In che modo i solventi-di origine biologica influiscono sulla scelta dei materiali per le guarnizioni dello scambiatore in fluoropolimero?

Gli scambiatori di calore che gestiscono solventi più ecologici e di derivazione biologica-devono cambiare insieme all'industria chimica. Pur presentando un'interazione leggermente diversa con le guarnizioni elastomeriche che sigillano uno scambiatore in fluoropolimero, un sostituto del toluene, del tetraidrofurano o del diclorometano può fornire prestazioni di processo paragonabili. La durezza, il rigonfiamento e la forza di tenuta a lungo termine della guarnizione possono essere influenzati anche da piccoli cambiamenti nell'affinità del solvente.

Verificare se i materiali di tenuta tradizionalmente affidabili siano ancora compatibili con la nuova generazione di solventi rinnovabili è una nuova sfida ingegneristica determinata dallo spostamento verso una chimica sostenibile.

La crescente importanza della selezione delle guarnizioni per scambiatori in fluoropolimero compatibile con solventi di origine biologica rispecchia la più ampia spinta del settore verso prodotti chimici di processo a bassa-tossicità e bio-derivati.

Perché i solventi-biologici si comportano diversamente
Molti solventi sostenibili contemporanei sono realizzati per funzionare in modo simile ai tradizionali solventi petrolchimici pur avendo meno effetti negativi sull'ambiente o essendo velenosi.

Gli esempi sono costituiti da:

2-MeTHF o metiltetraidrofurano

Ciclopentilmetil etere (CPME)

Lattato etilico

Carbonato dimetilico

Esteri generati da biomassa

Solventi a base di terpeni

Nonostante questi materiali possano essere direttamente sostituiti nei processi attuali, le loro strutture molecolari spesso differiscono da quelle dei solventi che sostituiscono.

La compatibilità della guarnizione è influenzata da una serie di proprietà chimiche:

Polarità delle molecole

Chimica dei gruppi funzionali

Diffusione dei solventi

Dimensioni molecolari

Comportamento dei legami idrogeno

Queste variazioni possono influenzare la penetrazione del solvente o l'interazione con i materiali sigillanti elastomerici.

Essendo un prodotto chimico, un solvente verde deve comunque essere costantemente contenuto all'interno dello scambiatore.

I motivi per cui le guarnizioni sono più pericolose del PTFE
Le principali superfici bagnate degli scambiatori di calore in fluoropolimeri sono spesso realizzate in PTFE o fluoropolimeri simili. In generale, il PTFE è ancora resistente a quasi tutti i solventi organici e ai prodotti chimici aggressivi.

I sistemi di guarnizioni, tuttavia, sono più complessi.

Molti gruppi di guarnizioni dello scambiatore combinano materiali diversi, come:

Guarnizioni per buste in PTFE

Nuclei in Viton

Elastomeri realizzati in EPDM

Supporti in silicone

Otturazioni in PTFE espanso

Lo strato esterno in PTFE può fornire schermatura chimica, ma il nucleo elastomerico interno controlla comunque la comprimibilità e la resilienza della tenuta.

Nel corso del tempo, l'elastomero sottostante può gonfiarsi, ammorbidirsi, restringersi o indurirsi se le molecole di solvente penetrano attraverso piccoli difetti, giunture o superfici esposte.

L'impatto del rigonfiamento del solvente sulle prestazioni della guarnizione
Quando le molecole di solvente permeano la struttura dell'elastomero ed espandono fisicamente il materiale, si verifica il rigonfiamento della guarnizione.

Un rigonfiamento moderato può inizialmente migliorare la forza di tenuta, ma un assorbimento eccessivo spesso genera gravi difficoltà a lungo termine.

I potenziali impatti includono:

Perdita di forza di compressione

Ammorbidimento del nucleo della guarnizione

Deformazione permanente

Estrusione-indotta dalla pressione

diminuzione della ritenzione del carico del bullone

Perdite di tenuta durante il ciclo termico

Al contrario, alcuni solventi possono estrarre plastificanti o additivi dagli elastomeri, causando ritiro e infragilimento anziché rigonfiamento.

Entrambe le circostanze possono danneggiare l'integrità della tenuta.

Difficoltà di Viton ed EPDM nei solventi-a base biologica
A causa della loro elevata resistenza chimica agli idrocarburi e ai solventi clorurati, i fluoroelastomeri come il Viton venivano spesso ampiamente utilizzati nei tradizionali servizi con solventi.

Tuttavia, alcuni solventi bio-derivati ​​più recenti hanno una chimica estere o gruppi funzionali ossigenati che interagiscono con le reti di elastomeri in modi insoliti.

Variabilità nelle prestazioni del Viton
Storicamente, le guarnizioni con involucro in PTFE con nuclei in Viton hanno mostrato buone prestazioni in una varietà di sistemi a solvente. Tuttavia, alcuni solventi a base biologica- potrebbero ammorbidire il componente Viton con maggiore forza del previsto, soprattutto quando la polarità o il contenuto di esteri aumentano.

Tale condotta potrebbe comportare:

Tenacità diminuita

Insieme di compressione

Rigonfiamento

Instabilità della guarnizione sotto carico

Differenze di compatibilità EPDM
L'EPDM può reagire negativamente con alcuni solventi organici, ma normalmente funziona bene con fluidi polari e sistemi a base di acqua-.

Con l’espansione della chimica dei solventi sostenibile, le ipotesi di compatibilità basate sui solventi petrolchimici convenzionali diventano meno affidabili.

Test di compatibilità con ASTM D471
ASTM D471 è la procedura di laboratorio standard per valutare la compatibilità di gomma ed elastomeri.

Questo metodo di prova analizza come cambia un materiale dopo l'immersione controllata in un fluido chimico.

I tipici criteri di valutazione includono:

Aumento di volume

Cambiamento di durezza

Variazione della resistenza alla trazione

Variazione di peso

Degrado dell'aspetto

Se il materiale di una guarnizione si gonfia o si ammorbidisce troppo in un nuovo ambiente solvente, è possibile determinarlo immediatamente utilizzando un semplice test di immersione.

I test ASTM D471 vengono sempre più eseguiti per materiali che hanno decenni di storia di utilizzo dimostrata con solventi più vecchi perché molti solventi sostenibili sono relativamente nuovi per la lavorazione industriale.

Considerazioni sulla permeazione del PTFE
La permeazione può tuttavia verificarsi in alcune circostanze, anche se si ritiene che il PTFE sia chimicamente inerte praticamente a tutti i solventi organici.

In particolare a temperature elevate o tempi di esposizione prolungati, piccole molecole di solvente possono diffondersi lentamente attraverso le strutture del fluoropolimero.

Il PTFE stesso non è sempre danneggiato dalla permeazione, sebbene possa consentire l'interazione del solvente con:

Nuclei della guarnizione all'interno

strati di rinforzo

Materiali secondari per la sigillatura

Pertanto, anche quando le superfici in PTFE sembrano chimicamente impermeabili, la piena compatibilità del gruppo guarnizione è ancora fondamentale.

La necessità di cambiare i database di compatibilità
Decenni di esperienza con i tradizionali solventi petrolchimici hanno portato allo sviluppo di numerose tabelle di compatibilità chimica pubblicate.

La chimica sostenibile dei solventi sta ora crescendo più rapidamente di alcuni degli attuali database di riferimento.

Le famiglie di nuovi solventi spesso mancano di:

Dati sull'invecchiamento a lungo-termine

Studi sulla permeazione

Record di compatibilità alle alte-temperature

Risultati dell'esposizione mista-a solventi

Validazione del ciclo termico

Ciò significa che invece di dipendere solo dalle presunzioni del passato, i produttori di scambiatori e gli utenti finali hanno ora un ulteriore bisogno di confermare la compatibilità attraverso la sperimentazione.

Durante la certificazione dei processi e le specifiche delle apparecchiature, la documentazione di compatibilità certificata sta diventando sempre più cruciale.

Tendenze nella selezione dei materiali per scambiatori di fluoropolimeri
La risposta industriale allo sviluppo della chimica dei solventi sta già influenzando i piani relativi ai materiali per guarnizioni.

Stanno emergendo diverse tendenze:

Maggiore utilizzo di guarnizioni completamente incapsulate
Sistemi di solventi più aggressivi stanno suscitando interesse nei progetti di guarnizioni in PTFE completamente incapsulate che riducono l'esposizione agli elastomeri.

Maggiore convalida in laboratorio
Invece di utilizzare solventi di riferimento a-componente singolo per i test di compatibilità chimica, vengono sempre più utilizzate miscele di processo reali.

Miscele di elastomeri personalizzate
I fornitori di guarnizioni stanno creando composti fluoroelastomerici ed EPDM modificati progettati per la resistenza ai solventi rinnovabili.

Requisiti di qualificazione dei fornitori più severi
Gli utenti finali richiedono sempre più:

Dati ASTM D471

Studi di immersione a lungo-termine

Validazione dell'invecchiamento termico

Risultati del test di permeazione

L'attenzione si sta spostando dai presupposti di compatibilità generici alla convalida-specifica dell'applicazione.

L'effetto più ampio sulla progettazione delle apparecchiature di processo
Il dibattito sulla scelta delle guarnizioni dello scambiatore in fluoropolimero per la compatibilità con solventi a base biologica- rispecchia un cambiamento più ampio in atto nel settore della lavorazione chimica.

I materiali delle apparecchiature devono cambiare continuamente man mano che la chimica sostenibile avanza per:

Caratteristiche di polarità di nuovi solventi

Modificare il comportamento di estrazione

Varie caratteristiche di permeazione

Nuove esigenze di stabilità termica

Anche lievi alterazioni alla chimica del processo possono causare interazioni impreviste con guarnizioni, rivestimenti, tubi flessibili e componenti dello scambiatore.

Gli scambiatori in fluoropolimeri non sono gli unici sistemi che devono affrontare questa difficoltà, ma spesso funzionano in condizioni difficili dove anche piccoli difetti di tenuta possono essere fatali.

Insomma
La transizione verso solventi a base biologica- segna un risultato importante nella lavorazione chimica sostenibile, ma comporta anche nuovi problemi di compatibilità dei materiali per le guarnizioni degli scambiatori di calore in fluoropolimero. Sebbene il PTFE stesso sia ampiamente resistente alla maggior parte dei solventi organici, i nuclei delle guarnizioni elastomeriche come Viton ed EPDM possono rispondere in modo diverso ai solventi rinnovabili con polarità e struttura molecolare che cambiano.

I test di immersione ASTM D471 stanno diventando sempre più cruciali per confermare le prestazioni delle guarnizioni con gli attuali solventi sostenibili, in particolare perché i database di compatibilità continuano a mettersi al passo con lo spettro in espansione di alternative chimiche verdi.

Le prestazioni di tenuta affidabili ora dipendono da una maggiore attenzione alla convalida dei materiali, al comportamento di permeazione e all'interazione dei solventi a lungo termine.

Ogni cambiamento nella chimica del processo nella lavorazione chimica alla fine richiede una meticolosa riverifica degli elementi che dovrebbero contenerlo.