¿Cómo afectan los disolventes de base biológica-la selección de materiales para las juntas de intercambiador de fluoropolímero?

Los intercambiadores de calor que manejan solventes bio-de origen biológico más ecológicos deben cambiar junto con la industria química. Si bien presenta una interacción algo diferente con las juntas elastoméricas que sellan un intercambiador de fluoropolímero, un sustituto del tolueno, tetrahidrofurano o diclorometano puede proporcionar un rendimiento del proceso comparable. La dureza de la junta, la hinchazón y la fuerza de sellado-a largo plazo pueden verse afectadas incluso por pequeños cambios en la afinidad del disolvente.

Verificar si los materiales de sellado tradicionalmente confiables siguen siendo compatibles con la última generación de solventes renovables es un nuevo desafío de ingeniería planteado por el cambio hacia la química sustentable.

La creciente importancia de la selección de juntas para intercambiadores de fluoropolímeros compatibles con disolventes biológicos refleja el impulso más amplio de la industria hacia productos químicos de proceso de baja-toxicidad y bio-derivados.

Por qué los disolventes de base biológica-se comportan de forma diferente
Muchos solventes sostenibles contemporáneos están hechos para funcionar de manera similar a los solventes petroquímicos tradicionales, pero tienen menos efectos adversos sobre el medio ambiente o son menos venenosos.

Los ejemplos consisten en:

2-MeTHF o metiltetrahidrofurano

Éter ciclopentilmetílico (CPME)

lactato de etilo

carbonato de dimetilo

Ésteres generados a partir de biomasa.

Disolventes a base de terpenos

A pesar de que estos materiales pueden sustituirse directamente en los procesos actuales, sus estructuras moleculares frecuentemente difieren de las de los disolventes a los que reemplazan.

La compatibilidad de las juntas está influenciada por una serie de propiedades químicas:

Polaridad de las moléculas.

Química de grupos funcionales.

Difusión de disolventes.

Dimensiones moleculares

Comportamiento de los enlaces de hidrógeno.

Estas variaciones pueden afectar la penetración del solvente o la interacción con los materiales de sellado elastoméricos.

Al ser un producto químico, el disolvente verde aún debe estar contenido de manera constante dentro del intercambiador.

Las razones por las que las juntas son más peligrosas que el PTFE
Las principales superficies húmedas de los intercambiadores de calor de fluoropolímeros suelen estar hechas de PTFE o fluoropolímeros similares. En general, el PTFE sigue siendo resistente a casi todos los disolventes orgánicos y productos químicos agresivos.

Los sistemas de juntas, sin embargo, son más complejos.

Muchos conjuntos de juntas de intercambiador combinan diferentes materiales, como por ejemplo:

Juntas para sobres de PTFE

Núcleos de vitón

Elastómeros de EPDM

Soportes de silicona

Rellenos de PTFE expandidos

La capa exterior de PTFE puede proporcionar protección química, pero el núcleo elastomérico interior aún controla la compresibilidad y la resiliencia del sellado.

Con el tiempo, el elastómero que se encuentra debajo puede hincharse, ablandarse, encogerse o endurecerse si las moléculas de solvente se filtran a través de pequeños defectos, uniones o superficies expuestas.

El impacto del hinchamiento del disolvente en el rendimiento de las juntas
Cuando las moléculas de disolvente impregnan la estructura del elastómero y expanden físicamente el material, se produce el hinchamiento de la junta.

La hinchazón moderada puede mejorar inicialmente la fuerza de sellado, pero la absorción excesiva a menudo genera dificultades importantes a largo plazo-.

Los impactos potenciales incluyen:

Pérdida de fuerza de compresión.

Ablandamiento del núcleo de la junta.

Deformación que es permanente

Extrusión inducida por presión-

disminución de la retención de la carga del perno

Sello con fugas durante el ciclo térmico

Por el contrario, algunos disolventes pueden extraer plastificantes o aditivos de los elastómeros, provocando contracción y fragilización en lugar de hinchazón.

Cualquiera de las circunstancias puede dañar la integridad del sellado.

Dificultades de Viton y EPDM en disolventes de base biológica-
Debido a su gran resistencia química a los hidrocarburos y disolventes clorados, los fluoroelastómeros como Viton se utilizaban con frecuencia en servicios de disolventes tradicionales.

Sin embargo, algunos disolventes bio-de origen biológico más recientes tienen una química de ésteres o grupos funcionales oxigenados que interactúan con las redes de elastómeros de formas inusuales.

Variabilidad en el rendimiento de Viton
Históricamente, las juntas envolventes de PTFE con núcleos de Viton han mostrado un buen rendimiento en una variedad de sistemas solventes. Sin embargo, algunos disolventes de base biológica-pueden ablandar el componente de Viton con más fuerza de lo previsto, especialmente cuando aumenta la polaridad o el contenido de éster.

Esta conducta podría resultar en:

Dureza disminuida

Conjunto de compresión

Hinchazón

Inestabilidad del sello bajo carga.

Diferencias de compatibilidad de EPDM
El EPDM puede reaccionar negativamente con algunos disolventes orgánicos, pero normalmente funciona bien en fluidos polares y sistemas-a base de agua.

A medida que se expande la química de solventes sustentables, los supuestos de compatibilidad basados ​​en solventes petroquímicos convencionales se vuelven menos confiables.

Pruebas de compatibilidad con ASTM D471
ASTM D471 es el procedimiento de laboratorio estándar para evaluar la compatibilidad del caucho y el elastómero.

Este método de prueba analiza cómo cambia un material después de una inmersión controlada en un fluido químico.

Los criterios de evaluación típicos incluyen:

aumento de volumen

Cambio de dureza

Variación de la resistencia a la tracción.

cambio de peso

Degradación de la apariencia

Si el material de una junta se hincha o se ablanda demasiado en un nuevo entorno solvente, se puede determinar inmediatamente mediante una sencilla prueba de inmersión.

Las pruebas ASTM D471 se realizan cada vez más para materiales que tenían décadas de historial de servicio demostrado con solventes más antiguos porque muchos solventes sustentables son relativamente nuevos en el procesamiento industrial.

Consideraciones sobre la permeación del PTFE
No obstante, en algunas circunstancias puede producirse permeación, aunque se cree que el PTFE es químicamente inerte a prácticamente todos los disolventes orgánicos.

Particularmente a altas temperaturas o tiempos de exposición prolongados, las pequeñas moléculas de solvente pueden difundirse lentamente a través de las estructuras de fluoropolímero.

El PTFE en sí no siempre resulta dañado por la permeación, aunque puede permitir la interacción del disolvente con:

Núcleos de juntas en el interior

capas de refuerzo

Materiales secundarios para sellar.

Por lo tanto, incluso cuando las superficies de PTFE parecen químicamente impermeables, la compatibilidad total del conjunto de juntas sigue siendo crucial.

La necesidad de cambiar las bases de datos de compatibilidad
Décadas de experiencia con disolventes petroquímicos tradicionales llevaron al desarrollo de numerosas tablas de compatibilidad química publicadas.

La química de disolventes sostenible está creciendo ahora más rápido que algunas de las bases de datos de referencia actuales.

Las familias de nuevos disolventes suelen carecer de:

Datos sobre el envejecimiento-a largo plazo

Estudios sobre permeación

Registros de compatibilidad con altas-temperaturas

Resultados de la exposición a disolventes-mixtos

Validación del ciclado térmico.

Esto significa que, en lugar de depender únicamente de suposiciones pasadas, los fabricantes de intercambiadores y los usuarios finales ahora tienen una necesidad adicional de confirmar la compatibilidad mediante la experimentación.

Durante la certificación de procesos y la especificación de equipos, la documentación de compatibilidad certificada es cada vez más crucial.

Tendencias en la selección de materiales para intercambiadores de fluoropolímeros
La respuesta industrial al desarrollo de la química de disolventes ya está influyendo en los planes de materiales para juntas.

Están surgiendo varias tendencias:

Mayor utilización de juntas completamente encapsuladas
Los sistemas de disolventes más agresivos están generando interés en diseños de juntas de PTFE totalmente encapsuladas que reducen la exposición al elastómero.

Mayor validación en el laboratorio
En lugar de utilizar disolventes de referencia de un solo-componente para las pruebas de compatibilidad química, cada vez se utilizan más mezclas de procesos reales.

Mezclas de elastómeros a medida
Los proveedores de juntas están creando compuestos de EPDM y fluoroelastómeros modificados diseñados para ofrecer resistencia a disolventes renovables.

Requisitos de calificación de proveedores más estrictos
Los usuarios finales solicitan cada vez más:

Datos ASTM D471

Estudios de inmersión a largo plazo-

Validación del envejecimiento térmico.

Resultados de las pruebas de permeación.

La atención se está desplazando de las suposiciones de compatibilidad genéricas hacia la validación-específica de la aplicación.

El efecto más amplio en el diseño de equipos de proceso
El debate sobre la selección de juntas de intercambiador de fluoropolímero para la compatibilidad con disolventes de base biológica- refleja un cambio más amplio que se está produciendo en la industria de procesamiento de productos químicos.

Los materiales de los equipos siempre deben cambiar a medida que la química sostenible avanza hacia:

Características de polaridad de nuevos disolventes.

Modificando el comportamiento de la extracción.

Varias características de permeación

Nuevas exigencias de estabilidad térmica.

Incluso ligeras alteraciones en la química del proceso pueden provocar interacciones imprevistas con sellos, revestimientos, mangueras y componentes del intercambiador.

Los intercambiadores de fluoropolímero no son los únicos sistemas que enfrentan esta dificultad, pero a menudo funcionan en condiciones difíciles donde incluso los defectos menores de sellado pueden ser fatales.

En conclusión
La transición hacia disolventes de base biológica-marca un logro importante en el procesamiento químico sostenible, pero también trae consigo nuevos problemas de compatibilidad de materiales para las juntas de intercambiadores de calor de fluoropolímero. Aunque el PTFE en sí es en gran medida resistente a la mayoría de los solventes orgánicos, los núcleos de juntas elastoméricas como Viton y EPDM pueden responder de manera diferente a los solventes renovables con polaridad y estructura molecular cambiantes.

Las pruebas de inmersión ASTM D471 se están volviendo cada vez más cruciales para confirmar el rendimiento de las juntas con los solventes sostenibles actuales, particularmente a medida que las bases de datos de compatibilidad continúan poniéndose al día con el espectro en expansión de alternativas de química verde.

El rendimiento confiable del sellado ahora depende de una mayor atención a la validación del material, el comportamiento de permeación y la interacción de solventes a largo plazo-.

Cada cambio en la química del proceso en el procesamiento químico eventualmente requiere una nueva verificación meticulosa de los elementos que se supone que lo contienen.