Ako sa porovnávajú všetky-fluórpolymérové výmenníky tepla s kovovými výmenníkmi s fluórpolymérovým obložením?
Zanechajte správu
Pre korozívnu prevádzku, keď tlak alebo teplota prekračujú limity pevných fluórovaných polymérov, je kompromisom kovový výmenník tepla vnútorne obložený fluórpolymérom. Diskutuje sa o kompromisoch-v spoľahlivosti, nákladoch a výkonnosti tejto techniky v porovnaní s-fluórpolymérovým výmenníkom. Tieto nezrovnalosti sú veľmi dôležité pre procesných inžinierov, ktorí navrhujú zariadenia na prenos tepla pre veľmi agresívne kyseliny, linky na morenie zmiešaných kyselín alebo náročné chemické reaktory.
Typy konštrukcií: Ako zabrániť korózii fluoropolymérov 2 spôsobmi
Všetky -fluórpolymérové výmenníky tepla sú vyrobené výlučne z fluórpolymérových materiálov, ako je PTFE (polytetrafluóretylén), PFA (perfluóralkoxyalkán) alebo FEP (fluórovaný etylénpropylén). Pevný fluórpolymér sa používa na plášť (ak existuje), zväzok rúrok, plechy rúrok a všetky navlhčené vnútorné povrchy. Najbežnejšie konfigurácie sú plášťové-a{4}}rúrky (PTFE alebo PFA hadičky) a ponorné cievky. Žiadne kovové časti sa nedotýkajú korozívnej procesnej kvapaliny.
Fluórpolymérové-kovové výmenníky pozostávajú z kovového plášťa, ktorý drží tlak a rúrkových plechov vyrobených z uhlíkovej ocele, nehrdzavejúcej ocele alebo iných zliatin. Potom sú vnútorné povrchy, ktoré sú v kontakte s korozívnou kvapalinou, obložené fluórpolymérom, zvyčajne PTFE alebo PFA. Techniky podšívky:
Obloženie plechu: PTFE plechy sú privarené alebo prilepené na kovový podklad.
Striekanie alebo elektrostatické nanášanie: Nanášajú sa tenšie fluoropolymérové povlaky a spekajú sa.
Voľná podšívka: Odnímateľná PTFE ponožka umiestnená v kovovom plášti.
Hrúbka obloženia je zvyčajne 0,5 až 1,5 milimetra v závislosti od aplikácie a typu vložky.
Hodnotenie tlaku: Veľká výhoda lemovaných kovových výmenníkov
Najdôležitejším rozdielom medzi týmito dvoma systémami je ich schopnosť zadržať tlak.
Tlak všetkých -fluórpolymérových výmenníkov je obmedzený mechanickou pevnosťou samotného fluórpolyméru. PTFE a PFA majú nízku pevnosť v ťahu (zvyčajne 20–30 MPa) a čo je kritickejšie, pri trvalom zaťažení vykazujú tečenie (tečenie za studena). Pri vyšších tlakoch sa fluórpolymér deformuje, čo spôsobí kolaps rúrky, presakovanie rúrkového plechu alebo prasknutie plášťa. Typické praktické maximálne prevádzkové tlaky všetkých fluórpolymérových plášťových-a{7}}trubkových výmenníkov sú 3–5 barov (45–75 psi) na strane fluoropolyméru. Niektoré špecificky zosilnené konštrukcie dosahujú 7 barov, aj keď sú zriedkavé.
Na druhej strane lemované kovové výmenníky závisia od kovového plášťa a rúrok, aby zadržali tlak. Uhlíková oceľ môže bezpečne zvládnuť tlaky 10 barov, 20 barov alebo vyššie, ktoré sú obmedzené iba konštrukčným kódom (napr. ASME sekcia VIII) a menovitými hodnotami prírub. Na fluoropolymérovej vložke nezávisí štrukturálna integrita, je to len korózna bariéra. Vo vysokotlakových kyslých prevádzkach, ako sú rafinérie, chemické závody alebo vysokotlakové práčky s kyselinou chlorovodíkovou, sú výmenníky s obložením všeobecne jedinou nekovovou -možnosťou.
teplotné limity; Dôležité rozdiely a podobnosti
Maximálna nepretržitá teplota samotného fluórpolyméru je podobná pre všetky -fluórpolymérové a vložkované fluórpolymérové výmenníky. Nad približne 200 stupňami (392 stupňov F) pre PFA a 260 stupňov (500 stupňov F) pre PTFE začnú PTFE aj PFA pri krátkych expozíciách výrazne zmäkčovať a plaziť sa. Ale praktické nepretržité prevádzkové teploty sú nižšie:
Všetky fluórpolymérové výmenníky: Vo všeobecnosti obmedzené na 110-120 stupňov pre PTFE (pretože pod tlakovými rozdielmi v rúre dochádza k tečeniu) a 150-180 stupňov pre PFA (v dôsledku hrúbky steny a konštrukcie podpery).
Kovové výmenníky s vložkou: Vložka je podopretá kovovým substrátom, čím sa zabráni rozsiahlej deformácii. Môžu pracovať pri vyšších teplotách. Oceľové výmenníky potiahnuté PTFE-sa bežne používajú pri teplote 180 – 200 stupňov (nepretržite) a krátkodobo až do 230 stupňov. Obmedzujúcim prvkom sa stáva permeácia vložky a priľnavosť vložky ku kovu.
Treba poznamenať, že pri zvýšených teplotách všetky fluórpolyméry vykazujú zvýšenú priepustnosť pre niektoré plyny a drobné molekuly (napr. chlór, chlorovodík). Vložkové výmenníky majú zvýšené riziko prestupu pary cez vložku, ktorá kondenzuje na kovovom kontakte, čo môže viesť k skrytej korózii.
Spoľahlivosť proti korózii: Jednotná ochrana alebo riziko zlyhania vložky
Všetky -fluórpolymérové výmenníky poskytujú rovnomernú a nepretržitú odolnosť proti korózii na celom zmáčanom povrchu. Neexistujú žiadne švy, dierky alebo rozhrania kovu vystavené procesnej kvapaline. Fluórpolymér je jednotný v hrúbke steny. Aj keď je povrch poškriabaný alebo odretý, materiál pod ním je stále chemicky odolný. Tento dizajn zabraňuje nebezpečenstvu "skrytej korózie" pod vložkou.
Kovové výmenníky s vložkou majú množstvo poruchových scenárov, ktoré nie sú prítomné vo všetkých-konštrukciách fluórovaných polymérov:
Dierky alebo prázdne miesta v obložení - aj veľmi malé nedokonalosti (menej ako 0,1 mm) umožňujú korozívnym kvapalinám prístup ku kovovému substrátu. Produkty korózie môžu spôsobiť pľuzgiere alebo odlepenie vložky potom, čo kov začne korodovať, čo môže viesť k zrýchlenému zlyhaniu.
Odlepenie vložky - Spojenie medzi fluórpolymérovou vložkou a kovovým substrátom nie je nikdy dokonalé. Tepelné cykly môžu vyvolať rozdielnu expanziu (PTFE expanduje ~ 7x viac ako oceľ, ako je uvedené v predchádzajúcich častiach), čo môže spôsobiť, že sa vložka odtiahne od steny. Výsledný priestor môže zachytiť prenikajúcu kyselinu a spôsobiť lokalizovaný útok.
Permeácia a kondenzácia - Niektoré kyseliny (najmä HCl pri zvýšených teplotách) infiltrujú tenkú vložku. Ak je kovový plášť chladnejší ako procesná strana (ako je to často v prípade chladiacich prác), preniknutá kyselina kondenzuje na povrchu kovu a spôsobuje koróziu „zvnútra von“. Toto je bežný spôsob poruchy v oceľových zariadeniach potiahnutých PTFE.
Poškodenie pri prevádzke alebo počas inštalácie či údržby - Vložky možno nástrojmi ľahko prerezať, poškriabať alebo pretlačiť. Jeden hlboký škrabanec môže byť momentom začiatku zlyhania.
V skutočnosti je hlavným problémom vložkových výmenníkov to, že malá nepozorovateľná dierka môže viesť ku katastrofálnemu kolapsu v priebehu niekoľkých týždňov alebo mesiacov, zatiaľ čo fluórpolymérový výmenník bude môcť bezpečne pokračovať v prevádzke. Alternatívne môže profesionálne vyrobený a správne udržiavaný výmenník poskytnúť mnoho rokov prevádzky pri tlakoch a teplotách, ktoré nie sú možné pri systémoch s pevnými fluórpolymérmi.
Porovnanie nákladov Úvahy o počiatočnej investícii a životnom-cykle
Pre nízkotlakové a nízkoteplotné práce sú všetky -fluórpolymérové výmenníky tepla často lacnejšie na výrobu. Materiály (PTFE alebo PFA rúrky, plechy) sú vo všeobecnosti lacné. Výroba vyžaduje tepelné tesnenie alebo zváranie fluórpolymérových komponentov.
Kovové výmenníky s rúrkami sú nákladnejšie na konštrukciu. Kovový plášť a rúrkové plechy musia byť vyrobené podľa kódov pre tlakové nádoby a následne vyložené fluórpolymérom – proces- náročný na prácu, ktorý zahŕňa odborných pracovníkov, kontrolu kvality (iskrové testovanie pre dierky) a špecializované zváranie fluórpolymérových dosiek. Výsledkom je, že počiatočná nákupná cena vložkového výmenníka je o 30 – 100 % vyššia ako u celo-fluórpolymérového výmenníka s rovnakou teplovýmennou plochou.
Avšak pri vysokotlakových aplikáciách (napr. . 10 bar alebo viac) nemusí byť úplne-fluórpolymérový výmenník vôbec praktický. V týchto prípadoch je jedinou alternatívou vložkový výmenník- alebo výmenník z kovovej zliatiny. Porovnanie nákladov potom prechádza na fluórovaný polymér s výstelkou oproti exotickým zliatinám (titán, tantal, Hastelloy). Toto porovnanie vo všeobecnosti ukazuje vláknitý fluórovaný polymér ako hlavnú úsporu nákladov.
Zhrnutie Porovnanie - kovového výmenníka so všetkými-Fluórpolymérovými a fluórpolymérovými funkciami obloženiaVšetky fluórpolymérové výmenníkyFluórpolymérové-kovové výmenníky tepla
Typický tlak 3-5 bar (obmedzený tečením fluórpolyméru) 10-20 bar+ (obmedzené kódom dizajnu kovového puzdra)
Maximálna nepretržitá teplota 110-120 stupňov (PTFE); 150-180 stupňov (PFA) 180-200 stupňov (PTFE vložka s kovovou podperou)
Odolnosť proti korózii Vynikajúca, konzistentná ochrana, nekoroduje žiadny kov Dobrá, ale možnosť dierky, delaminácie a permeačnej korózie
V prípade problému s vložkou, spôsob poruchy/a (bez vložky) Rýchla korózia kovu Možné katastrofické netesnosti
Testovanie a kontrola Vizuálna a elektrická kontinuita (jednoduché) Vyžaduje sa iskrové testovanie (identifikácia dierky). Bude potrebné časté pretieranie.
Prvé náklady Nižšie pri nízkotlakových prevádzkach Viac (tlaková nádoba + obloženie)
Riziko údržby Nízke; žiadna výmena vložky Stredná až vysoká; vložka sa môže počas údržby poškodiť
Typické aplikácie Ohrievanie/chladenie galvanizácie, práčky atmosférickej kyseliny, nízkotlakové moriace kúpeleVysokotlakové-chladiče HCl, výmenníky tepla pre koncentrovanú kyselinu v rafinériách, chemických reaktoroch.
Rozhodovanie: Ako si vybrať správnu technológiu
Rozhodnutie použiť celo-fluórpolymérový alebo vložkovaný kovový výmenník by malo byť založené na požiadavkách na tlak a teplotu a na prijateľnej úrovni rizika zlyhania.
Vyberte si celo-fluórpolymérový výmenník tepla, ak:
Prevádzkový tlak nižší ako 5 bar (75 psi).
Teplota je nižšia ako 120 stupňov (PTFE) alebo 180 stupňov (PFA).
Absolútna korózna spoľahlivosť je nevyhnutná. Netoleruje sa žiadna dierka alebo porucha vložky.
Procesnou kvapalinou sú oxidujúce kyseliny alebo zmiešané kyseliny a mierny kontakt s kovmi spôsobí rýchle zlyhanie.
Žiadajú sa nižšie počiatočné kapitálové náklady.
Výmenník je umiestnený na mieste, kde nie je prípustná netesnosť (napr. nad citlivým zariadením alebo v prostredí čistých priestorov).
Pri výbere kovového výmenníka tepla s fluórpolymérovým obložením:
Prevádzkový tlak je nad 5 barov a môže byť nad 20 barov alebo vyšší.
Teplota je nižšia ako 200 stupňov a vyššia ako 120 stupňov
Procesná kvapalina je primerane charakterizovaná a neobsahuje látky, ktoré zvyšujú priepustnosť vložky (napr. horúci plynný HCl).
Existuje prísny program kontroly a údržby zahŕňajúci pravidelné iskrové testovanie vložky.
Zliatiny exotických kovov (titán, tantal) sú príliš drahé, preto je oceľ s vložkou cenovo výhodnou možnosťou.
Určitá možnosť zlyhania vložky je povolená, ak sú nainštalované redundantné bezpečnostné zariadenia (detekcia úniku, sekundárna izolácia).
Vložkové PTFE výmenníky sú tradičným riešením pre vysokotlakové kyslé služby typické pre rafinérie a veľké chemické zariadenia, ako sú chladiče kyseliny chlorovodíkovej pri 10 baroch a 150 stupňoch. Väčšina však inštaluje zariadenia na detekciu úniku (sondy vodivosti medzi vložkou a plášťom), aby včas varovali pred porušením vložky.
Záver: Požiadavky na spoľahlivosť a bezpečnosť smerujú k výberu
Všetky -fluórpolymérové výmenníky tepla vylučujú kov z mokrej dráhy, aby sa zaistila maximálna korózna spoľahlivosť. Žiadna odlepovacia podšívka, žiadna korózna dierka a žiadny skrytý kovový substrát, ktorý by sa mohol rozbiť. Ale ich tlakové a teplotné rozsahy sú malé.
Fluórpolymérové-kovové výmenníky sú vybavené kovovým plášťom, ktorý umožňuje prevádzku pri vyšších tlakoch a teplotách. Kompromisom je, že je zložitejší, jeho spustenie je drahšie a prináša nové spôsoby zlyhania-dierky, odlepovanie, permeácia-, ktoré nie sú prítomné vo všetkých-fluoropolymérových dizajnoch.
Procesní inžinieri musia tieto kompromisy dôkladne zvážiť-. Všetky -fluórpolymérové výmenníky sú vo všeobecnosti najlepším riešením pre nízkotlakové a vysoko spoľahlivé aplikácie. Prísna kontrola kvality, inšpekcia a detekcia netesností sú nevyhnutné pre vysokotlakové a vysokoteplotné práce, kde je jedinou nekovovou voľbou potiahnutý fluoropolymér. Toto kľúčové rozhodnutie o návrhu by sa malo riadiť kritériami bezpečnosti a spoľahlivosti, ktoré zabezpečia, že zvolená technológia výmenníka tepla je vhodná pre konkrétne nebezpečenstvá a prevádzkové podmienky chemického procesu.
