La différence moléculaire qui entraîne l’écart de résistance
La différence entre le PTFE et le PVDF réside dans les liaisons carbone-hydrogène. Le PVDF est un copolymère de fluorure de vinylidène et sa structure moléculaire contient des liaisons carbone-hydrogène qui ne sont pas présentes dans le PTFE. La liaison carbone-hydrogène est plus faible que la liaison carbone-fluor, et c'est le site où commence l'attaque par oxydation.
Le PTFE possède un squelette de carbone entièrement fluoré sans liaisons carbone-hydrogène. La liaison carbone-fluor est l'une des plus fortes de la chimie organique, avec une énergie de liaison d'environ 485 kJ/mol. Les acides oxydants n'ont pas suffisamment d'énergie pour rompre cette liaison à des températures inférieures à 260 degrés.
Le PVDF possède des liaisons carbone-hydrogène avec une énergie de liaison d'environ 413 kJ/mol. La différence est d’environ 15 %, mais l’effet pratique sur la résistance à l’oxydation est bien plus important. L'attaque par oxydation du PVDF s'initie au niveau de la liaison carbone-hydrogène et la dégradation se propage le long de la chaîne polymère. Le taux d'oxydation augmente avec la température et avec la concentration de l'acide oxydant.
La comparaison de la résistance aux acides oxydants
La résistance du PTFE et du PVDF aux acides oxydants dépend de l'acide spécifique, de la concentration et de la température.
Acide nitrique.Le PTFE résiste à l'acide nitrique à des concentrations allant jusqu'à 70 % et à des températures allant jusqu'à 200 degrés. Le PVDF résiste à l'acide nitrique à des concentrations allant jusqu'à 50 % et à des températures allant jusqu'à 100 degrés. Au-delà de ces limites, le PVDF est attaqué, et le matériau se dégrade.
Acide chromique.Le PTFE résiste à l'acide chromique à des concentrations allant jusqu'à 50 % et à des températures allant jusqu'à 150 degrés. Le PVDF résiste à l'acide chromique à des concentrations allant jusqu'à 30 % et à des températures allant jusqu'à 80 degrés. Au-delà de ces limites, le PVDF est attaqué, le matériau se décolore et se fragilise.
Acide perchlorique.Le PTFE résiste à l'acide perchlorique à des concentrations allant jusqu'à 70 % et à des températures allant jusqu'à 150 degrés. Le PVDF résiste à l'acide perchlorique à des concentrations allant jusqu'à 30 % et à des températures allant jusqu'à 60 degrés. L'acide perchlorique est particulièrement agressif envers le PVDF en raison de son fort potentiel oxydant.
Peroxyde d'hydrogène.Le PTFE résiste au peroxyde d'hydrogène à des concentrations allant jusqu'à 50 % et à des températures allant jusqu'à 100 degrés. Le PVDF résiste au peroxyde d'hydrogène à des concentrations allant jusqu'à 30 % et à des températures allant jusqu'à 60 degrés. La décomposition du peroxyde d'hydrogène génère des radicaux oxygène qui attaquent le PVDF.
La comparaison de la conductivité thermique
Le PTFE et le PVDF ont des conductivités thermiques similaires. Le PTFE a une conductivité de 0,25 W/m·K et le PVDF a une conductivité de 0,19 W/m·K. La différence est faible et n’affecte pas de manière significative 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. En service 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 PVDF est généralement de 180 à 280 W/m²·K. La différence est inférieure à 10 %, ce qui se situe dans l’incertitude du calcul du transfert thermique.
La comparaison de la conductivité thermique ne favorise donc aucun des deux matériaux de manière significative. La sélection doit être basée sur la compatibilité chimique et les propriétés mécaniques.
Comparaison des deux matériaux dans le service d'acide oxydant
Le tableau suivant résume les performances et les caractéristiques de coût des échangeurs de chaleur en PTFE et PVDF en service acide oxydant à 60 degrés avec 30 % d'acide nitrique.
| Caractéristiques | Échangeur de chaleur en PTFE | Échangeur de chaleur PVDF | Avantage |
|---|---|---|---|
| Conductivité thermique | 0.25 W/m·K | 0.19 W/m·K | PTFE |
| Coefficient de transfert de chaleur global | 250 W/m²·K | 230 W/m²·K | PTFE |
| Température de fonctionnement maximale | 260 degrés | 150 degrés | PTFE |
| Limite de résistance à l'acide nitrique | 70% à 200 degrés | 50% à 100 degrés | PTFE |
| Limite de résistance à l'acide chromique | 50% à 150 degrés | 30% à 80 degrés | PTFE |
| Limite de résistance à l'acide perchlorique | 70% à 150 degrés | 30% à 60 degrés | PTFE |
| Limite de résistance au peroxyde d'hydrogène | 50% à 100 degrés | 30% à 60 degrés | PTFE |
| Résistance mécanique | Modéré | Haut | PVDF |
| Pression de service maximale | 0,5 MPa | 1,0 MPa | PVDF |
| Durée de vie en service acide oxydant | 12 à 18 ans | 5 à 8 ans | PTFE |
| Coût d'investissement pour un service de 30 kW | $28,000 | $19,000 | PVDF |
| Coût d'installation | $3,000 | $3,000 | Égal |
| Coût d'entretien annuel | $1,500 | $3,500 | PTFE |
| Coût total sur cinq -ans | $47,500 | $53,000 | PTFE |
Les valeurs de coût total sur cinq -ans supposent une valeur de production de 500 $ par heure et incluent le coût d'investissement, le coût d'installation et le coût de maintenance sur cinq ans.
Quand le PVDF est le meilleur choix
Le PVDF est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service à basse-température.À des températures inférieures à 40 degrés, le PVDF résiste sans difficulté à la plupart des acides oxydants, et le coût d’investissement inférieur favorise le PVDF.
Service à faible-concentration.À des concentrations inférieures à 20 %, le PVDF résiste à la plupart des acides oxydants à des températures allant jusqu'à 60 degrés, et le coût d'investissement inférieur favorise le PVDF.
Service haute-pression.Le PVDF a une résistance mécanique supérieure au PTFE et peut résister à des pressions plus élevées. Pour le service avec des acides oxydants à des pressions supérieures à 5 bars, le PVDF peut être la seule option viable.
Service non-critique.Lorsque l’échangeur thermique n’est pas essentiel au processus et que le coût de remplacement est acceptable, le PVDF offre des performances adéquates à moindre coût.
Exigence de courte durée de vie.Lorsque l'on prévoit que l'échangeur thermique a une durée de vie de 5 ans ou moins, le PVDF est adéquat et moins coûteux.
Quand le PTFE est le meilleur choix
Le PTFE est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service à haute-température.À des températures supérieures à 60 degrés, le PTFE résiste mieux aux acides oxydants que le PVDF et sa durée de vie est plus longue.
Service à haute-concentration.À des concentrations supérieures à 30 %, le PTFE résiste mieux aux acides oxydants que le PVDF.
Service acide perchlorique.Le PTFE est le seul fluoropolymère viable pour l'acide perchlorique car le PVDF est attaqué à faible concentration et température.
Exigence de longue durée de vie.Lorsque l’on s’attend à ce que l’échangeur thermique ait une durée de vie de 10 ans ou plus, le PTFE est le meilleur choix car il résiste aux attaques chimiques sur une période plus longue.
Service critique.Lorsque l'échangeur de chaleur est essentiel au processus et que le coût des temps d'arrêt est élevé, le PTFE est le meilleur choix car il présente une probabilité de défaillance plus faible.
Caractéristiques de conception qui prolongent la durée de vie
Plusieurs caractéristiques de conception prolongent la durée de vie des échangeurs de chaleur en PTFE et en PVDF en service avec des acides oxydants.
Température de fonctionnement inférieure.La réduction de la température de fonctionnement réduit le taux d'oxydation et prolonge la durée de vie des deux matériaux.
Concentration plus faible.La réduction de la concentration d'acide réduit le taux d'oxydation et prolonge la durée de vie.
Contrôle de la vitesse d'écoulement.Le maintien d'une vitesse d'écoulement modérée réduit l'épaisseur de la couche limite et la concentration d'espèces oxydantes à la surface du tube.
Dispositions de nettoyage sur place-.Les connexions pour l'alimentation et le retour de la solution de nettoyage permettent de nettoyer l'échangeur thermique sans démontage, ce qui réduit les temps d'arrêt et la perte de production.
Surveillance de la température.Des capteurs de température à l'entrée et à la sortie de l'échangeur thermique permettent de surveiller les performances de transfert de chaleur, ce qui permet une détection précoce d'un encrassement ou d'une dégradation.
Paramètres de spécification pour le service d’acide oxydant
Les ingénieurs d'équipement évaluant les échangeurs de chaleur en PTFE et PVDF pour le service avec des acides oxydants doivent confirmer les paramètres suivants avec le fournisseur.
Chimie acide.Précisez la composition acide, y compris la concentration et les contaminants.
Température de fonctionnement.Spécifiez la température de fonctionnement maximale et le profil de température attendu.
Pression de service.Spécifiez la pression de fonctionnement maximale.
Charge thermique et superficie.Spécifiez la charge thermique et la surface requise pour chaque option de matériau.
Compatibilité chimique.Confirmez que le matériau est compatible avec l'acide spécifique à la température et à la concentration de fonctionnement.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Capacité de maintenance.Préciser la capacité de maintenance de l'installation, y compris la capacité de réparer l'échangeur de chaleur sur place.
Valeur de production et coût des temps d’arrêt.Fournissez la valeur de production et le coût des temps d’arrêt afin que l’analyse du coût total de possession puisse être adaptée à l’installation.
Faire correspondre la sélection des matériaux aux conditions de service des acides oxydants
Le choix entre les échangeurs de chaleur PTFE et PVDF en service acide oxydant dépend de la chimie de l'acide, de la température, de la concentration et de la durée de vie requise. Le PVDF a un coût d'investissement inférieur et une résistance mécanique plus élevée, mais il est plus sensible aux attaques d'oxydation à température élevée et à concentration élevée. Le PTFE a un coût d’investissement plus élevé mais une durée de vie plus longue en service acide oxydant agressif.
La décision de sélection doit être basée sur une analyse spécifique à l'installation-qui intègre le coût d'investissement, le coût de maintenance et le risque de perte 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 service d'acide oxydant évaluant les options d'échangeur de chaleur, la sélection des matériaux doit être basée sur le coût total de possession sur la durée de vie prévue, et pas seulement sur le coût d'investissement. Une unité PVDF dont le coût d'investissement est inférieur peut avoir un coût 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 les acides oxydants ou autres services corrosifs peuvent demander une revue de conception couvrant la chimie de l'acide, la température de fonctionnement, la pression de fonctionnement, la compatibilité chimique 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.
