Jak se tepelná vodivost polypropylenového (PP) výměníku srovnává s PTFE v nízkoteplotní kyselině?

PTFE je králem chemické odolnosti, a proto výchozí volbou pro chlazení proudu studené, zředěné kyseliny chlorovodíkové může být PTFE výměník tepla. Ale PTFE stojí hodně. Polypropylen (PP) je další, komoditní plast, který za tuto konkrétní nízko-teplotní a ne-oxidační službu stojí zlomek. Je ve stejném pomalém nízkém rozsahu pro tepelnou vodivost, proto se nejedná o tepelné zvýšení. Volba PP je jednoduše ekonomická, obětuje široký teplotní rozsah a univerzální chemickou ochranu za výrazně nižší počáteční náklady.

Tepelná vodivost: Téměř dokonalá shoda
Tepelná vodivost polypropylenu (PP) při pokojové teplotě je asi 0,2 W/m·K. Tepelná vodivost PTFE (polytetrafluorethylenu) je mírně vyšší, asi 0,25 W/m·K. V praxi má tento 20procentní rozdíl malý vliv na většinu výpočtů velikosti výměníků tepla. Oba jsou ve srovnání s kovy tepelnými izolanty (např. nerezová ocel ~15 W/m·K). Proto PP výměník tepla bude vyžadovat přibližně stejnou plochu teplosměnné plochy jako PTFE jednotka pro stejný výkon, rychlosti tekutiny a teploty. Není důvod upřednostňovat PP před PTFE nebo naopak na základě surového tepelného výkonu.

Konečný závěr studie tepelné vodivosti výměníku PP vs PTFE při nízké teplotě kyseliny je jasný: výběr nevede k tepelné vodivosti. Oba materiály spadají do stejné třídy nízké vodivosti a jakékoli konstrukční změny nejsou podstatné.

Proč PP? Ekonomický případ
Hlavní výhodou polypropylenu je, že je levný. PP je komoditní termoplast vyráběný ve velkém množství. Náklady na suroviny jsou obvykle 5-10krát nižší než PTFE. V porovnání se specializovaným slinováním a lisováním PTFE jsou dostupné také levnější způsoby výroby, jako je svařování horkým plynem, vytlačování a vstřikování. Plášťový-a{7}}trubkový nebo spirálový- výměník tepla z PP se vyrábí za čtvrtinu ceny zařízení z PTFE stejné velikosti. Tato úspora nákladů může být u neagresivních kyselin při nízké teplotě velká.

Odolnost vůči teplotě a chemikáliím: Meze PP
PP je ekonomicky atraktivní, ale má úzké pracovní okno. Polypropylen lze nepřetržitě používat pouze při teplotách do zhruba 80 stupňů (176 stupňů F). Při teplotách nad tuto hodnotu PP měkne a ztrácí svou mechanickou pevnost a začíná se plazit pod tlakem. Naopak PTFE může běžet nepřetržitě při 200 stupních (392 stupňů F) a přerušovaně až do 260 stupňů. Toto omezení je přijatelné v kyselém provozu s nízkou teplotou (tj. pod 60 stupňů); nicméně jakékoli narušení procesu nebo čištění párou by mohly překročit limit PP .

Z chemického hlediska je PP odolný vůči mnoha zředěným kyselinám, zásadám a vodným roztokům solí. Působí na něj silné oxidační kyseliny, jako je koncentrovaná kyselina dusičná, kyselina sírová nad 70 % a kyselina chromová. Také expanduje nebo se rozpouští v mnoha organických rozpouštědlech, např. aromatických uhlovodících, chlorovaných rozpouštědlech a ketonech. PTFE je však odolný téměř všem látkám kromě roztavených alkalických kovů a elementárního fluoru při vysokých teplotách. PP je tedy specialistou na chladné, čisté, -neoxidační kyseliny (např. zředěná HCl, zředěná H 2 SO 4, kyselina octová). PTFE je všeobecně odolný proti vysokým teplotám a bezpečný pro každého.

Další technické úvahy
Křehkost a citlivost na UV záření
Polypropylen není odolný vůči ultrafialovému (UV) světlu. Pokud je výměník umístěn venku nebo ve vysoce osvětlené oblasti, způsobuje vystavení UV záření foto-oxidaci, která může vést k praskání povrchu a ztrátě rázové houževnatosti. PP výměníky by měly být chráněny nebo nastříkány UV-nátěry pro venkovní použití. PTFE je přirozeně UV odolný a nekazí se na slunci.

Požární odolnost
PP je hořlavá látka s limitním indexem kyslíku (LOI) asi 18 %. Jakmile se zapálí, snadno hoří vydatným kouřem a proudem roztaveného polymeru. Problémy požární bezpečnosti zahrnují sprinklery, požární bariéry a klasifikaci elektrických oblastí. PTFE je nehořlavý s LOI 95 %, nepodporuje hoření a po odstranění zdroje plamene samo{5}}zhasne. Díky tomu je PTFE bezpečnější volbou v oblastech ohrožených požárem.

Mechanická pevnost při nízkých teplotách
Při nízkých teplotách (např. pod 10 stupňů) se PP stává křehčím a náchylnějším k poškození způsobenému vodním rázem nebo tvorbou ledu. PTFE je robustní a flexibilní vůči kryogenním teplotám (-200 stupňů). Pro provoz se studenou kyselinou, jako je chlazená voda nebo chlazená solanka, musí být PP výměníky pečlivě chráněny před mechanickými nárazy.

Pokyny pro výběr Výběr správného materiálu pro službu
Volba výměníku PP nebo PTFE pro nízkoteplotní kyselinu není tepelnou volbou, ale pouze volbou ekonomické a chemické kompatibility. Kdy použít PP:

Kyselina je zředěná, ne{0}}oxidující a čistá (HCl < 20 %, H2SO4 < 50 %, kyselina octová).

Provozní teplota pod 60 stupňů (s bezpečnostní rezervou pod 80 stupňů).

Neobsahuje žádná organická rozpouštědla ani silné oxidanty.

Výměník je umístěn uvnitř nebo v zóně chráněné proti UV záření.

Riziko požáru je nízké nebo dobře kontrolované.

Nejnižší. Hnacím faktorem jsou počáteční kapitálové náklady.

Použijte PTFE pro:

Kyselina je horká (nad 80 stupňů), koncentrovaná nebo oxidující (např. dusičná, chromitá nebo horká sírová).

Agresivní organická rozpouštědla v kapalině.

Poruchy procesu mohou krátkodobě překročit teplotní limit PP.

Požární bezpečnost nebo vystavení UV záření je starostí.

Zvýšené počáteční náklady jsou odůvodněny dlouhou životností a nenáročnou údržbou.

Levný, ne-nesmyslný dříč pro chladnou, jemnou kyselinu je polypropylen. Špičkovým-nepřemožitelným bojovníkem za žhavější, divočejší a nepředvídatelnější chemii je PTFE. Ani jedno není vždy lepší, správné rozhodnutí je zcela závislé na obálce procesu.

Závěr: tepelná vodivost není určujícím faktorem
Při nízkoteplotní aplikaci kyseliny je tepelná vodivost PP a PTFE tak blízko, že velikost a výkon výměníku tepla jsou prakticky srovnatelné. Jde tedy o chemickou kompatibilitu, teplotní omezení, bezpečnost a cenu. PP poskytuje značné úspory nákladů a spolehlivý servis pro dobře definovanou mírně chladnou kyselinu. Žádný jiný plast se nemůže rovnat odolnosti PTFE vůči jakékoli obtížné, zahřáté nebo agresivní chemikálii, a proto je dražší. Nejlepším materiálem pro tuto práci je ten nejekonomičtější, na který se lze spolehnout-a v případě nízko-teplotních, ne-oxidujících kyselin může být tímto materiálem polypropylen.