Када температура или притисак превазиђу практичне границе флуорополимера, или када је потребна највећа могућа топлотна ефикасност, графитни измењивачи топлоте постају водећи кандидат за корозивну киселину. Непропусни графит нуди јединствену мешавину отпорности на корозију и топлотну проводљивост попут метала{1}}. За инжењере процеса који рукују токовима хлороводоничне, флуороводоничне, фосфорне или сумпорне киселине на повишеним температурама и притисцима, опрема за пренос топлоте на бази графита- пружа робусно решење које попуњава празнину између металних легура и система флуорополимера.
Шта је непропусни графит?
Синтетички графит у свом природном, порозном облику није погодан за руковање течностима. Да би се направио густ материјал који не пропушта цурење{1}}, порозна графитна подлога је импрегнирана термореактивном смолом- типично фенолном, фураном или ПТФЕ (политетрафлуороетилен). Процес импрегнације затвара микроскопске шупљине, што резултира крутим, непорозним композитом познатим као непропусни графит. Овај материјал задржава одличну топлотну проводљивост графита док добија отпорност на корозију коју даје смола.
Доступне су две главне врсте непропусног графита:
Фенолом{0}}импрегниран графит:Најчешћи тип, погодан за широк спектар киселина до приближно 180–200 степени (356–392 степена Ф). Фенолна смола пружа добру хемијску отпорност, али није погодна за јака оксидациона средства.
ПТФЕ{0}}импрегнирани графит:Нуди ширу хемијску компатибилност, посебно против оксидирајућих киселина и халогена. Међутим, ПТФЕ импрегнација мало смањује топлотну проводљивост у поређењу са фенолним типовима.
Кључне предности у сервису корозивне киселине
Изузетно висока топлотна проводљивост
Најизразитија особина непропусног графита је његова топлотна проводљивост. Графитни размењивачи топлоте постижу вредности од приближно 80–120 В/м·К, у зависности од квалитета и импрегнације. Поређења ради:
ПТФЕ: ~0,25 В/м·К
Полипропилен: ~0,2 В/м·К
Нерђајући челик: ~15 В/м·К
Угљенични челик: ~50 В/м·К
A графитни измењивач топлоте корозивна киселина сервиспримена има директне користи од ове високе проводљивости. Потребна површина за пренос топлоте је драматично мања од ПТФЕ измењивача за исти рад. Измењивач графитних блокова може да буде једна-десетина запремине еквивалентне ПТФЕ кућишта-и-јединице. Ова компактност смањује простор за инсталацију, трошкове цевовода и залихе термалних течности.
Широка отпорност на киселине
Непропусни графит показује одличну отпорност на широк спектар минералних киселина, укључујући:
Хлороводонична киселина (ХЦл) на свим концентрацијама и температурама до 180 степени
Флуороводонична киселина (ХФ) до умерених концентрација и температура
Фосфорна киселина (Х₃ПО₄) у свим концентрацијама
Сумпорна киселина (Х₂СО₄) до приближно 80-85% концентрације и температуре испод 180 степени (концентрације изнад 85% и повишене температуре постају оксидирајуће)
Сирћетна киселина и друге органске киселине
За разлику од метала, графит не подлеже питтингу, корозији у пукотинама или пуцању због корозије под напоном у струјама киселине{0}}које садрже хлорид. За разлику од ПТФЕ, графит не нападају органски растварачи, нити продире или пузи под притиском.
Отпорност на термичке циклусе и топлотни удар (са пажњом)
Док је графит инхерентно крхак, правилно дизајнирани графитни измењивачи топлоте толеришу умерено термичко кружење боље од многих керамика. Висока топлотна проводљивост такође минимизира температурне градијенте унутар графитних блокова, смањујући термички стрес. Међутим, брзе промене температуре-нарочито гашење-могу да изазову пуцање. Смернице за дизајн препоручују ограничавање брзине промене температуре на 5-10 степени у минути.
Ограничења и замене{0}}
Механичка крхкост
Кључни компромис{0}}је механичка ломљивост. Графитним измењивачима топлоте треба пажљиво руковати током инсталације, чишћења и одржавања. Не могу да издрже тешке механичке ударе, вибрације или водени чекић. Прикључци цевовода захтевају флексибилне спојнице или дилатационе спојеве како би се спречило преношење напрезања цеви на графитне млазнице. Током рада треба избегавати изненадне скокове притиска.
Осетљивост на оксидационе агенсе
Важно је препознати да је непропусни графит нападнут јаким оксидантима. Импрегнација смоле (фенолна или ПТФЕ) и сам графит су подложни оксидацији. Следеће хемикалије изазивају деградацију:
Concentrated nitric acid (>20%)
Хромна киселина
Hot concentrated sulfuric acid (>85% и више од 150 степени)
Халогени (хлор, бром) у оксидационим условима
Водоник пероксид и други пероксиди
Озон
У таквим услугама, ПТФЕ-импрегнирани графит нуди благо побољшану отпорност, али за окружења са јаком оксидацијом, ПТФЕ измењивачи топлоте остају сигурнији избор.
Максимална радна температура
Максимална температура непрекидног рада зависи од импрегнације. Графит импрегниран фенолом{1}} обично је оцењен на 180–200 степени (356–392 степена Ф). ПТФЕ-импрегниран графит може да ради до приближно 220 степени (428 степени Ф). Изнад ових температура, смола се разграђује, што доводи до губитка непропусности и евентуалног квара. За киселе услуге на вишим температурама може се узети у обзир силицијум карбид или друга напредна керамика, али по знатно већој цени.
Ограничења притиска
Графитни измењивачи топлоте нису погодни за веома високе притиске. Типични пројектовани притисци се крећу од 6 до 10 бара (90–150 пси) за блок измењиваче и до 15 бара (220 пси) за кућиште-и-конструкције са шкољкама од угљеничног челика. Већи притисци захтевају дебље графитне компоненте, али цена и сложеност производње се брзо повећавају.
Поређење: Графит наспрам ПТФЕ измењивача топлоте
Следећа табела сумира кључне разлике између графитних и ПТФЕ измењивача топлоте за корозивну киселину.
| Имовина | Графит (импрегниран фенолним{0}}има) | ПТФЕ |
|---|---|---|
| Топлотна проводљивост (В/м·К) | 80–120 | ~0.25 |
| Максимална температура (степен) | 180–200 | 200–260 |
| Максимални притисак (бар) | 6–15 | 3–5 |
| Механичка чврстоћа | Крхак, ниска отпорност на удар | Мекана, склона пузању |
| Отпорност на киселине (не-оксидирајуће) | Одлично | Одлично |
| Отпорност на оксидирајућу киселину | Poor (e.g., >20% ХНО₃) | Одлично |
| Отпорност на раствараче | Одлично | Одлично |
| Прожимање | Веома ниско | Умерено (халогени, гасови) |
| Релативна величина за исту дужност | Мала, компактна | Велики, гломазни |
| Релативни трошак (по пренесеном кВ) | Умерено | Висок (због велике величине) |
| Лакоћа поправке | Тешко (захтева специјализовано везивање) | Тешко (уобичајена замена) |
Уобичајене конфигурације измењивача топлоте
Блок размењивача топлоте
Најраспрострањенији дизајн за корозивну киселину је измењивач топлоте са графитним блоком. Чврсти графитни блок је избушен са два окомита сета пролаза-један за корозивну киселину, један за сервисну течност (вода за хлађење, пара или термално уље). Блок је затворен у шкољку од угљеничног челика. Овај дизајн нуди веома велику површину по јединици запремине, одличан противструјни проток и нема заптивних спојева на корозивној страни. Блок измењивачи су стандардни у расхладним уређајима хлороводоничне киселине, испаривачима фосфорне киселине и грејачима ХФ киселине.
Графитни измењивачи топлоте са омотачем{0}}и-
За веће задатке или где је загађивање{0}}бочне стране цеви забрињавајуће, доступни су измењивачи са графитним омотачем-и-цеви. Графитне цеви (обично пречника 12-25 мм) се постављају у графитне цеви, које се затим затварају у челичну шкољку. Цеви могу бити споља ојачане фибергласом или карбонским влакнима за веће оцене притиска. Ови измењивачи омогућавају механичко чишћење унутрашњости цеви.
Потапајући намотаји и бајонетни грејачи
За грејање или хлађење резервоара, графитни намотаји и бајонетни грејачи обезбеђују директан контакт са корозивном киселином. Користе се у резервоарима за кисељење, складиштењу киселине и реакторским посудама.
Примене у површинској обради и хемијској обради
Загревање и хлађење хлороводоничном киселином
У линијама за кисељење челика, хлороводонична киселина се загрева да би се убрзало уклањање оксида. Графитни измењивачи топлоте су стандард за ХЦл грејаче, поуздано раде на 70–90 степени са 10–18% ХЦл. Исти измењивачи хладе истрошену киселину пре регенерације.
Служба за флуороводичну киселину
Јединице за алкилацију у рафинеријама и флуорохемијским постројењима користе ХФ киселину. Графитни блок размењивачи раде и са течним и парним ХФ, под условом да температуре остану испод 180 степени и да се ниво влаге контролише. ПТФЕ је такође погодан, али већа проводљивост графита омогућава много мање јединице.
Концентрација фосфорне киселине
У производњи ђубрива, фосфорна киселина се концентрише у испаривачима са више-ефекта. Графитни измењивачи топлоте служе као грејачи и кондензатори, отпорни су на корозивну мешавину фосфорне киселине, флуорида и силикофлуорида.
Хлађење разблаживања сумпорне киселине
Разређивање концентроване сумпорне киселине ствара значајну топлоту. Графитни измењивачи ефикасно хладе разблажену киселину (60–80% Х₂СО₄), док би метални измењивачи брзо кородирали.
Најбоље праксе у пројектовању и раду
Да би се максимизирао радни век аграфитни измењивач топлоте корозивна киселина сервисинсталације, препоручују се следеће праксе:
Инсталирајте уређаје за смањење притисказа заштиту од топлотног ширења заробљених течности.
Користите флексибилне цевне везе(ПТФЕ-обложени мехови или гумени дилатациони спојеви) на свим графитним млазницама.
Избегавајте брзе промене температуре; контролишите проток паре или расхладне воде да бисте ограничили топлотни удар.
Спречити смрзавањеводе или разблажене киселине унутар измењивача, пошто ширење леда може да напукне графит.
Редовно прегледајтеза пуцање, плакање или промене у перформансама преноса топлоте. Мала цурења се често могу поправити епоксидом пуњеним графитом-.
Уверите се да сервисна течност (вода за хлађење) не-оксидује; хлорисана вода може временом да нападне графит.
Закључак
Графитни измењивачи топлоте служе посебној ниши где су висока топлотна проводљивост и отпорност на киселине најважнији и где се њиховом механичком крхкошћу може управљати пажљивим дизајном и радом. За-неоксидирајуће минералне киселине-нарочито хлороводоничне, флуороводоничне и фосфорне киселине-на температурама до 200 степени и умереним притисцима, графит нуди компактну, термички ефикасну алтернативу флуорополимерима. Подложност материјала оксидантима и механичким ударима остаје примарно ограничење. На крају крајева, избор материјала за корозивну киселину укључује балансирање термичких, механичких и хемијских фактора. Када су потребна висока топлотна ефикасност и компактан отисак, а струја киселине није-оксидирајућа, графитни измењивач топлоте остаје решење без премца.
