Ako sa porovnáva blokový-grafitový tepelný výmenník s PTFE plášťom-a-jednotkou rúrok?

Pri definovaní výmenníka tepla pre extrémne korozívnu aplikáciu kyselín často prichádzajú do úvahy dve -nekovové možnosti: grafitové blokové výmenníky a PTFE plášťové-a-rúrkové výmenníky. Obidva sú odolné voči korózii, ale ich tepelné a mechanické vlastnosti ich predurčujú na rôzne aplikácie. Pochopenie kompromisov-v zmysle kompaktnosti, tepelného výkonu, chemickej kompatibility a mechanickej odolnosti je kľúčovou otázkou pri výbere vhodnej technológie.

Prehľad dizajnu: Grafitový blok vs. PTFE plášť a rúrka
Grafitové blokové výmenníky tepla sú vyrobené z jedného alebo viacerých blokov nepriepustného grafitu (grafit impregnovaný živicou). Každý blok má vyvŕtané dve sady priechodov, jeden pre korozívnu procesnú kvapalinu a jeden pre prevádzkovú kvapalinu (chladiaca voda, para alebo vykurovacie médium). Bloky sú navzájom spojené pomocou lepidiel naplnených grafitom- alebo pomocou tesnení. V závislosti od vzoru vŕtania tekutiny prechádzajú rúrkami v konfigurácii krížového-prúdu alebo proti{5}}prúdu.

PTFE plášť-a-rúrkové výmenníky tepla sú tvorené zväzkom tenkostenných PTFE (polytetrafluóretylénových) rúrok, ktoré sú obsiahnuté v kovovom alebo plastovom plášti. Korozívna kvapalina prechádza cez PTFE trubice (alebo okolo nich), zatiaľ čo prevádzková kvapalina prúdi na druhej strane. Na podoprenie PTFE rúrok sa bežne používajú medziľahlé usmerňovače. Rúrkový zväzok je utesnený na rúrkovnici pomocou expandovaných rúrkových spojov alebo lisovacích spojok.

Tieto dva dizajny sa líšia jedným hlavným spôsobom, a to mechanickou flexibilitou. Grafitové bloky sú pevné a nepoddajné . PTFE rúrky sú flexibilné a bez poškodenia vydržia malé vibrácie a tepelné rozťažnosti.

Veľké plus grafitu: Tepelná vodivosť
Najdôležitejší rozdiel je v tepelnej vodivosti. Grafit má tepelnú vodivosť približne 80-120W/mK (podľa triedy grafitu a impregnačnej živice). PTFE má však tepelnú vodivosť približne 0,25 W/m K - asi 300 až 400-krát nižšiu ako grafit.

Tento obrovský rozdiel znamená, že grafitový blokový výmenník môže byť úžasne kompaktný pri rovnakej povinnosti prenosu tepla. Grafitová jednotka predstavuje jednu-desatinu objemu jednotky PTFE typu plášťa a rúrky s rovnakým tepelným výkonom. Grafitové bloky ponúkajú výraznú výhodu v situáciách s obmedzeným priestorom, ako je napríklad dodatočná montáž na existujúce usporiadanie zariadení alebo montáž na preplnené procesné lyžiny.

Naopak, nízka tepelná vodivosť PTFE znamená, že plášťové{0}}a{1}}rúrkové výmenníky tepla s PTFE rúrkami potrebujú relatívne veľkú plochu na prenos tepla. To vedie k väčším stopám, dlhším zväzkom rúrok a väčším priemerom plášťa. V praxi sa PTFE výmenníky zvyčajne vyžadujú len tam, kde ich špeciálna chemická odolnosť kompenzuje ich veľkosť.

Mechanické vlastnosti: Krehký alebo pružný
Grafit je krehká látka. Nepriepustný grafit je pevnejší ako surový grafit, no dá sa rozbiť aj:

Mechanický náraz (napr. stratený nástroj, rýchly pohyb potrubia)

Vodné kladivo v potrubí servisnej kvapaliny

Extrémne tepelné cyklovanie (rýchle zahrievanie alebo ochladzovanie, najmä s rozdielom teplôt väčším, ako sú limity špecifikované výrobcom)

Nerovnomerný krútiaci moment skrutiek v prírubách alebo hlavách

Ak sa grafitový blok zlomí, výmenník sa väčšinou nedá opraviť. Prasklina môže viesť ku krížovému{1}}úniku medzi okruhmi procesnej a servisnej kvapaliny alebo k vonkajšiemu úniku. Jediný spôsob, ako to opraviť, je vymeniť kompletný blok blokov. Často ide o veľkú kapitálovú investíciu.

Rúry PTFE sú na druhej strane flexibilné a odolné. Mierne vodné rázy, vibrácie a tepelné cykly možno tolerovať bez poškodenia. Ak jedna trubica z PTFE presakuje (napríklad v dôsledku oderu alebo mechanického prepichnutia), môže byť vo všeobecnosti utesnená na oboch hadičkách a zvyšok trubíc sa môže stále používať. Niektoré konštrukcie umožňujú výmenu rúrok, je to však náročné na prácu. Zhovievavý mechanický charakter PTFE robí tieto výmenníky vhodnejšími pre zariadenia s menej prísnou kontrolou stability prietoku alebo zvyšovania teploty.

Chemická odolnosť: široký rozsah PTFE
Grafit aj PTFE sú odolné voči širokému spektru korozívnych kyselín, ale existuje niekoľko kľúčových rozdielov.

Kompatibilné s: Grafit (nepriepustný stupeň)

Kyselina chlorovodíková (všetky koncentrácie až do bodu varu)

Kyselina sírová (až asi 80–85 % pri miernych teplotách; väčšie množstvá vyžadujú starostlivý výber)

Kyselina fosforečná 12.

- Organické kyseliny.

Grafit je však poškodený silnými oxidačnými kyselinami, ako sú:

Kyselina dusičná (zvlášť koncentrovaná alebo zahrievaná)

Kyselina chrómová (kyselina chrómová)

Potrebujete aqua regia

Zmiešané kyseliny bez chlóru alebo brómu

Oxidujúce chemikálie prenikajú do štruktúry grafitu a spôsobujú medzikryštalickú koróziu, čo má za následok rýchle zlyhanie. Grafitové výmenníky by sa v takýchto službách nikdy nemali používať, pokiaľ výrobca nezíska schválenie pre špecializovaný grafitový stupeň (impregnovaný fenolovou -impregnáciou vs. furánom-, pričom stále platia obmedzenia).

PTFE je takmer úplne odolný voči všetkým látkam okrem roztavených alkalických kovov a elementárneho fluóru pri vysokých teplotách. PTFE je odolný voči kyseline dusičnej, chrómovej a všetkým ostatným oxidačným kyselinám prakticky vo všetkých koncentráciách. Odoláva tiež organickým rozpúšťadlám, chlóru a väčšine procesných tekutín, ktoré sa vyskytujú pri povrchovej úprave a chemickom spracovaní. Pre vysoko nepriateľské zmesi (napr. aqua regia, horúca koncentrovaná kyselina dusičná alebo zmesné kyslé morenie) je niekedy jedinou možnou nekovovou voľbou PTFE.

Vlastnosť Grafitový blokový výmenník tepla PTFE plášť-a-rúrkový výmenník tepla
Tepelná vodivosť (W/mK) 80 – 120 0.25
Relatívna veľkosť pre rovnakú záťaž Kompakt (1x základná línia)Veľký (10-15x väčší)
Maximálna nepretržitá teplota 180–200 stupňov (v závislosti od živice) ~110 stupňov (obmedzené tečenie PTFE)
Mechanické správanie Krehký, láme sa nárazom alebo vodným kladivom Flexibilný, odolný voči vibráciám a tepelným cyklom
Opraviteľnosť Vo všeobecnosti nie je možné opraviť, ak praskliny v bloku Rúry môžu byť zablokované alebo vymenené jednotlivo
Odolnosť voči oxidačným kyselinám (dusičná, chrómová) Slabá, neodporúča sa Dobrá; úplne odolný
Typické aplikácie Chladenie H2SO4 HCl ohrev/chladenie Servis organických kyselín Zmiešané kyslé morenie, aqua regia, roztoky obsahujúce chlór-, pokovovacie kúpele
Počiatočné náklady (relatívne) Vyššie (špecializovaná výroba) Stredné až nízke
Teplotné obmedzenia
Grafitové blokové výmenníky, ak sú vhodne impregnované živicami (zvyčajne fenolovými alebo furánovými), môžu byť prevádzkované nepretržite pri teplotách do 180–200 stupňov. Niektoré výnimočné stupne sú hodnotené až do 220 stupňov. Vďaka tomu je grafit vhodný na ohrievanie alebo chladenie koncentrovanej kyseliny sírovej, horúcich pár kyseliny chlorovodíkovej a iných vysokoteplotných korozívnych prúdov.

Plášťové a rúrkové výmenníky tepla z PTFE sú obmedzené na približne 110 stupňov pre nepretržité používanie. Nad touto teplotou PTFE začína slabnúť a plaziť sa pod rozdielom tlaku cez stenu rúrky. Krátke výkyvy na 120-130 stupňov možno tolerovať, ale dlhodobé vystavenie vysokým teplotám má za následok deformáciu trubice, netesnosť v spojoch trubice a konečné zlyhanie. Pre korozívnu prevádzku pri teplotách nad 110 stupňov je grafit vo všeobecnosti jedinou nekovovou alternatívou, alebo je potrebné preskúmať kovový výmenník s nezvyčajným zliatinovým obložením.

Problémy s nákladmi a údržbou
Prvé náklady na grafitový blokový výmenník tepla sú vo všeobecnosti vyššie ako náklady na PTFE plášťovú a rúrkovú jednotku s rovnakou tepelnou záťažou. Grafitové bloky vyžadujú presné vŕtanie, špeciálne techniky lepenia a starostlivú kontrolu kvality. Zväzky PTFE rúrok sa vyrábajú vo veľkom počte pri nižších materiálových a výrobných nákladoch.

Ale celkové náklady na vlastníctvo skôr závisia od aplikácie. Grafitový výmenník môže byť bez problémov v prevádzke desiatky rokov v čistom, stabilnom kyslom prostredí, bez mechanických otrasov alebo oxidačných chemikálií. Jeho vyššie počiatočné náklady sú odôvodnené kompaktnými rozmermi a vysokou tepelnou účinnosťou. V prevádzke, kde je nevyhnutné búšenie vody alebo tepelné cykly, môže nebezpečenstvo praskania grafitu urobiť vhodnejšiu konštrukciu z PTFE, a to aj na úkor väčšieho výmenníka.

Techniky údržby sú trochu odlišné. Grafitové zariadenia vyžadujú jemné procesy spustenia{1}}zapínania a vypínania-, aby sa predišlo tepelným šokom. Na strane prevádzkovej kvapaliny sa vo všeobecnosti odporúčajú sitá, aby sa zabránilo zaneseniu úlomkov na čelné plochy bloku. Výmenníky PTFE sú menej citlivé na poruchy prúdenia, ale musia sa pravidelne čistiť, ak sú malé priemery rúrok zanesené. Nízka povrchová energia PTFE (opísaná v predchádzajúcich častiach) je výhodou pri znižovaní zanášania, avšak PTFE rúrky možno mechanicky čistiť.

Sprievodca rozhodovaním: Výber správneho výmenníka pre aplikáciu?
Rozhodnutie medzi grafitovým blokom a plášťom z PTFE-a-rúrkovým výmenníkom tepla závisí od množstva kritérií špecifických pre aplikáciu-.

Zvážte grafitový blokový výmenník v prípade:

Kvôli priestorovým obmedzeniam musí byť kompaktný.

Procesné teploty sú nad 110 stupňov a pod 200 stupňov.

Korozívnou kvapalinou je kyselina sírová, kyselina chlorovodíková alebo -neoxidačná organická kyselina.

Servisná kvapalina je čistá a bez vodného rázu a nečistôt.

Správna konštrukcia systému môže zabrániť mechanickým nárazom a rýchlemu tepelnému cyklu.

Menšia, tepelne efektívnejšia jednotka je prijateľná, ak je potrebná väčšia počiatočná kapitálová investícia.

Plášťový a rúrkový výmenník z PTFE vyberte, keď:

Kvapalina má silné oxidačné činidlá (kyselina dusičná, kyselina chrómová, aqua regia, zmiešané kyseliny).

Procesné teploty sú nižšie ako 110 stupňov.

Potrubný systém môže znášať vodné rázy, vibrácie alebo časté tepelné cykly.

Mechanická robustnosť a zhovievavá prevádzka sú dôležitejšie ako kompaktnosť.

Žiaduce sú nižšie počiatočné náklady a možnosť pripojiť alebo vymeniť jednotlivé trubice.

Dostatočný priestor je k dispozícii pre väčší pôdorys výmenníka.

V praxi mnohé závody na chemické spracovanie prevádzkujú oba typy. Grafitové výmenníky sa vo veľkej miere používajú v chladiacich systémoch kyseliny sírovej a vo vykurovacích okruhoch s kyselinou chlorovodíkovou. Výmenníky PTFE sú preferovanou voľbou pre linky na morenie zmesou kyselín, ohrev/chladenie galvanického kúpeľa a úpravu odpadových kyselín, kde sú prítomné oxidujúce látky.

Záver: zložité technické rozhodnutie
Obidva blokové grafitové výmenníky tepla a PTFE plášťové a rúrkové jednotky sú vhodné pre korozívny priemysel prenosu tepla, ale zásadne sa líšia svojimi silnými stránkami a nedostatkami. Grafit je dobrý pre svoju tepelnú vodivosť a veľkosť, ale je krehký, na začiatku drahý a citlivý na oxidujúce kyseliny. PTFE má neprekonateľnú chemickú odolnosť a mechanickú flexibilitu pri nižších nákladoch. Má však teplotný limit 110 stupňov a vyžaduje podstatne väčšiu plochu.

Výber závisí od použitej kyseliny, pracovnej teploty, mechanického prostredia a dostupného priestoru. Výber materiálov pre výmenníky tepla v korozívnej prevádzke je mnoho{1}}technická záležitosť vrátane kompromisov- medzi tepelným výkonom, chemickou kompatibilitou, mechanickou odolnosťou a nákladmi-životného cyklu. "Technológia celkovo neprekoná technológiu, ale každá technológia má svoje vlastné miesto, kde je lepšia."