Kako se grafitni izmjenjivač topline u bloku-uporedi sa PTFE školjkom-i-jedinicom?

Prilikom definiranja izmjenjivača topline za primjenu ekstremno korozivne kiseline, dva nemetalna izbora često dolaze u igru: grafitni blok izmjenjivači i PTFE izmjenjivači s omotačem-i-cijevnim izmjenjivačima. Oba su otporna na koroziju, ali njihova termička i mehanička svojstva čine ih pogodnim za različite primjene. Razumijevanje kompromisa-u smislu kompaktnosti, termičkih performansi, hemijske kompatibilnosti i mehaničke robusnosti je ključno pitanje za izbor odgovarajuće tehnologije.

Pregled dizajna: Grafitni blok naspram PTFE školjke i cijevi
Grafitni blok izmjenjivači topline izrađeni su od jednog ili više blokova nepropusnog grafita (grafit impregniran smolom). Svaki blok je izbušen sa dva seta prolaza, jedan za korozivni procesni fluid i jedan za servisni fluid (voda za hlađenje, para ili medij za grejanje). Blokovi su međusobno povezani pomoću ljepila punjenih grafitom- ili pomoću zaptivnih konektora. U zavisnosti od šeme bušenja, fluidi prolaze kroz cijevi u poprečnom-konfiguraciji ili suprotnom{5}}toku.

PTFE kućište-i-izmjenjivači topline se sastoje od snopa PTFE (politetrafluoroetilen) cijevi sa tankim stijenkama-, koje se nalaze u metalnoj ili plastičnoj ljusci. Korozivna tečnost putuje kroz PTFE cijevi (ili oko njih) dok servisna tekućina teče s druge strane. Srednje pregrade se obično koriste za podupiranje PTFE cijevi. Cjevni snop je zapečaćen na cijevnim listovima proširenim spojevima cijevi ili kompresionim spojnicama.

Dva dizajna se razlikuju na jedan glavni način, a to je mehanička fleksibilnost. Grafitni blokovi su čvrsti i nepopustljivi. PTFE cijevi su fleksibilne i mogu izdržati male vibracije i toplinska proširenja bez oštećenja.

Veliki plus grafita: toplotna provodljivost
Najvažnija razlika je u toplotnoj provodljivosti. Grafit ima toplotnu provodljivost od oko 80-120W/mK (prema kvalitetu grafita i smoli za impregnaciju). PTFE, međutim, ima toplotnu provodljivost od oko 0,25 W/m K-oko 300 do 400 puta nižu od grafita.

Ova ogromna razlika znači da grafitni blok izmjenjivač može biti nevjerojatno kompaktan za isti posao prijenosa topline. Grafitna jedinica je jedna-desetina zapremine PTFE jedinice tipa školjke i cijevi sa jednakim termičkim performansama. Grafitni blokovi nude izrazitu prednost u situacijama s ograničenim prostorom, kao što je naknadna ugradnja na postojeće rasporede opreme ili montaža na zagušene procesne podloge.

Suprotno tome, niska toplotna provodljivost PTFE-a znači da izmjenjivači topline sa čahurom{0}}i-sa PTFE cijevima trebaju relativno velike površine za prijenos topline. To dovodi do većih otisaka, dužih snopova cijevi i većeg promjera školjke. U praksi, PTFE izmjenjivači su obično potrebni samo tamo gdje njihova specijalna hemijska otpornost kompenzira smanjenje njihove veličine.

Mehanička svojstva: Krhka ili fleksibilna
Grafit je krta supstanca. Nepropusni grafit je jači od sirovog grafita, ali ga također može razbiti:

Mehanički udar (npr. izgubljeni alat, brzo kretanje cijevi)

Vodeni čekić u liniji servisne tečnosti

Ekstremni termalni ciklusi (brzo zagrijavanje ili hlađenje, posebno s temperaturnom razlikom većom od granica koje je odredio proizvođač)

Neujednačen obrtni moment vijaka na prirubnicama ili glavama

Ako se grafitni blok slomi, izmjenjivač se obično ne može popraviti. Pukotina može dovesti do unakrsnog-propuštanja između krugova procesne i servisne tekućine ili vanjskog curenja. Jedini način da to popravite je da zamijenite kompletan blok blokova. Ovo je često velika kapitalna investicija.

PTFE cijevi su, s druge strane, fleksibilne i izdržljive. Umjereni vodeni udar, vibracije i termalni ciklusi mogu se tolerirati bez oštećenja. Ako jedna PTFE cijev procuri (zbog abrazije ili mehaničke bušotine na primjer), ona se općenito može zapečatiti na oba lista cijevi, a ostale cijevi se i dalje mogu koristiti. Neki dizajni dozvoljavaju zamjenu cijevi, međutim to je radno intenzivno. Mehanički karakter PTFE-a koji oprašta čini ove izmenjivače pogodnijim za postrojenja sa manje strogom kontrolom stabilnosti protoka ili temperaturnog rampa.

Hemijska otpornost: širok raspon PTFE
I grafit i PTFE su otporni na širok spektar korozivnih kiselina, ali postoji nekoliko ključnih razlika.

Kompatibilan sa: Grafitom (nepropusna klasa)

Hlorovodonična kiselina (sve koncentracije do tačke ključanja)

Sumporna kiselina (do oko 80-85% na umjerenim temperaturama; veće količine zahtijevaju pažljiv odabir)

Fosforna kiselina 12.

- Organske kiseline.

Međutim, grafit oštećuju jake oksidirajuće kiseline kao što su:

Dušična kiselina (posebno koncentrirana ili zagrijana)

hromna kiselina (hromna kiselina)

Trebam carsku vodu

Pomiješane kiseline bez hlora ili broma

Oksidirajuće hemikalije prodiru u grafitnu strukturu i proizvode intergranularnu koroziju, što rezultira brzim kvarom. Izmjenjivači grafita se nikada ne bi trebali koristiti u takvim uslugama osim ako nije dobijeno odobrenje proizvođača za specijaliziranu vrstu grafita (fenol-impregniran v. furan-impregniran, uz ograničenja koja još uvijek vrijede).

PTFE je gotovo u potpunosti otporan na sve tvari osim na rastopljene alkalne metale i elementarni fluor na visokim temperaturama. PTFE je otporan na dušičnu kiselinu, hromnu kiselinu i sve druge oksidirajuće kiseline praktično u svim koncentracijama. Takođe je otporan na organske rastvarače, hlor i većinu procesnih fluida koji se nalaze u površinskoj obradi i hemijskoj obradi. Za vrlo neprijateljske mješavine (npr. carska voda, vruća koncentrovana dušična kiselina ili miješani kiseli rastvori za kiseljenje) PTFE je ponekad jedini mogući nemetalni izbor.

Svojstvo Grafitni blok izmjenjivač topline PTFE izmjenjivač topline-i-i cijevi
Toplotna provodljivost (W/mK) 80 –120 0.25
Relativna veličina za isti rad Kompaktan (1x osnovna linija)Veliki (10-15× veći)
Maksimalna kontinuirana temperatura 180-200 stepeni (zavisno od smole) ~110 stepeni (PTFE puzanje ograničeno)
Mehaničko ponašanje Krt, lomi se udarom ili vodenim čekićem Fleksibilan, otporan na vibracije i termičke cikluse
Popravljivost Općenito se ne može popraviti ako napukli blok. Cijevi se mogu blokirati ili zamijeniti pojedinačno
Otpornost na oksidirajuće kiseline (azotne, hromne) Slaba, ne preporučuje se Dobra; potpuno otporan
Tipične primjene H2SO4 hlađenje HCl grijanje/hlađenje Usluge organske kiseline Miješano kiselo kiseljenje, carska vodena voda, otopine koje sadrže hlor-, kupke za polaganje
Početna cijena (relativna) Viša (specijalizirana proizvodnja) Umjerena do niska
Temperaturna ograničenja
Izmjenjivači grafitnih blokova, kada su odgovarajuće impregnirani smolama (obično fenolnim ili furanskim), mogu raditi kontinuirano na temperaturama do 180-200 stepeni. Neke izuzetne ocjene su ocijenjene do 220 stepeni. Ovo čini grafit prikladnim za grijanje ili hlađenje koncentrirane sumporne kiseline, vruće pare klorovodične kiseline i drugih korozivnih tokova na visokim temperaturama.

PTFE izmjenjivači topline s školjkom i cijevi su ograničeni na oko 110 stupnjeva za kontinuiranu upotrebu. Iznad ove temperature PTFE počinje da slabi i puzi pod diferencijalnim pritiskom preko zida cijevi. Kratka kretanja do 120-130 stepeni se mogu tolerisati, ali produženo izlaganje visokim temperaturama dovodi do deformacije cijevi, curenja na spojevima cijevi i konačnog kvara. Za korozivno djelovanje na temperaturama iznad 110 stepeni, grafit je općenito jedina nemetalna alternativa, ili se mora istražiti metalni izmjenjivač sa neobičnim legiranim slojem.

Pitanja troškova i održavanja
Prvi trošak grafitnog blok izmjenjivača topline općenito je veći od cijene PTFE jedinice s školjkom i cijevi iste termičke funkcije. Grafitni blokovi zahtevaju precizno bušenje, posebne tehnike lepljenja i pažljivu kontrolu kvaliteta. PTFE snopovi cijevi se proizvode u velikom broju uz manje troškove materijala i proizvodnje.

Ali ukupni trošak vlasništva prilično zavise od aplikacije. Grafitni izmjenjivač može raditi desetljećima bez problema u čistoj, stabilnoj kiselini, bez mehaničkih udara ili oksidirajućih kemikalija. Njegov veći početni trošak opravdan je kompaktnom veličinom i visokom termičkom efikasnošću. U službi u kojoj su neizbježni udari vode ili termalni ciklusi, opasnost od pucanja grafita može učiniti povoljnijom konstrukciju od PTFE, čak i na račun većeg izmjenjivača.

Tehnike održavanja su nešto drugačije. Grafitni uređaji zahtijevaju delikatan proces-zatvaranja i gašenja-da bi se izbjegao termički udar. Cjedila se općenito savjetuju na strani servisne tekućine kako bi se spriječilo da krhotine zaprljaju površine bloka. PTFE izmjenjivači su manje osjetljivi na smetnje protoka, ali se moraju povremeno čistiti ako su mali prečnici cijevi oštećeni. Niska površinska energija PTFE (opisana u prethodnim odjeljcima) je prednost u smanjenju zaprljanja, međutim PTFE cijevi se mogu mehanički očistiti.

Vodič za donošenje odluka: Odabir pravog izmjenjivača za aplikaciju?
Odluka između grafitnog bloka i PTFE izmjenjivača topline-i-oklopa i cijevi zavisi od brojnih-specifičnih kriterija za primjenu.

Razmotrite izmjenjivač grafitnih blokova u slučaju:

Mora biti kompaktan zbog ograničenja prostora.

Temperature procesa su iznad 110 stepeni i ispod 200 stepeni.

Korozivna tečnost je sumporna kiselina, hlorovodonična kiselina ili ne-neoksidirajuća organska kiselina.

Servisna tečnost je čista i bez vodenih udara i ostataka.

Odgovarajući dizajn sistema može spriječiti mehanički udar i brzo kruženje topline.

Manja, termički efikasnija jedinica je prihvatljiva ako je potrebna veća početna kapitalna investicija.

Odaberite PTFE izmjenjivač školjke i cijevi kada:

Tečnost ima snažne oksidacione agense (dušičnu kiselinu, hromnu kiselinu, carsku vodu, mešane kiseline).

Temperature procesa su manje od 110 stepeni.

Sistem cjevovoda može izdržati vodeni udar, vibracije ili česte termičke cikluse.

Mehanička robusnost i rad koji oprašta važniji su od kompaktnosti.

Poželjni su niži početni troškovi i mogućnost začepljenja ili zamjene pojedinačnih cijevi.

Na raspolaganju je dovoljno prostora za veći otisak izmenjivača.

U praksi, mnoga postrojenja za hemijske procese pokreću oba tipa. Izmjenjivači grafita se uveliko koriste u sustavima hlađenja sumpornom kiselinom i u krugovima grijanja hlorovodoničnom kiselinom. PTFE izmjenjivači su preferirani izbor za mješovite linije za kiseljenje, galvanizirano grijanje/hlađenje kupke i tretman otpadnih kiselina gdje su prisutne oksidirajuće vrste.

Zaključak: lukava inženjerska odluka
I grafitni izmjenjivači topline blok dizajna i PTFE kućišta i cijevi su pogodni za industriju korozivnog prijenosa topline, ali se fundamentalno razlikuju u svojim prednostima i nedostacima. Grafit je dobar zbog svoje toplinske provodljivosti i veličine, ali je krhak, skup u početku i osjetljiv na oksidirajuće kiseline. PTFE ima nenadmašnu hemijsku otpornost i mehaničku fleksibilnost po nižoj ceni. Međutim, ima temperaturnu granicu od 110 stepeni i zahteva znatno veće površine.

Izbor se oslanja na korišćenu kiselinu, radnu temperaturu, mehaničko okruženje i raspoloživi prostor. Odabir materijala za izmjenjivače topline u korozivnom radu je više-aspektno inženjersko pitanje, uključujući-kompromis između termičkih performansi, hemijske kompatibilnosti, mehaničke izdržljivosti i troškova životnog{3}}cikla. "Tehnologija ne pobjeđuje tehnologiju općenito, ali svaka tehnologija ima svoju nišu u kojoj je superiorna."