W jaki sposób rozpuszczalniki-na bazie biologicznej wpływają na wybór materiału na uszczelki wymienników fluoropolimerowych?

Wymienniki ciepła obsługujące bardziej ekologiczne rozpuszczalniki-biopochodne muszą zmieniać się wraz z przemysłem chemicznym. Wykazując nieco odmienne oddziaływanie z elastomerowymi uszczelkami uszczelniającymi wymiennik fluoropolimerowy, substytut toluenu, tetrahydrofuranu lub dichlorometanu może zapewnić porównywalną wydajność procesu. Nawet niewielkie zmiany w powinowactwie rozpuszczalnika mogą mieć wpływ na twardość uszczelki, pęcznienie i-długoterminową siłę uszczelniającą.

Sprawdzenie, czy tradycyjnie niezawodne materiały uszczelniające są nadal kompatybilne z najnowszą generacją odnawialnych rozpuszczalników, to nowe wyzwanie inżynieryjne spowodowane przejściem w stronę zrównoważonej chemii.

Zwiększone znaczenie doboru uszczelek wymiennika fluoropolimerowych zgodnych z rozpuszczalnikami biologicznymi odzwierciedla szersze dążenie przemysłu w kierunku niskiej-toksyczności i biopochodnych-chemikaliów procesowych.

Dlaczego-rozpuszczalniki biologiczne zachowują się inaczej
Wiele współczesnych zrównoważonych rozpuszczalników ma działanie podobne do tradycyjnych rozpuszczalników petrochemicznych, a jednocześnie mają mniejszy niekorzystny wpływ na środowisko i są mniej trujące.

Przykłady obejmują:

2-MeTHF, czyli metylotetrahydrofuran

Eter cyklopentylowo-metylowy (CPME)

Mleczan etylowy

Węglan dimetylu

Estry powstające z biomasy

Rozpuszczalniki na bazie terpenów

Pomimo faktu, że materiały te można bezpośrednio zastąpić w bieżących procesach, ich struktura molekularna często różni się od struktury rozpuszczalników, które zastępują.

Na kompatybilność uszczelek wpływa szereg właściwości chemicznych:

Polaryzacja cząsteczek

Chemia grup funkcyjnych

Dyfuzja rozpuszczalników

Wymiary molekularne

Zachowanie wiązań wodorowych

Różnice te mogą mieć wpływ na penetrację rozpuszczalnika lub interakcję z elastomerowymi materiałami uszczelniającymi.

Ponieważ jest to substancja chemiczna, w wymienniku nadal musi znajdować się zielony rozpuszczalnik.

Powody, dla których uszczelki są bardziej niebezpieczne niż PTFE
Główne powierzchnie zwilżane fluoropolimerowych wymienników ciepła są często wykonane z PTFE lub podobnych fluoropolimerów. Ogólnie rzecz biorąc, PTFE jest nadal odporny na prawie wszystkie rozpuszczalniki organiczne i agresywne chemikalia.

Systemy uszczelek są jednak bardziej skomplikowane.

Wiele zespołów uszczelek wymiennika łączy w sobie różne materiały, takie jak:

Uszczelki do kopert PTFE

Rdzenie z Vitonu

Elastomery wykonane z EPDM

Podkłady silikonowe

Wypełnienia PTFE ekspandowane

Zewnętrzna warstwa PTFE może zapewniać osłonę chemiczną, ale wewnętrzny rdzeń elastomerowy nadal kontroluje ściśliwość i sprężystość uszczelniającą.

Z biegiem czasu znajdujący się pod spodem elastomer może pęcznieć, zmiękczać, kurczyć się lub twardnieć, jeśli cząsteczki rozpuszczalnika przedostaną się przez drobne skazy, szwy lub odsłonięte powierzchnie.

Wpływ pęcznienia rozpuszczalnika na działanie uszczelki
Kiedy cząsteczki rozpuszczalnika przenikają przez strukturę elastomeru i fizycznie rozszerzają materiał, następuje pęcznienie uszczelki.

Umiarkowane pęcznienie może początkowo poprawić siłę uszczelniającą, ale nadmierne wchłanianie często powoduje poważne-trudności długoterminowe.

Potencjalne skutki obejmują:

Utrata wytrzymałości na ściskanie

Zmiękczenie rdzenia uszczelki

Odkształcenie trwałe

Wytłaczanie-indukowane ciśnieniem

zmniejszone utrzymywanie obciążenia śruby

Uszczelka przecieka podczas cykli termicznych

I odwrotnie, niektóre rozpuszczalniki mogą ekstrahować plastyfikatory lub dodatki z elastomerów, powodując zamiast pęcznienia skurcz i kruchość.

Każda z tych okoliczności może uszkodzić integralność uszczelnienia.

Trudności z Vitonem i EPDM w przypadku rozpuszczalników-na bazie biologicznej
Ze względu na ich dużą odporność chemiczną na węglowodory i chlorowane rozpuszczalniki, fluoroelastomery, takie jak Viton, były często szeroko stosowane w tradycyjnych rozpuszczalnikach.

Niemniej jednak niektóre nowsze rozpuszczalniki-biopochodne mają skład chemiczny estrów lub utlenionych grup funkcyjnych, które oddziałują z sieciami elastomerów w nietypowy sposób.

Zmienność wydajności Vitonu
Historycznie rzecz biorąc, uszczelki kopertowe PTFE z rdzeniami Viton wykazywały dobre działanie w różnych układach rozpuszczalników. Jednakże niektóre rozpuszczalniki-na bazie biologicznej mogą zmiękczać składnik Viton bardziej niż oczekiwano, zwłaszcza gdy wzrasta polarność lub zawartość estrów.

Takie postępowanie może skutkować:

Zmniejszona wytrzymałość

Zestaw kompresyjny

Obrzęk

Niestabilność uszczelnienia pod obciążeniem

Różnice w kompatybilności EPDM
EPDM może niekorzystnie reagować z niektórymi rozpuszczalnikami organicznymi, ale zwykle dobrze sprawdza się w płynach polarnych i systemach-na bazie wody.

W miarę rozwoju zrównoważonej chemii rozpuszczalników założenia dotyczące zgodności oparte na konwencjonalnych rozpuszczalnikach petrochemicznych stają się mniej niezawodne.

Testowanie zgodności z ASTM D471
ASTM D471 to standardowa procedura laboratoryjna służąca do oceny kompatybilności gumy i elastomeru.

Ta metoda badawcza analizuje, jak zmienia się materiał po kontrolowanym zanurzeniu w płynie chemicznym.

Typowe kryteria oceny obejmują:

Zwiększenie głośności

Zmiana twardości

Różnice w wytrzymałości na rozciąganie

Zmiana wagi

Degradacja wyglądu

Jeśli materiał uszczelki pęcznieje lub zbytnio zmięknie w nowym środowisku rozpuszczalnika, można to natychmiast określić za pomocą prostego testu zanurzeniowego.

Testy ASTM D471 są coraz częściej przeprowadzane w przypadku materiałów, które mają udokumentowaną historię użytkowania ze starszymi rozpuszczalnikami od kilkudziesięciu lat, ponieważ wiele zrównoważonych rozpuszczalników jest stosunkowo nowych w przetwarzaniu przemysłowym.

Rozważania dotyczące przenikania PTFE
Niemniej jednak w pewnych okolicznościach może nastąpić przenikanie, mimo że uważa się, że PTFE jest chemicznie obojętny w stosunku do praktycznie wszystkich rozpuszczalników organicznych.

Szczególnie w wysokich temperaturach lub wydłużonych czasach ekspozycji małe cząsteczki rozpuszczalnika mogą powoli dyfundować przez struktury fluoropolimerowe.

Sam PTFE nie zawsze ulega uszkodzeniu w wyniku przenikania, chociaż może pozwolić na interakcję rozpuszczalnika z:

Wewnątrz rdzenie uszczelek

warstwy zbrojenia

Materiały wtórne do uszczelniania

Dlatego nawet jeśli powierzchnie PTFE wydają się chemicznie nieprzepuszczalne, pełna kompatybilność zespołu uszczelek jest nadal kluczowa.

Potrzeba zmian w bazach danych dotyczących zgodności
Dziesięciolecia doświadczeń z tradycyjnymi rozpuszczalnikami petrochemicznymi doprowadziły do ​​opracowania licznych opublikowanych tabel kompatybilności chemicznej.

Zrównoważona chemia rozpuszczalników rozwija się obecnie szybciej niż niektóre obecne referencyjne bazy danych.

W rodzinach nowych rozpuszczalników często brakuje:

Dane dotyczące-długoterminowego starzenia się

Badania nad przenikaniem

Zapisy dotyczące zgodności-w wysokich temperaturach

Wyniki narażenia na mieszany-rozpuszczalnik

Walidacja cykli termicznych

Oznacza to, że zamiast polegać wyłącznie na wcześniejszych założeniach, producenci wymienników i użytkownicy końcowi mają teraz dodatkową potrzebę potwierdzenia kompatybilności poprzez eksperymenty.

Podczas certyfikacji procesów i specyfikacji sprzętu certyfikowana dokumentacja kompatybilności staje się coraz ważniejsza.

Trendy w doborze materiałów na wymienniki fluoropolimerowe
Reakcja przemysłu na rozwój chemii rozpuszczalników już wpływa na plany dotyczące materiałów uszczelek.

Wyłania się kilka tendencji:

Zwiększone wykorzystanie całkowicie zamkniętych uszczelek
Bardziej agresywne układy rozpuszczalników budzą zainteresowanie całkowicie zamkniętymi konstrukcjami uszczelek PTFE, które zmniejszają narażenie na elastomer.

Zwiększona walidacja w laboratorium
Zamiast używać jednoskładnikowych-rozpuszczalników referencyjnych do testowania zgodności chemicznej, coraz częściej stosuje się rzeczywiste mieszanki procesowe.

Dostosowane mieszanki elastomerów
Dostawcy uszczelek tworzą modyfikowane związki fluoroelastomeru i EPDM zaprojektowane z myślą o odporności na rozpuszczalniki odnawialne.

Surowsze wymagania dotyczące kwalifikacji dostawców
Użytkownicy końcowi coraz częściej żądają:

Dane ASTM D471

Długoterminowe-badania immersyjne

Walidacja starzenia termicznego

Wyniki badań przenikania

Nacisk przesuwa się z ogólnych założeń dotyczących zgodności w kierunku sprawdzania poprawności-specyficznej dla aplikacji.

Szerszy wpływ na projektowanie urządzeń procesowych
Debata na temat doboru uszczelek wymiennika fluoropolimerowego pod kątem zgodności z rozpuszczalnikami-biopochodnymi odzwierciedla szerszą zmianę zachodzącą w przemyśle przetwórstwa chemicznego.

Materiały sprzętowe muszą zawsze się zmieniać w miarę postępu zrównoważonej chemii w kierunku:

Charakterystyka polarności nowych rozpuszczalników

Modyfikowanie zachowania ekstrakcji

Różne cechy przenikania

Nowe wymagania dotyczące stabilności termicznej

Nawet niewielkie zmiany w chemii procesu mogą powodować nieprzewidziane interakcje z uszczelkami, powłokami, wężami i elementami wymiennika.

Wymienniki fluoropolimerowe nie są jedynymi systemami, które napotykają tę trudność, ale często działają w trudnych warunkach, gdzie nawet drobne wady uszczelnienia mogą być śmiertelne.

Podsumowując
Przejście na biorozpuszczalniki-jest głównym osiągnięciem w zrównoważonym przetwarzaniu chemicznym, ale wiąże się także z nowymi problemami związanymi ze zgodnością materiałową uszczelek wymienników ciepła z fluoropolimerów. Chociaż sam PTFE jest w dużej mierze odporny na większość rozpuszczalników organicznych, elastomerowe rdzenie uszczelek, takie jak Viton i EPDM, mogą różnie reagować na rozpuszczalniki odnawialne, zmieniając polarność i strukturę molekularną.

Testy zanurzeniowe ASTM D471 stają się coraz ważniejsze dla potwierdzenia działania uszczelek przy użyciu dostępnych obecnie zrównoważonych rozpuszczalników, zwłaszcza że bazy danych dotyczące kompatybilności w dalszym ciągu nadążają za rosnącym spektrum alternatywnych rozwiązań w zakresie zielonej chemii.

Niezawodne działanie uszczelniające zależy obecnie od zwrócenia większej uwagi na weryfikację materiału, jego przenikanie i-długoterminową interakcję rozpuszczalników.

Każda zmiana w chemii procesu w przetwarzaniu chemicznym ostatecznie wymaga skrupulatnej ponownej weryfikacji elementów, które mają ją zawierać.