Como os solventes-de base biológica estão afetando a seleção de materiais para juntas de trocador de fluoropolímero?

Os trocadores de calor que lidam com solventes-bioderivados mais ecológicos devem mudar junto com a indústria química. Embora exiba uma interação um pouco diferente com as juntas elastoméricas que vedam um trocador de fluoropolímero, um substituto para tolueno, tetrahidrofurano ou diclorometano pode fornecer desempenho de processo comparável. A dureza, o inchaço e a{3}}força de vedação da junta a longo prazo podem ser afetados mesmo por pequenas alterações na afinidade do solvente.

Verificar se os materiais de vedação tradicionalmente confiáveis ​​ainda são compatíveis com a mais nova geração de solventes renováveis ​​é um novo desafio de engenharia trazido pela mudança em direção à química sustentável.

A crescente importância da seleção de juntas de trocador de fluoropolímero com compatibilidade com solventes de base biológica reflete o impulso mais amplo da indústria em direção a produtos químicos de processo de baixa-toxicidade e de{1}}bioderivados.

Por que os solventes-de base biológica se comportam de maneira diferente
Muitos solventes sustentáveis ​​contemporâneos são feitos para funcionar de forma semelhante aos solventes petroquímicos tradicionais, embora tenham menos efeitos adversos ao meio ambiente ou sejam venenosos.

Exemplos incluem:

2-MeTHF ou metiltetrahidrofurano

Éter ciclopentilmetílico (CPME)

Lactato etil

Carbonato dimetil

Ésteres gerados a partir de biomassa

Solventes à base de terpenos

Apesar de estes materiais poderem ser directamente substituídos nos processos actuais, as suas estruturas moleculares diferem frequentemente das dos solventes que substituem.

A compatibilidade da junta é influenciada por uma série de propriedades químicas:

Polaridade das moléculas

Química de grupos funcionais

Difusão de solventes

Dimensões moleculares

Comportamento das ligações de hidrogênio

Estas variações podem afetar a penetração do solvente ou a interação com materiais de vedação elastoméricos.

Sendo um produto químico, um solvente verde ainda precisa estar contido de forma consistente no trocador.

As razões pelas quais as juntas são mais perigosas que o PTFE
As principais superfícies molhadas dos trocadores de calor de fluoropolímero são frequentemente feitas de PTFE ou fluoropolímeros similares. Em geral, o PTFE ainda é resistente a quase todos os solventes orgânicos e produtos químicos agressivos.

Os sistemas de gaxeta, entretanto, são mais complexos.

Muitos conjuntos de juntas do trocador combinam diferentes materiais, como:

Juntas para envelopes de PTFE

Núcleos Viton

Elastômeros feitos de EPDM

Suportes de silicone

Obturações de PTFE que são expandidas

A camada externa de PTFE pode fornecer proteção química, mas o núcleo elastomérico interno ainda controla a compressibilidade e a resiliência da vedação.

Com o tempo, o elastômero abaixo pode inchar, amolecer, encolher ou endurecer se as moléculas do solvente vazarem através de pequenas falhas, costuras ou superfícies expostas.

O impacto do inchaço do solvente no desempenho da junta
Quando as moléculas de solvente permeiam a estrutura do elastômero e expandem fisicamente o material, ocorre o inchaço da junta.

O inchaço moderado pode inicialmente melhorar a força de vedação, mas a absorção excessiva geralmente gera grandes dificuldades-a longo prazo.

Os impactos potenciais incluem:

Perda de resistência à compressão

Amolecimento do núcleo da junta

Deformação permanente

Extrusão-induzida por pressão

diminuição da retenção da carga do parafuso

Vazamento de vedação durante o ciclo térmico

Por outro lado, alguns solventes podem extrair plastificantes ou aditivos dos elastômeros, causando encolhimento e fragilização em vez de inchaço.

Qualquer uma das circunstâncias pode danificar a integridade da vedação.

Dificuldades de Viton e EPDM em solventes-de base biológica
Devido à sua grande resistência química a hidrocarbonetos e solventes clorados, os fluoroelastômeros como o Viton foram frequentemente utilizados extensivamente em serviços tradicionais de solventes.

No entanto, alguns solventes bio-derivados mais recentes têm química de ésteres ou grupos funcionais oxigenados que interagem com redes de elastômeros de maneiras incomuns.

Variabilidade no desempenho do Viton
Historicamente, as juntas de envelope de PTFE com núcleos Viton têm mostrado bom desempenho em uma variedade de sistemas solventes. No entanto, alguns solventes-de base biológica podem amolecer o componente Viton com mais força do que o previsto, especialmente quando a polaridade ou o conteúdo de éster aumenta.

Essa conduta pode resultar em:

Resistência diminuída

Conjunto de compressão

Inchaço

Instabilidade da vedação sob carga

Diferenças de compatibilidade de EPDM
O EPDM pode reagir adversamente com alguns solventes orgânicos, mas normalmente funciona bem em fluidos polares e sistemas-à base de água.

À medida que a química de solventes sustentáveis ​​se expande, as suposições de compatibilidade baseadas em solventes petroquímicos convencionais tornam-se menos confiáveis.

Teste de compatibilidade com ASTM D471
ASTM D471 é o procedimento laboratorial padrão para avaliar a compatibilidade de borracha e elastômero.

Este método de teste analisa como um material muda após imersão controlada em um fluido químico.

Os critérios de avaliação típicos incluem:

Aumento de volume

Mudança de dureza

Variação na resistência à tração

Mudança de peso

Degradação da aparência

Se o material da junta inchar ou amolecer muito em um novo ambiente de solvente, isso pode ser determinado imediatamente usando um teste de imersão simples.

Os testes ASTM D471 são cada vez mais realizados para materiais que tiveram décadas de histórico de serviço comprovado com solventes mais antigos porque muitos solventes sustentáveis ​​são relativamente novos para o processamento industrial.

Considerações sobre permeação de PTFE
No entanto, a permeação pode ocorrer em algumas circunstâncias, embora se pense que o PTFE é quimicamente inerte a praticamente todos os solventes orgânicos.

Particularmente a altas temperaturas ou tempos de exposição prolongados, pequenas moléculas de solvente podem difundir-se lentamente através de estruturas de fluoropolímero.

O próprio PTFE nem sempre é prejudicado pela permeação, embora possa permitir a interação do solvente com:

Núcleos de junta dentro

camadas de reforço

Materiais secundários para vedação

Portanto, mesmo quando as superfícies de PTFE parecem quimicamente impermeáveis, a compatibilidade total da montagem da junta ainda é crucial.

A necessidade de mudança nos bancos de dados de compatibilidade
Décadas de experiência com solventes petroquímicos tradicionais levaram ao desenvolvimento de inúmeras tabelas publicadas de compatibilidade química.

A química sustentável dos solventes está agora a crescer mais rapidamente do que algumas das actuais bases de dados de referência.

As famílias de novos solventes frequentemente carecem de:

Dados sobre envelhecimento-de longo prazo

Estudos sobre permeação

Registros de compatibilidade-com altas temperaturas

Resultados da exposição-mista a solventes

Validação do ciclo térmico

Isto significa que, em vez de depender apenas de suposições do passado, os fabricantes de trocadores e os usuários finais agora têm uma necessidade extra de confirmar a compatibilidade por meio de experimentação.

Durante a certificação de processos e especificações de equipamentos, a documentação certificada de compatibilidade está se tornando cada vez mais crucial.

Tendências na seleção de materiais para trocadores de fluoropolímero
A resposta industrial ao desenvolvimento da química dos solventes já está influenciando os planos de materiais para juntas.

Várias tendências estão surgindo:

Maior utilização de juntas completamente encapsuladas
Sistemas de solventes mais agressivos estão gerando interesse em designs de juntas de PTFE totalmente encapsuladas que reduzem a exposição ao elastômero.

Maior validação no laboratório
Em vez de usar solventes de referência de{0}componente único para testes de compatibilidade química, misturas de processos reais estão sendo cada vez mais usadas.

Misturas de Elastômeros Sob Medida
Os fornecedores de juntas estão criando compostos modificados de fluoroelastômero e EPDM projetados para resistência a solventes renováveis.

Requisitos mais rigorosos de qualificação de fornecedores
Os usuários finais estão solicitando cada vez mais:

Dados ASTM D471

Estudos de imersão-de longo prazo

Validação do envelhecimento térmico

Resultados dos testes de permeação

O foco está mudando das suposições genéricas de compatibilidade para a validação-específica do aplicativo.

O efeito mais amplo no projeto de equipamentos de processo
O debate sobre a seleção da junta do trocador de fluoropolímero para compatibilidade com solventes de base biológica reflete uma mudança mais ampla que está ocorrendo na indústria de processamento químico.

Os materiais dos equipamentos devem sempre mudar à medida que a química sustentável avança para:

Características de polaridade de novos solventes

Modificando o comportamento da extração

Vários recursos de permeação

Novas demandas por estabilidade térmica

Mesmo pequenas alterações na química do processo podem causar interações imprevistas com vedações, revestimentos, mangueiras e componentes do trocador.

Os trocadores de fluoropolímero não são os únicos sistemas que enfrentam essa dificuldade, mas geralmente funcionam em condições adversas, onde até mesmo pequenas falhas de vedação podem ser fatais.

Para concluir
A transição para solventes-de base biológica marca uma grande conquista no processamento químico sustentável, mas também traz novos problemas de compatibilidade de materiais para juntas de trocadores de calor de fluoropolímero. Embora o próprio PTFE seja amplamente resistente à maioria dos solventes orgânicos, os núcleos de gaxetas elastoméricas, como Viton e EPDM, podem responder de maneira diferente aos solventes renováveis, com mudança de polaridade e estrutura molecular.

Os testes de imersão ASTM D471 estão se tornando cada vez mais cruciais para confirmar o desempenho da gaxeta com os solventes sustentáveis ​​atuais, especialmente à medida que os bancos de dados de compatibilidade continuam acompanhando o espectro crescente de alternativas de química verde.

O desempenho confiável da vedação agora depende de maior atenção à validação do material, ao comportamento de permeação e à interação-com solventes a longo prazo.

Cada mudança na química do processo no processamento químico eventualmente exige uma reverificação meticulosa dos itens que deveriam contê-la.