Les deux matériaux qui se ressemblent à basse température
Le FEP et le PTFE sont tous deux des polymères perfluorés et résistent tous deux aux fluides de refroidissement couramment utilisés dans le traitement chimique : eau réfrigérée, solutions de glycol, saumure et réfrigérant. À des températures comprises entre 0 et 50 degrés, la résistance chimique et les propriétés mécaniques des deux matériaux sont similaires et le choix se fait souvent sur la base du coût.
Le FEP est un copolymère de tétrafluoroéthylène et d'hexafluoropropylène. Le comonomère hexafluoropropylène perturbe la cristallinité du polymère et réduit la viscosité à l'état fondu, ce qui permet au FEP d'être traité par extrusion à l'état fondu. Le FEP a une température de service continue maximale de 200 degrés, contre 260 degrés pour le PTFE.
Le PTFE est un homopolymère de tétrafluoroéthylène. La structure linéaire produit une cristallinité plus élevée, ce qui confère au PTFE une résistance à la traction plus élevée, une meilleure résistance au fluage et une température de service continu plus élevée. Le PTFE ne peut pas être traité par fusion-, il est donc fabriqué par moulage par compression et frittage.
La comparaison de la conductivité thermique
Le FEP et le PTFE ont des conductivités thermiques similaires. Le PTFE a une conductivité de 0,25 W/m·K et le FEP a une conductivité de 0,24 W/m·K. La différence est négligeable et n’affecte pas la surface requise pour une charge thermique donnée.
Le coefficient de transfert thermique global des deux matériaux est dominé par les résistances du film fluide et non par la résistance des parois. Dans le service de refroidissement liquide-à-liquide, le coefficient global d'un échangeur de chaleur en PTFE est généralement de 200 à 300 W/m²·K, et le coefficient d'un échangeur de chaleur en FEP est essentiellement le même. Le choix entre les deux matériaux ne peut se faire sur la base des performances thermiques.
La différence de résistance à la fatigue flexible
La résistance à la fatigue par flexion est la capacité d’un matériau à résister à des flexions et flexions répétées sans se fissurer. Le FEP a une résistance à la fatigue par flexion inférieure à celle du PTFE en raison de sa cristallinité inférieure et de sa structure moléculaire plus flexible.
Dans le cadre d'un service de refroidissement chimique à basse température, une fatigue par flexion peut se produire dans les échangeurs de chaleur soumis à des vibrations, des cycles thermiques ou des mouvements mécaniques. Les tubes fléchissent à mesure que l'échangeur de chaleur se dilate et se contracte, et des flexions répétées peuvent provoquer des fissures dans la paroi du tube.
Le PTFE a une résistance à la fatigue par flexion plus élevée que le FEP, ce qui le rend adapté aux applications où les tubes sont soumis à des flexions répétées. Le FEP convient aux services où les tubes sont supportés de manière rigide et ne sont pas sujets à des mouvements importants.
La différence de résistance à la perméation
La perméation est la diffusion d'un gaz ou d'un liquide à travers un polymère. Le FEP a des taux de perméation plus élevés que le PTFE en raison de sa cristallinité plus faible et de sa structure moléculaire plus ouverte.
Dans le service de refroidissement chimique à basse température, la perméation peut être un problème si le fluide de refroidissement contient des gaz dissous ou si le fluide de traitement est sensible à la contamination. La perméation d'oxygène ou de dioxyde de carbone à travers la paroi du tube peut affecter la chimie du procédé, et la perméation du fluide de procédé à travers la paroi du tube peut contaminer le fluide de refroidissement.
Le PTFE a des taux de perméation inférieurs à ceux du FEP, ce qui le rend adapté aux services où la perméation est un problème. Le FEP convient aux services où la perméation n'est pas un facteur critique.
La différence de capacité de température
Le FEP a une température de service continue maximale de 200 degrés, tandis que le PTFE a une température de service continue maximale de 260 degrés. À basse température, les deux matériaux se situent bien dans leur plage de service et la différence de capacité de température n'affecte pas la sélection.
La différence de capacité de température devient importante si les conditions du procédé changent. Si le service de refroidissement est ultérieurement converti en service de chauffage ou si la température de fonctionnement est augmentée, l'unité FEP pourrait ne pas convenir et l'unité PTFE serait nécessaire.
Comparaison des deux matériaux dans un refroidissement chimique à basse-température
Le tableau suivant résume les performances et les caractéristiques de coût des échangeurs de chaleur en PTFE et FEP en service de refroidissement chimique à basse température-à 10 degrés avec une solution de glycol à 30 %.
| Caractéristiques | Échangeur de chaleur en PTFE | Échangeur de chaleur FEP | Avantage |
|---|---|---|---|
| Conductivité thermique | 0.25 W/m·K | 0.24 W/m·K | Égal |
| Coefficient de transfert de chaleur global | 250 W/m²·K | 245 W/m²·K | Égal |
| Température maximale de service continu | 260 degrés | 200 degrés | PTFE |
| Résistance à la fatigue en flexion | Haut | Modéré | PTFE |
| Résistance à la perméation | Haut | Modéré | PTFE |
| Résistance chimique à la solution glycolée | Excellent | Excellent | Égal |
| Résistance mécanique | Haut | Modéré | PTFE |
| Résistance aux chocs thermiques | Haut | Modéré | PTFE |
| Réparabilité | Bien | Bien | Égal |
| Durée de vie en service de refroidissement | 15 à 20 ans | 10 à 15 ans | PTFE |
| Coût d'investissement pour un service de 20 kW | $18,000 | $14,000 | FEP |
| Coût d'installation | $2,500 | $2,500 | Égal |
| Coût d'entretien annuel | $1,200 | $1,800 | PTFE |
| Coût total sur cinq -ans | $33,500 | $33,500 | Égal |
Les valeurs de coût total sur cinq -ans supposent une valeur de production de 400 $ par heure et incluent le coût d'investissement, le coût d'installation et le coût de maintenance sur cinq ans. Le coût total sur cinq -ans est essentiellement égal, car le coût d'investissement inférieur du FEP est compensé par le coût de maintenance plus élevé.
Quand FEP est le meilleur choix
Le FEP est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service à basse-température sans flexion.À des températures inférieures à 50 degrés et avec des tubes rigidement supportés, le FEP fonctionne aussi bien que le PTFE à un coût d'investissement inférieur.
Service de perméation non-critique.Lorsque la perméation de gaz ou de liquides à travers la paroi du tube ne pose pas de problème, le FEP est adéquat.
Exigence de courte durée de vie.Lorsque l'on prévoit que l'échangeur thermique a une durée de vie de 10 ans ou moins, le FEP est adéquat et moins coûteux.
Applications-sensibles aux coûts.Lorsque le budget d'investissement est limité, le FEP offre des performances adéquates à moindre coût.
Service de refroidissement standard.Pour un service de refroidissement standard sans exigences chimiques ou mécaniques inhabituelles, le FEP est adéquat.
Quand le PTFE est le meilleur choix
Le PTFE est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service flexible.Lorsque les tubes sont soumis à des vibrations, des cycles thermiques ou des mouvements mécaniques, le PTFE présente une résistance à la fatigue par flexion plus élevée que le FEP.
Service sensible à la perméation-.Lorsque la perméation de gaz ou de liquides à travers la paroi du tube est un problème, le PTFE a des taux de perméation inférieurs à ceux du FEP.
Service à haute-température.Lorsque la température de fonctionnement peut dépasser 200 degrés, le PTFE est requis car le FEP se ramollit et perd de sa résistance.
Exigence de longue durée de vie.Lorsque l'on s'attend à ce que l'échangeur de chaleur ait une durée de vie de 15 ans ou plus, le PTFE est le meilleur choix car il présente une résistance mécanique plus élevée et une meilleure résistance au fluage.
Service de haute-pureté.Lorsque le fluide de procédé est sensible à la contamination, le PTFE a des taux de perméation et des extractibles inférieurs à ceux du FEP.
Caractéristiques de conception qui affectent la sélection
Plusieurs caractéristiques de conception affectent le choix entre le PTFE et le FEP.
Espacement des supports de tubes.Un espacement plus étroit des supports de tubes réduit la flexion des tubes, ce qui réduit l'exigence de fatigue de flexion et permet d'utiliser le FEP.
Vitesse d'écoulement.Une vitesse d'écoulement plus élevée augmente les vibrations et la flexion des tubes, ce qui favorise le PTFE.
Fréquence des cycles thermiques.Des cycles thermiques plus fréquents augmentent la flexion des tubes, ce qui favorise le PTFE.
Sensibilité aux fluides de traitement.Les fluides de procédé plus sensibles nécessitent des taux de perméation plus faibles, ce qui favorise le PTFE.
Marge de température de fonctionnement.Une plus grande marge entre la température de fonctionnement et la limite du matériau offre plus de flexibilité pour les futurs changements de processus, ce qui favorise le PTFE.
Paramètres de spécification pour le refroidissement chimique à basse-température
Les ingénieurs équipementiers évaluant les échangeurs de chaleur en PTFE et FEP pour le refroidissement chimique à basse température doivent confirmer les paramètres suivants auprès du fournisseur.
Chimie des fluides de refroidissement.Spécifiez la composition du liquide de refroidissement, y compris la concentration de glycol, de saumure ou d'autres additifs.
Température de fonctionnement.Spécifiez la température de fonctionnement maximale et le profil de température attendu.
Sensibilité aux fluides de traitement.Spécifiez la sensibilité du fluide de procédé à la contamination due à la perméation.
Conditions flexibles.Spécifiez les vibrations, les cycles thermiques et les mouvements mécaniques que les tubes subiront.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Charge thermique et superficie.Spécifiez la charge thermique et la surface requise pour chaque option de matériau.
Contraintes d'espace.Spécifiez l'espace disponible et l'encombrement maximum autorisé.
Capacité de maintenance.Préciser la capacité de maintenance de l'installation.
Faire correspondre la sélection des matériaux aux conditions de service de refroidissement
Le choix entre les échangeurs de chaleur PTFE et FEP pour le refroidissement chimique à basse température- dépend des conditions de flexion, de la sensibilité à la perméation, de la durée de vie requise et de la sensibilité au coût. Le FEP est adéquat pour un service à basse-température sans problème de flexion ni de perméation, et il est moins cher. Le PTFE est requis pour les services présentant des problèmes de flexion, de perméation ou une exigence de longue durée de vie.
La décision de sélection doit être basée sur une analyse spécifique à l'installation-qui intègre le coût d'investissement, le coût d'installation, le coût de maintenance et l'exposition aux pertes de production. Un simple modèle de feuille de calcul contenant ces éléments de coût fournit les informations nécessaires pour prendre la décision.
Pour les installations de refroidissement de produits chimiques à basse température évaluant les options d'échangeur de chaleur, le choix des matériaux doit être basé sur le coût total de possession sur la durée de vie prévue, et pas uniquement sur le coût d'investissement. Une unité FEP avec un coût en capital inférieur peut avoir un coût sur toute sa durée de vie plus élevé si elle nécessite un remplacement plus fréquent.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes des achats évaluant les spécifications des échangeurs de chaleur en PTFE pour le refroidissement chimique à basse température ou tout autre service corrosif peuvent demander une révision de la conception couvrant la chimie du fluide de refroidissement, la température de fonctionnement, la sensibilité du fluide de traitement, les conditions de flexion et les exigences de durée de vie pour confirmer que la sélection des matériaux est adaptée aux conditions de service réelles et à la structure de coûts de l'installation.
