Када се специфицира измењивач топлоте за високо корозивну киселину, често се појављују две неметалне опције: измењивачи са графитним блоковима и измењивачи ПТФЕ омотача-и-цеви. Оба су отпорна на корозију, али њихове термичке и механичке карактеристике доводе их до изврсности у различитим применама. Разумевање компромиса-између компактности, термичких перформанси, хемијске компатибилности и механичке робусности је од суштинског значаја за избор праве технологије.
Преглед дизајна: графитни блок у односу на ПТФЕ шкољку-и-цев
Графитни блок размењивачи топлотесу направљени од једног или више блокова непропусног графита (графит импрегниран смолом{0}}). Сваки блок је избушен са два одвојена сета пролаза-један за корозивни процесни флуид и један за сервисни флуид (вода за хлађење, пара или медијум за грејање). Блокови су међусобно повезани лепком пуњеним графитом- или спојевима са заптивком. Флуиди теку кроз пролазе у попречном-току или противтоку-у зависности од шеме бушења.
ПТФЕ измењивачи топлоте -и-и цевисастоји се од снопа ПТФЕ (политетрафлуороетилен) цеви са танким-стинама смештених унутар металне или пластичне шкољке. Корозивна течност тече кроз ПТФЕ цеви (или око њих), док сервисна течност тече на супротној страни. ПТФЕ цеви су обично подупрте средњим преградама, а сноп цеви је запечаћен на листовима цеви помоћу проширених спојева цеви или компресионих фитинга.
Кључна разлика између ова два дизајна је механичка флексибилност. Графитни блокови су чврсти и монолитни, док су ПТФЕ цеви флексибилне и могу толерисати мање вибрације и термичка проширења без оштећења.
Топлотна проводљивост: главна предност графита
Најупечатљивија разлика лежи у топлотној проводљивости. Графит има топлотну проводљивост приближно80–120 W/m·K(у зависности од квалитета графита и смоле за импрегнацију). ПТФЕ, насупрот томе, има топлотну проводљивост отприлике0.25 W/m·K-око 300 до 400 пута ниже од графита.
Ова огромна разлика значи да за исту функцију преноса топлоте, измењивач графитних блокова може бити изузетно компактан. Графитна јединица може да заузме једну десетину запремине ПТФЕ измењивача са омотачем-и-еквивалентним термичким перформансама. У апликацијама где је простор ограничен-као што је накнадна уградња у постојеће распореде опреме или монтажа на пренатрпане процесне платформе-графитни блокови нуде јасну предност.
Супротно томе, ПТФЕ измењивачи са омотачем{0}}и-цеви захтевају веома велике површине за пренос топлоте да би се компензовала ниска топлотна проводљивост ПТФЕ. Ово резултира већим отисцима, дужим сноповима цеви и већим пречником шкољке. У пракси, ПТФЕ измењивачи се често наводе само када је њихова јединствена хемијска отпорност већа од ограничења величине.
Механичка својства: ломљивост наспрам флексибилности
Графит је крт материјал. Док је непропусни графит јачи од сировог графита, остаје подложан пуцању под:
Механички удар (нпр. испуштен алат или изненадно померање цеви)
Водени чекић у кругу сервисне течности
Тешки термални циклуси (брзо загревање или хлађење, посебно са температурним разликама које прелазе границе које препоручује произвођач)
Неуједначен обртни момент вијака на прирубницама или главама
Једном када графитни блок пукне, измењивач се обично не може поправити. Пукотина може проузроковати унакрсно цурење између кругова процесне и сервисне течности или спољно цурење. Замена целог блока блокова-често значајан капитални трошак-је једини лек.
Насупрот томе, ПТФЕ цеви су флексибилне и еластичне. Могу да издрже умерене водене ударце, вибрације и термичке циклусе без оштећења. Ако појединачна ПТФЕ цев поквари (на пример, због абразије или механичке пункције), обично се може зачепити на оба листа цеви, омогућавајући преосталим цевима да наставе да раде. Неки дизајни дозвољавају замену цеви, иако је то радно интензивно. Механичка природа ПТФЕ-а чини ове измењиваче погоднијим за постројења са мање ригорозном контролом стабилности протока или температурног пораста.
Отпорност на хемикалије: широки имунитет ПТФЕ-а
И графит и ПТФЕ отпорни су на широк спектар корозивних киселина, али постоје важне разлике.
Графит(непропусна класа) је компатибилна са:
Хлороводонична киселина (све концентрације до кључања)
Сумпорна киселина (до приближно 80-85% на умереним температурама; веће концентрације захтевају пажљив избор)
Фосфорна киселина
Органске киселине
Међутим, графит је нападнут одјаке оксидационе киселине, укључујући:
Азотна киселина (нарочито концентрована или врућа)
Хромна киселина
Акуа региа
Мешане киселине које садрже слободни хлор или бром
Оксидирајући агенси продиру у графитну структуру и изазивају интергрануларну корозију, што доводи до брзог квара. Измењивачи графита никада не би требало да се користе у таквим услугама осим ако произвођач изричито не одобри специјализовани квалитет графита (нпр. импрегниран фенол у односу на импрегниран фураном, уз ограничења која још увек важе).
ПТФЕје практично имун на све хемикалије осим растопљених алкалних метала и елементарног флуора на високим температурама. ПТФЕ је отпоран на азотну киселину, хромну киселину и практично све друге оксидационе киселине у целом опсегу концентрација. Такође је отпоран на органске раствараче, хлор и већину процесних течности које се сусрећу у површинској обради и хемијској обради. За изузетно агресивне смеше (нпр. царска вода, врућа концентрована азотна киселина или мешани раствори за кисељење), ПТФЕ је често једина безбедна неметална опција.
| Имовина | Измјењивач графитних блокова | ПТФЕ кућиште{0}}и-изменивач |
|---|---|---|
| Топлотна проводљивост (В/м·К) | 80 – 120 | ~0.25 |
| Релативна величина за исту дужност | Компактан (1× основна линија) | Велики (10–15× већи) |
| Максимална континуирана температура | 180–200 степени (зависно од смоле) | ~110 степени (ограничено пузањем од ПТФЕ) |
| Механичко понашање | Бриттле; пукотине под ударом или воденим чекићем | Флексибилно; отпоран на вибрације и термичке циклусе |
| Поправљивост | Генерално се не може поправити ако блок пукне | Појединачне цеви се могу зачепити или заменити |
| Отпорност на оксидирајуће киселине (азотне, хромне) | Поор; не препоручује се | Одлично; потпуно отпоран |
| Типичне примене | Х₂СО₄ хлађење, ХЦл грејање/хлађење, услуга органске киселине | Мешовито кисело кисељење, царска водена вода, течности које садрже хлор, купке за оплату |
| Релативни почетни трошак | Виша (специјализована израда) | Ниже до умерено |
Температурна ограничења
Измењивачи графитних блокова, када су произведени са одговарајућим смолама за импрегнацију (обично фенолним или фуранским), могу да раде непрекидно на температурама до180-200 степени. Неки специјални разреди се протежу до 220 степени. Ово чини графит погодним за загревање или хлађење концентроване сумпорне киселине, вруће паре хлороводоничне киселине и других корозивних токова на високим температурама.
ПТФЕ измењивачи омотача-и-цеви су ограничени на приближно110 степениза континуирани рад. Изнад ове температуре, ПТФЕ почиње да омекшава и пузи под диференцијалним притиском преко зида цеви. Кратки излети до 120–130 степени могу се толерисати, али дуготрајне високе температуре узрокују деформацију цеви, цурење на спојевима цеви и евентуални квар. За процесе који захтевају температуре изнад 110 степени у корозивном раду, графит је често једини неметални избор, или се мора узети у обзир метални измењивач са облогом од егзотичне легуре.
Разматрање трошкова и одржавања
Почетна цена куповине измењивача топлоте са графитним блоковима је обично виша од цене ПТФЕ кућишта-и-јединице са упоредивим термичким оптерећењем. Графитни блокови захтевају прецизно бушење, специјализоване технике лепљења и пажљиву контролу квалитета. ПТФЕ цевни снопови се масовно производе са нижим трошковима материјала и производње.
Међутим, укупни трошкови власништва у великој мери зависе од апликације. У чистом, стабилном киселом сервису без механичких удара или оксидационих агенаса, графитни измењивач може да ради деценијама без проблема, оправдавајући своје веће првобитне трошкове захваљујући компактном отиску и високој топлотној ефикасности. У услугама у којима су неизбежни ударци воде или термички циклуси, ризик од пуцања графита може фаворизовати ПТФЕ дизајн са већим опростом, чак и ако је потребан већи измењивач.
Пракса одржавања се оштро разликује. Графитне јединице захтевају нежне процедуре за покретање и гашење да би се избегли топлотни удари. Цедишта се често препоручују на страни сервисне течности како би се спречило да крхотине ударе на лице блока. ПТФЕ измењивачи су мање осетљиви на сметње протока, али захтевају периодично чишћење ако се мали пречници цеви запрљају-прљање је ублажено малом површинском енергијом ПТФЕ-а (као што је објашњено у претходним чланцима), али је могуће механичко чишћење ПТФЕ цеви.
Упутство за доношење одлуке: Који измењивач је прави за апликацију?
Избор између графитног блока и ПТФЕ измењивача топлоте-и-оклопа и цеви зависи од неколико фактора специфичних за примену.
Изаберите измењивач графитних блокова када:
Компактна величина је критична због ограничења простора.
Температуре процеса прелазе 110 степени али остају испод 200 степени.
Корозивна течност је сумпорна киселина, хлороводонична киселина или неоксидирајућа органска киселина.
Сервисна течност је чиста и без водених чекића или остатака.
Механички удар и брзи термални циклуси могу се избећи правилним дизајном система.
Већа почетна капитална инвестиција је прихватљива за мању, термички ефикаснију јединицу.
Изаберите измењивач ПТФЕ шкољке-и- када:
Течност садржи јака оксидациона средства (азотна киселина, хромна киселина, царска вода, мешане киселине).
Температуре процеса су испод 110 степени.
Систем цевовода може да доживи ударе воде, вибрације или честе термичке циклусе.
Механичка робусност и рад који опраштају приоритет су у односу на компактност.
Пожељни су нижи почетни трошкови и могућност зачепљења или замене појединачних цеви.
На располагању је довољно простора за смештај већег измењивача.
У пракси, многа постројења за хемијске процесе раде на оба типа. Измењивачи графита се често налазе у круговима за хлађење сумпорном киселином и грејним круговима хлороводоничном киселином. ПТФЕ измењивачи доминирају у линијама за кисељење мешаних киселина, галванизованим грејањем/хлађењем купатила и третману отпадних киселина где су присутне оксидирајуће врсте.
Закључак: Вишеструка инжењерска одлука
И графитни размењивачи топлоте у блок-стилу и ПТФЕ кућишта-и-јединице ефикасно служе тржишту корозивног преноса топлоте, али се њихове предности и слабости суштински разликују. Графит нуди изузетну топлотну проводљивост и компактност по цену ломљивости, високих почетних трошкова и осетљивости на оксидационе киселине. ПТФЕ пружа неупоредиву хемијску отпорност, механичку флексибилност и нижу цену, али захтева много веће површине и ограничен је на температуре испод 110 степени.
Оптимални избор зависи од специфичне киселине, радне температуре, механичког окружења и расположивог простора. Избор материјала за измењиваче топлоте у корозивној употреби је вишеструка инжењерска одлука која балансира топлотне перформансе, хемијску компатибилност, механичку поузданост и цену животног циклуса. Ниједна технологија универзално не надмашује другу; него, сваки се истиче у оквиру одговарајућег прозора апликације.
