La diferencia molecular que impulsa la brecha de resistencia
La diferencia entre PTFE y PVDF está en los enlaces de carbono-hidrógeno. El PVDF es un copolímero de fluoruro de vinilideno y su estructura molecular contiene enlaces carbono-hidrógeno que no están presentes en el PTFE. El enlace carbono-hidrógeno es más débil que el enlace carbono-flúor y es el sitio donde comienza el ataque de oxidación.
El PTFE tiene una estructura de carbono totalmente fluorado sin enlaces de carbono-hidrógeno. El enlace carbono-flúor es uno de los más fuertes de la química orgánica, con una energía de enlace de aproximadamente 485 kJ/mol. Los ácidos oxidantes no tienen suficiente energía para romper este enlace a temperaturas inferiores a 260 grados.
El PVDF tiene enlaces de carbono-hidrógeno con una energía de enlace de aproximadamente 413 kJ/mol. La diferencia es aproximadamente del 15%, pero el efecto práctico sobre la resistencia a la oxidación es mucho mayor. El ataque de oxidación al PVDF se inicia en el enlace carbono-hidrógeno y la degradación se propaga a lo largo de la cadena polimérica. La velocidad de oxidación aumenta con la temperatura y con la concentración del ácido oxidante.
La comparación de la resistencia a los ácidos oxidantes
La resistencia del PTFE y PVDF a los ácidos oxidantes depende del ácido específico, la concentración y la temperatura.
Ácido nítrico.El PTFE resiste el ácido nítrico en concentraciones de hasta el 70% y temperaturas de hasta 200 grados. El PVDF resiste el ácido nítrico en concentraciones de hasta el 50 % y temperaturas de hasta 100 grados. Por encima de estos límites, el PVDF es atacado y el material se degrada.
Ácido crómico.El PTFE resiste el ácido crómico en concentraciones de hasta el 50% y temperaturas de hasta 150 grados. El PVDF resiste el ácido crómico en concentraciones de hasta el 30% y temperaturas de hasta 80 grados. Por encima de estos límites, el PVDF se ve atacado y el material se decolora y se vuelve quebradizo.
Ácido perclórico.El PTFE resiste el ácido perclórico en concentraciones de hasta el 70% y temperaturas de hasta 150 grados. El PVDF resiste el ácido perclórico en concentraciones de hasta el 30 % y temperaturas de hasta 60 grados. El ácido perclórico es particularmente agresivo contra el PVDF debido a su fuerte potencial oxidante.
Peróxido de hidrógeno.El PTFE resiste el peróxido de hidrógeno en concentraciones de hasta el 50% y temperaturas de hasta 100 grados. PVDF resiste el peróxido de hidrógeno en concentraciones de hasta el 30% y temperaturas de hasta 60 grados. La descomposición del peróxido de hidrógeno genera radicales de oxígeno que atacan al PVDF.
La comparación de conductividad térmica
PTFE y PVDF tienen conductividades térmicas similares. El PTFE tiene una conductividad de 0,25 W/m·K y el PVDF tiene una conductividad de 0,19 W/m·K. La diferencia es pequeña y no afecta significativamente la superficie requerida para una carga de calor determinada.
El coeficiente general de transferencia de calor para ambos materiales está dominado por las resistencias de la película del fluido, no por la resistencia de la pared. En servicio de líquido-a-líquido, el coeficiente general de un intercambiador de calor de PTFE suele ser de 200 a 300 W/m²·K, y el coeficiente de un intercambiador de calor de PVDF suele ser de 180 a 280 W/m²·K. La diferencia es inferior al 10%, lo que está dentro de la incertidumbre del cálculo de la transferencia de calor.
Por lo tanto, la comparación de la conductividad térmica no favorece significativamente a ninguno de los materiales. La selección debe basarse en la compatibilidad química y las propiedades mecánicas.
Comparación de los dos materiales en servicio con ácido oxidante
La siguiente tabla resume las características de rendimiento y costo de los intercambiadores de calor de PTFE y PVDF en servicio con ácido oxidante a 60 grados con 30% de ácido nítrico.
| Característica | Intercambiador de calor de PTFE | Intercambiador de calor PVDF | Ventaja |
|---|---|---|---|
| Conductividad térmica | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| Coeficiente general de transferencia de calor | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| Temperatura máxima de funcionamiento | 260 grados | 150 grados | PTFE |
| Límite de resistencia al ácido nítrico | 70% a 200 grados | 50% a 100 grados | PTFE |
| Límite de resistencia al ácido crómico | 50% a 150 grados | 30% a 80 grados | PTFE |
| Límite de resistencia al ácido perclórico | 70% a 150 grados | 30% a 60 grados | PTFE |
| Límite de resistencia al peróxido de hidrógeno | 50% a 100 grados | 30% a 60 grados | PTFE |
| Resistencia mecánica | Moderado | Alto | PVDF |
| Presión máxima de funcionamiento | 0,5MPa | 1,0 MPa | PVDF |
| Vida útil en servicio con ácido oxidante. | 12 a 18 años | 5 a 8 años | PTFE |
| Costo de capital para servicio de 30 kW | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| Costo de instalación | $3,000 | $3,000 | Igual |
| Costo de mantenimiento anual | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| Costo total de cinco-años | $47,500 | $53,000 | PTFE |
Los valores del costo total de cinco-años suponen un valor de producción de $500 por hora e incluyen el costo de capital, el costo de instalación y el costo de mantenimiento durante cinco años.
Cuando PVDF es la mejor opción
PVDF es la mejor opción en varias aplicaciones específicas.
Servicio de baja-temperatura.A temperaturas inferiores a 40 grados, el PVDF resiste la mayoría de los ácidos oxidantes sin dificultad, y el menor costo de capital favorece al PVDF.
Servicio de baja-concentración.En concentraciones inferiores al 20%, el PVDF resiste la mayoría de los ácidos oxidantes a temperaturas de hasta 60 grados, y el menor costo de capital favorece al PVDF.
Servicio de alta-presión.El PVDF tiene mayor resistencia mecánica que el PTFE y puede soportar presiones más altas. Para servicios con ácido oxidante a presiones superiores a 5 bar, el PVDF puede ser la única opción viable.
Servicio no-crítico.Cuando el intercambiador de calor no es crítico para el proceso y el costo de reemplazo es aceptable, el PVDF proporciona un rendimiento adecuado a un costo menor.
Requisito de vida útil corta.Cuando se espera que el intercambiador de calor tenga una vida útil de 5 años o menos, el PVDF es adecuado y menos costoso.
Cuando el PTFE es la mejor opción
El PTFE es la mejor opción en varias aplicaciones específicas.
Servicio de alta-temperatura.A temperaturas superiores a 60 grados, el PTFE resiste los ácidos oxidantes mejor que el PVDF y la vida útil es más larga.
Servicio de alta-concentración.En concentraciones superiores al 30%, el PTFE resiste mejor los ácidos oxidantes que el PVDF.
Servicio de ácido perclórico.El PTFE es el único fluoropolímero viable para el servicio de ácido perclórico porque el PVDF es atacado a baja concentración y temperatura.
Requisito de larga vida útil.Cuando se espera que el intercambiador de calor tenga una vida útil de 10 años o más, el PTFE es la mejor opción porque resiste el ataque químico durante un período más largo.
Servicio crítico.Cuando el intercambiador de calor es fundamental para el proceso y el costo del tiempo de inactividad es alto, el PTFE es la mejor opción porque tiene una menor probabilidad de falla.
Características de diseño que prolongan la vida útil
Varias características de diseño extienden la vida útil de los intercambiadores de calor de PTFE y PVDF en servicio con ácido oxidante.
Temperatura de funcionamiento más baja.La reducción de la temperatura de funcionamiento reduce la tasa de oxidación y extiende la vida útil de ambos materiales.
Menor concentración.La reducción de la concentración de ácido reduce la tasa de oxidación y prolonga la vida útil.
Control de velocidad del flujo.Mantener una velocidad de flujo moderada reduce el espesor de la capa límite y la concentración de especies oxidantes en la superficie del tubo.
Implementar-disposiciones de limpieza.Las conexiones para el suministro y retorno de la solución de limpieza permiten limpiar el intercambiador de calor sin necesidad de desmontarlo, lo que reduce el tiempo de inactividad y la pérdida de producción.
Monitoreo de temperatura.Los sensores de temperatura en la entrada y salida del intercambiador de calor permiten monitorear el rendimiento de la transferencia de calor, lo que permite la detección temprana de incrustaciones o degradación.
Parámetros de especificación para servicio con ácido oxidante
Los ingenieros de equipos que evalúan intercambiadores de calor de PTFE y PVDF para servicio con ácido oxidante 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.
Compatibilidad química.Confirme que el material sea compatible con el ácido específico a la temperatura y concentración de funcionamiento.
Requisito de vida útil.Especifique la vida útil prevista y el calendario de sustitución.
Capacidad de mantenimiento.Especifique la capacidad de mantenimiento de la instalación, incluida la capacidad de reparar el intercambiador de calor en el sitio.
Valor de producción y coste del tiempo de inactividad.Proporcione el valor de producción y el costo del tiempo de inactividad para que el análisis del costo total de propiedad pueda adaptarse a la instalación.
Selección de materiales coincidentes con las condiciones de servicio de ácidos oxidantes
La selección entre intercambiadores de calor de PTFE y PVDF en servicio con ácido oxidante depende de la química del ácido, la temperatura, la concentración y los requisitos de vida útil. El PVDF tiene un menor coste de capital y una mayor resistencia mecánica, pero es más susceptible al ataque de oxidación a temperaturas elevadas y altas concentraciones. El PTFE tiene un costo de capital más alto pero una vida útil más larga en servicio con ácido oxidante agresivo.
La decisión de selección debe basarse en un análisis-específico de la instalación que incorpore el costo de capital, 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 ácidos oxidantes 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. Una unidad de PVDF con un costo de capital más bajo puede tener un costo de vida útil más alto si requiere un reemplazo más frecuente.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE para ácidos oxidantes u otros servicios corrosivos pueden solicitar una revisión del diseño que cubra la química ácida, la temperatura de funcionamiento, la presión de funcionamiento, la compatibilidad química 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.
