Jak se blokový-typ grafitového výměníku tepla liší od PTFE pláště-a-trubkové jednotky?

Při definování tepelného výměníku pro extrémně korozivní aplikace kyseliny často přicházejí v úvahu dvě -nekovové možnosti: grafitové blokové výměníky a PTFE plášťové-a-trubkové výměníky. Oba jsou odolné vůči korozi, ale jejich tepelné a mechanické vlastnosti je činí vhodnými pro různé aplikace. Klíčovým problémem pro výběr vhodné technologie je pochopení kompromisů-, pokud jde o kompaktnost, tepelný výkon, chemickou kompatibilitu a mechanickou odolnost.

Přehled designu: Grafitový blok vs. PTFE plášť a trubka
Grafitové blokové výměníky tepla jsou vyrobeny z jednoho nebo více bloků nepropustného grafitu (grafit impregnovaný pryskyřicí). V každém bloku jsou vyvrtány dvě sady průchodů, jedna pro korozivní procesní kapalinu a druhá pro provozní kapalinu (chladicí voda, pára nebo topné médium). Bloky jsou navzájem spojeny pomocí lepidel plněných grafitem- nebo pomocí utěsněných konektorů. V závislosti na vzoru vrtání protékají tekutiny trubicemi v konfiguraci s příčným-prouděním nebo proti{5}}proudění.

Trubkové výměníky tepla z PTFE-a{1}}se skládají ze svazku tenkostěnných-trubic PTFE (polytetrafluorethylen), které jsou umístěny v kovovém nebo plastovém plášti. Korozivní kapalina prochází PTFE trubicemi (nebo kolem nich), zatímco provozní kapalina proudí na druhé straně. Pro podepření PTFE trubek se běžně používají mezilehlé přepážky. Svazek trubek je na trubkovnicích utěsněn pomocí rozšířených trubkových spojů nebo svěrných spojek.

Tyto dva návrhy se liší jedním hlavním způsobem, a to mechanickou flexibilitou. Grafitové bloky jsou pevné a nepoddajné . PTFE trubice jsou flexibilní a bez poškození vydrží malé vibrace a tepelné roztažnosti.

Velké plus grafitu: Tepelná vodivost
Nejdůležitější rozdíl je v tepelné vodivosti. Grafit má tepelnou vodivost přibližně 80-120W/mK (podle třídy grafitu a impregnační pryskyřice). PTFE má však tepelnou vodivost přibližně 0,25 W/m K - asi 300 až 400krát nižší než grafit.

Tento obrovský rozdíl znamená, že grafitový blokový výměník může být úžasně kompaktní při stejném výkonu přenosu tepla. Grafitová jednotka je jedna-desetina objemu jednotky PTFE typu pláště a trubky se stejným tepelným výkonem. Grafitové bloky nabízejí výraznou výhodu v prostorově omezených situacích, jako je dovybavení stávajícího uspořádání zařízení nebo montáž na přeplněné procesní ližiny.

Naopak nízká tepelná vodivost PTFE znamená, že plášťové-a{1}}trubkové výměníky tepla s PTFE trubkami potřebují relativně velké plochy pro přenos tepla. To vede k větším stopám, delším svazkům trubek a větším průměrům pláště. V praxi jsou PTFE výměníky obvykle vyžadovány pouze tam, kde jejich speciální chemická odolnost kompenzuje jejich velikost.

Mechanické vlastnosti: Křehký nebo pružný
Grafit je křehká látka. Nepropustný grafit je pevnější než surový grafit, ale může být také rozbit:

Mechanický náraz (např. ztracený nástroj, rychlý pohyb potrubí)

Vodní ráz v potrubí servisní kapaliny

Extrémní tepelné cyklování (rychlé zahřívání nebo chlazení, zejména s rozdílem teplot větším, než jsou limity stanovené výrobcem)

Nerovnoměrný utahovací moment šroubů v přírubách nebo hlavách

Pokud dojde k prasknutí grafitového bloku, výměník většinou nelze opravit. Prasklina může vést ke křížovému{1}}prosakování mezi okruhy procesní a servisní kapaliny nebo k vnějšímu úniku. Jediný způsob, jak to opravit, je vyměnit celý zásobník bloků. To je často velká kapitálová investice.

PTFE trubky jsou na druhé straně flexibilní a odolné. Mírné vodní rázy, vibrace a tepelné cykly lze tolerovat bez poškození. Pokud jedna trubička z PTFE prosakuje (například v důsledku oděru nebo mechanického proražení), lze ji obecně utěsnit na obou trubkovnicích a zbytek trubek lze stále používat. Některé konstrukce umožňují výměnu trubek, je to však náročné na práci. Díky shovívavému mechanickému charakteru PTFE jsou tyto výměníky vhodnější pro zařízení s méně přísnou kontrolou stability průtoku nebo nárůstu teploty.

Chemická odolnost: široký rozsah PTFE
Grafit i PTFE jsou odolné vůči široké škále korozivních kyselin, ale existuje několik klíčových rozdílů.

Kompatibilní s: Grafit (nepropustný stupeň)

Kyselina chlorovodíková (všechny koncentrace až do bodu varu)

Kyselina sírová (až asi 80–85 % při mírných teplotách, větší množství vyžaduje pečlivý výběr)

Kyselina fosforečná 12.

- Organické kyseliny.

Grafit je však poškozován silnými oxidačními kyselinami, jako jsou:

Kyselina dusičná (zvláště koncentrovaná nebo zahřátá)

Kyselina chromová (kyselina chromová)

Potřebujete aqua regia

Směs kyselin bez chlóru nebo bromu

Oxidující chemikálie pronikají do struktury grafitu a způsobují mezikrystalovou korozi, což má za následek rychlé selhání. Grafitové výměníky by se v těchto službách nikdy neměly používat, pokud výrobce nezíská schválení pro speciální typ grafitu (impregnovaný fenolem-v. furan-impregnovaný, přičemž stále platí omezení).

PTFE je téměř zcela odolný vůči všem látkám kromě roztavených alkalických kovů a elementárního fluoru při vysokých teplotách. PTFE je odolný vůči kyselině dusičné, chromové a všem ostatním oxidujícím kyselinám prakticky ve všech koncentracích. Odolává také organickým rozpouštědlům, chlóru a většině procesních kapalin, které se vyskytují při povrchové úpravě a chemickém zpracování. Pro vysoce nepřátelské směsi (např. aqua regia, horká koncentrovaná kyselina dusičná nebo směsné kyselé mořicí roztoky) je někdy jedinou možnou nekovovou volbou PTFE.

Vlastnost Grafitový blokový výměník tepla PTFE plášť-a-trubkový výměník tepla
Tepelná vodivost (W/mK) 80 – 120 0.25
Relativní velikost pro stejnou zátěž Kompaktní (1x základní linie)Velká (10-15x větší)
Maximální trvalá teplota 180–200 stupňů (v závislosti na pryskyřici) ~ 110 stupňů (omezeno tečení PTFE)
Mechanické chování Křehký, praskne otřesy nebo vodním kladivem Pružný, odolný vůči vibracím a tepelným cyklům
Opravitelnost Obecně nelze opravit, pokud blok praskneTrubky lze zablokovat nebo vyměnit jednotlivě
Odolnost vůči oxidujícím kyselinám (dusičná, chromová) Špatná, nedoporučuje se Dobrá; zcela odolné
Typické aplikace chlazení H2SO4 HCl ohřev/chlazení Servis organických kyselin Smíšené kyselé moření, aqua regia, roztoky obsahující-chlor, pokovovací lázně
Počáteční náklady (relativní) Vyšší (specializovaná výroba) Střední až nízké
Omezení teploty
Grafitové blokové výměníky, pokud jsou vhodně impregnovány pryskyřicemi (obvykle fenolovými nebo furanovými), mohou být provozovány nepřetržitě při teplotách do 180–200 stupňů. Některé výjimečné stupně jsou ohodnoceny až na 220 stupňů. Díky tomu je grafit vhodný pro zahřívání nebo chlazení koncentrované kyseliny sírové, horkých par kyseliny chlorovodíkové a jiných vysokoteplotních korozívních proudů.

Plášťové a trubkové výměníky tepla z PTFE jsou omezeny na přibližně 110 stupňů pro nepřetržité použití. Nad touto teplotou začíná PTFE slábnout a podléhat pod tlakovým rozdílem přes stěnu trubky. Krátké výchylky na 120-130 stupňů lze tolerovat, ale dlouhodobé vystavení vysokým teplotám má za následek deformaci trubky, netěsnost ve spojích trubek a konečné selhání. Pro korozní provoz při teplotách nad 110 stupňů je grafit obecně jedinou nekovovou alternativou, nebo je třeba prozkoumat kovový výměník s neobvyklou slitinovou výstelkou.

Problémy s náklady a údržbou
První náklady na grafitový blokový tepelný výměník jsou obecně vyšší než náklady na plášťovou a trubkovou jednotku z PTFE se stejnou tepelnou zátěží. Grafitové bloky vyžadují přesné vrtání, speciální techniky lepení a pečlivou kontrolu kvality. Svazky PTFE trubek se vyrábí ve velkém množství při nižších materiálových a výrobních nákladech.

Ale celkové náklady na vlastnictví jsou spíše závislé na aplikaci. Grafitový výměník může být v provozu desítky let bez problémů v čistém, stabilním kyselém provozu, bez mechanických rázů nebo oxidačních chemikálií. Jeho vyšší počáteční cena je odůvodněna kompaktními rozměry a vysokou tepelnou účinností. V provozu, kde je nevyhnutelné bušení vody nebo tepelné cykly, může nebezpečí praskání grafitu učinit vhodnější konstrukci z PTFE, a to i na úkor většího výměníku.

Techniky údržby jsou poněkud odlišné. Grafitová zařízení vyžadují jemné spouštění{1}}a vypínání-procesů, aby se zabránilo tepelnému šoku. Na straně provozní kapaliny se obecně doporučují sítka, aby se zabránilo zanesení čel bloku nečistotami. Výměníky PTFE jsou méně citlivé na poruchy proudění, ale musí se pravidelně čistit, pokud jsou malé průměry trubek znečištěny. Nízká povrchová energie PTFE (popsaná v předchozích částech) je výhodou při snižování zanášení, avšak PTFE trubice lze čistit mechanicky.

Průvodce rozhodováním: Výběr správného výměníku pro aplikaci?
Rozhodnutí mezi grafitovým blokem a PTFE plášťovým-a-trubkovým výměníkem tepla závisí na řadě konkrétních-kritérií aplikace.

Zvažte grafitový blokový výměník v případě:

Musí být kompaktní z důvodu prostorových omezení.

Procesní teploty jsou nad 110 stupňů a pod 200 stupňů.

Žíravou kapalinou je kyselina sírová, kyselina chlorovodíková nebo -neoxidační organická kyselina.

Servisní kapalina je čistá a bez vodních rázů a nečistot.

Správná konstrukce systému může zabránit mechanickým nárazům a rychlému cyklování tepla.

Menší, tepelně účinnější jednotka je přijatelná, pokud je nutná větší počáteční kapitálová investice.

Vyberte PTFE výměník pláště a trubek, když:

Kapalina má silná oxidační činidla (kyselina dusičná, kyselina chromová, aqua regia, smíšené kyseliny).

Procesní teploty jsou nižší než 110 stupňů.

Potrubní systém může snášet vodní rázy, vibrace nebo časté tepelné cykly.

Mechanická robustnost a shovívavý provoz jsou důležitější než kompaktnost.

Žádoucí jsou nižší počáteční náklady a možnost zapojit nebo vyměnit jednotlivé trubice.

Pro větší půdorys výměníku je k dispozici dostatečný prostor.

V praxi mnoho chemických zpracovatelských závodů provozuje oba typy. Grafitové výměníky jsou široce používány v chladicích okruzích kyseliny sírové a v topných okruzích kyseliny chlorovodíkové. Výměníky PTFE jsou preferovanou volbou pro linky na moření směsných kyselin, ohřev/chlazení galvanické lázně a zpracování odpadních kyselin, kde jsou přítomny oxidační látky.

Závěr: Záludné technické rozhodnutí
Oba blokové grafitové výměníky tepla a PTFE plášťové a trubkové jednotky se dobře hodí pro korozní průmysl přenosu tepla, ale zásadně se liší svými přednostmi a nedostatky. Grafit je dobrý pro svou tepelnou vodivost a velikost, ale je křehký, zpočátku nákladný a citlivý na oxidující kyseliny. PTFE má nepřekonatelnou chemickou odolnost a mechanickou flexibilitu za nižší cenu. Má však teplotní limit 110 stupňů a vyžaduje výrazně větší povrch.

Volba závisí na použité kyselině, pracovní teplotě, mechanickém prostředí a dostupném prostoru. Výběr materiálů pro výměníky tepla v korozivním provozu je mnoha-technickým problémem zahrnujícím kompromisy- mezi tepelným výkonem, chemickou kompatibilitou, mechanickou odolností a cenou životního-cyklu. "Technologie neporazí technologii celkově, ale každá technologie má své vlastní místo, kde je lepší."