y el plazo de entrega es cuatro semanas más.
La selección se realiza basándose en el precio más bajo y se pide la unidad de PTFE. La unidad se instala y funciona durante aproximadamente 14 meses antes de que se desarrolle una fuga en una unión de tubo-a-placa tubular. La inspección revela que el PTFE en la unión se ha deslizado y la soldadura se ha agrietado. La unidad de PFA, si se hubiera seleccionado, habría tenido una unión soldada con mayor resistencia a la fluencia a la temperatura de funcionamiento.
La decisión de selección, que parecía una simple comparación de precios, en realidad fue una decisión sobre la temperatura máxima de funcionamiento y la integridad de la unión de los dos materiales.
La diferencia de estructura química
Tanto el PTFE como el PFA son polímeros perfluorados, lo que significa que la columna vertebral de carbono está completamente protegida por átomos de flúor. La diferencia está en las cadenas laterales. El PTFE tiene una estructura lineal sin cadenas laterales. El PFA tiene una estructura lineal con cadenas laterales de perfluoroalcoxi que están unidas al esqueleto.
Las cadenas laterales del PFA alteran la cristalinidad del polímero y reducen la viscosidad de la masa fundida. La menor viscosidad de la masa fundida permite que el PFA se procese mediante extrusión por fusión y moldeo por inyección, lo que produce tubos y componentes con superficies más lisas y uniones soldadas más confiables que el PTFE.
La estructura lineal del PTFE produce una mayor cristalinidad, lo que le da al PTFE una mayor resistencia a la tracción, una mejor resistencia a la fluencia y una temperatura de servicio continuo más alta que el PFA.
La diferencia máxima de temperatura de funcionamiento
La temperatura máxima de servicio continuo para PTFE es de 260 grados y para PFA es de 260 grados. Los dos materiales tienen el mismo límite de temperatura nominal. La diferencia práctica aparece en el extremo elevado del rango, donde las propiedades mecánicas comienzan a divergir.
A 150 grados, ambos materiales conservan la resistencia mecánica adecuada para el servicio del intercambiador de calor. A 200 grados, el PTFE retiene aproximadamente el 70 % de su resistencia a la tracción a temperatura ambiente, mientras que el PFA retiene aproximadamente el 50 %. A 250 grados, el PTFE retiene aproximadamente el 50%, mientras que el PFA retiene aproximadamente el 30%.
La implicación práctica es que a temperaturas superiores a 200 grados, el PTFE es la mejor opción para componentes que contienen presión-, mientras que el PFA se limita a aplicaciones de menor-esfuerzo.
La diferencia de resistencia a la fluencia
La fluencia es la deformación lenta de un material bajo una carga sostenida. El PTFE tiene mejor resistencia a la fluencia que el PFA debido a su mayor cristalinidad y estructura lineal. La diferencia es particularmente significativa a temperatura elevada.
En un intercambiador de calor, los tubos y la placa de tubos están sometidos a una carga sostenida debido a la presión interna y la expansión térmica. Las uniones de tubo-a-placa tubular están sometidas a una carga sostenida debido a la compresión de la unión. Con el tiempo, el material se arrastra y la junta puede aflojarse.
El PTFE se arrastra a un ritmo menor que el PFA a la misma temperatura y tensión. En servicio a alta-temperatura, esta diferencia determina la vida útil de la junta. Una junta de PTFE puede durar entre 10 y 15 años, mientras que una junta de PFA puede durar entre 5 y 8 años.
La diferencia de integridad de la soldadura
El PFA se puede soldar de manera más confiable que el PTFE debido a su menor viscosidad en estado fundido. La zona de soldadura en PFA es más homogénea y la resistencia de la soldadura suele ser del 90 al 95% de la resistencia del material original. La zona de soldadura en PTFE es menos homogénea y la resistencia de la soldadura suele ser del 70 al 85% de la resistencia del material original.
La diferencia en la integridad de la soldadura es particularmente importante en las uniones de tubo-y-placa de tubos, que son los lugares más sometidos a tensión en el intercambiador de calor. Una junta de PFA es más confiable que una junta de PTFE y la vida útil de la junta de PFA es más larga.
La diferencia en la suavidad de la superficie
El PFA se puede extruir con una superficie más lisa que el PTFE debido a su menor viscosidad en estado fundido. La superficie más lisa reduce la adhesión de depósitos y partículas, lo que reduce la tasa de suciedad y la frecuencia de limpieza.
En el servicio con ácido a alta-temperatura, la superficie más suave del PFA es una ventaja porque el ácido puede formar depósitos en la superficie del tubo y los depósitos reducen el coeficiente de transferencia de calor. La superficie más lisa también reduce la generación de partículas, lo cual es importante en aplicaciones de alta-pureza.
Comparación de los dos materiales en servicio ácido a alta-temperatura
La siguiente tabla resume las características de rendimiento y costo de los intercambiadores de calor de PTFE y PFA en servicio de ácido sulfúrico a 150 grados con 50 % de ácido sulfúrico.
| Característica | Intercambiador de calor de PTFE | Intercambiador de calor PFA | Ventaja |
|---|---|---|---|
| Temperatura máxima de servicio continuo | 260 grados | 260 grados | Igual |
| Resistencia a la tracción a 150 grados. | 70% del RT | 60% del RT | PTFE |
| Resistencia a la tracción a 200 grados. | 50% del RT | 35% del RT | PTFE |
| Resistencia a la fluencia a 150 grados. | Alto | Moderado | PTFE |
| Resistencia a la fluencia a 200 grados. | Moderado | Bajo | PTFE |
| Fuerza de soldadura | 70-85% de los padres | 90-95% de los padres | PFA |
| Suavidad de la superficie | Bien | Excelente | PFA |
| Resistencia a las incrustaciones | Moderado | Alto | PFA |
| Resistencia química al ácido sulfúrico. | Excelente | Excelente | Igual |
| Vida útil en ácido-a alta temperatura | 10 a 15 años | 8 a 12 años | PTFE |
| Costo de capital para servicio de 30 kW | $28,000 | $32,000 | PTFE |
| Costo de instalación | $3,000 | $3,000 | Igual |
| Costo de mantenimiento anual | $2,000 | $2,500 | PTFE |
| Costo total de cinco-años | $50,000 | $55,000 | PTFE |
Los valores del costo total de cinco-años suponen un valor de producción de $600 por hora e incluyen el costo de capital, el costo de instalación y el costo de mantenimiento durante cinco años.
Cuando la PFA es la mejor opción
PFA es la mejor opción en varias aplicaciones específicas.
Servicio de alta-pureza.El PFA tiene una superficie más lisa y una menor generación de partículas que el PTFE, lo que lo hace adecuado para aplicaciones farmacéuticas y de semiconductores donde la contaminación de partículas es un problema.
Servicio de incrustaciones.La superficie más lisa de PFA reduce la adhesión de depósitos, lo que reduce la tasa de suciedad y la frecuencia de limpieza.
Servicio crítico de unión soldada-.Las soldaduras de PFA son más confiables que las de PTFE, lo que hace que el PFA sea la mejor opción para servicios donde la integridad de la unión es crítica.
Servicio de menor-temperatura.A temperaturas inferiores a 150 grados, ambos materiales funcionan bien, y la superficie más suave del PFA y las soldaduras más confiables pueden favorecer al PFA a pesar del mayor costo.
Componentes fabricados-personalizados.El PFA se puede moldear en formas complejas que son difíciles de producir con PTFE, lo que lo hace adecuado para componentes de intercambiadores de calor fabricados-a medida.
Cuando el PTFE es la mejor opción
El PTFE es la mejor opción en varias aplicaciones específicas.
Servicio de alta-temperatura superior a 200 grados.El PTFE conserva su resistencia mecánica a temperaturas superiores a 200 grados, mientras que el PFA se ablanda y pierde resistencia.
Servicio de alta-presión.El PTFE tiene una mayor resistencia a la fluencia que el PFA, lo que lo hace adecuado para servicios de alta-presión donde la carga sostenida es alta.
Servicio de intercambiadores de calor de gran tamaño.El PTFE es menos costoso que el PFA, lo que lo hace adecuado para grandes intercambiadores de calor donde el costo de capital es un factor importante.
Servicio de ciclismo térmico.El PTFE tiene una mayor resistencia al choque térmico que el PFA, lo que lo hace adecuado para servicios con cambios frecuentes de temperatura.
Requisito de larga vida útil.El PTFE tiene una mejor resistencia a la fluencia y una vida útil más larga que el PFA en servicio a alta temperatura-, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde la vida útil es un factor crítico.
Parámetros de especificación para servicio con ácido a alta-temperatura
Los ingenieros de equipos que evalúan intercambiadores de calor de PTFE y PFA para servicio con ácido a alta-temperatura deben confirmar los siguientes parámetros con el proveedor.
Química ácida.Especifique la composición del ácido, incluida la concentración y los contaminantes.
Temperatura de funcionamiento.Especifique la temperatura máxima de funcionamiento y el perfil de temperatura esperado.
Presión de funcionamiento.Especifique la presión máxima de funcionamiento.
Carga de calor y superficie.Especifique la carga de calor y el área de superficie requerida para cada opción de material.
Diseño conjunto.Especifique el diseño de unión entre tubo-y-placa tubular y la resistencia de soldadura requerida.
Acabado superficial.Especifique el acabado superficial requerido para el control de incrustaciones y partículas.
Ciclos térmicos.Especifique el número esperado y la magnitud de los ciclos térmicos.
Requisito de vida útil.Especifique la vida útil prevista y el calendario de sustitución.
Adaptación de la selección de materiales a la temperatura y los requisitos de las juntas
La selección entre intercambiadores de calor de PTFE y PFA en servicio ácido a alta-temperatura depende de la temperatura, la presión, los requisitos de integridad de la junta y los requisitos de acabado de la superficie. El PTFE tiene una mejor resistencia a la fluencia y un límite de temperatura práctico más alto, mientras que el PFA tiene una mejor integridad de la soldadura y una superficie más lisa.
La decisión de selección debe basarse en un análisis-específico de la instalación que incorpore el costo de capital, el costo de instalación, el costo de mantenimiento y la exposición a pérdidas de producción. Un modelo de hoja de cálculo simple con estos componentes de costos proporciona la información necesaria para tomar la decisión.
Para las instalaciones de servicio de ácido de alta-temperatura que evalúan opciones de intercambiadores de calor, la selección del material debe basarse en el costo total de propiedad durante la vida útil esperada, no solo en el costo de capital o el rendimiento térmico. Una unidad de PFA con un costo de capital más alto puede tener un costo de vida útil más bajo si requiere menos mantenimiento y produce menos partículas.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE para ácidos de alta-temperatura u otros servicios corrosivos pueden solicitar una revisión del diseño que abarque la química ácida, la temperatura de funcionamiento, la presión de funcionamiento, el diseño de juntas, el acabado de la superficie y los requisitos de vida útil para confirmar que la selección del material coincide con las condiciones de servicio reales y la estructura de costos de la instalación.
