În ce industrii este grafitul materialul implicit al schimbătorului de căldură și de ce?

În anumite sectoare, specificarea unui schimbător de căldură cu grafit este o-o oboseală. Grafitul a fost un cal de bătaie de zeci de ani și este materialul de alegere în cazul în care alte materiale ar eșua rapid sau ar fi prea scumpe pentru a fi practice. Acolo unde metalele ruginesc și polimerii se înmoaie sau își pierd eficiența termică, grafitul impermeabil (impregnat cu rășină fenolică sau furanică) oferă o combinație unică de conductivitate termică ridicată, rezistență excepțională la coroziune la diferite condiții dure și funcționalitate de până la 200 de grade și mai mult. Trebuie să cunoaștem procesele precise în care grafitul funcționează mai bine decât orice alt material pentru a cunoaște aplicațiile implicite din industrie ale schimbătoarelor de căldură din grafit.

Cele mai importante industrii cheie
Trei sectoare industriale cheie aleg în mod constant schimbătorul de căldură din grafit ca alegere implicită. Decaparea oțelului (acid clorhidric), concentrația de acid fosforic, uscarea clorului. În fiecare caz, cea mai bună și mai economică soluție este grafitul din cauza naturii corozive a fluidului, a temperaturii ridicate și a cerinței pentru un transfer de căldură compact și eficient.

Condiții critice ale fluidelor de funcționare Eșec Rezultatul materialului substandard
Decapare din oțel (HCl) Acid clorhidric fierbinte 80–95 grade, până la 18% HCI. necesită unități mai mari
Concentrație de acid fosforic Acid fosforic proces umed-cu fluoruri, cloruri, silice 100-160 grade , 40-54% P2O5, prezența HF și H2SiF6 Oțel căptușit cu sticlă supus atacului de fluor; metalele înalt aliate (Hastelloy) corodează sau sunt prea scumpe
Gaz de clor umed + acid sulfuric concentrat 10–40 grade (funcție de răcire), puternic oxidant, condensat acid Oxidarea rapidă a metalelor (nichel, cupru, oțel); opțiunile ne-metalice (PTFE) nu au conductivitate termică pentru răcitoarele compacte cu uscare
Serviciu de decapare a oțelului - Acid clorhidric fierbinte
Decaparea benzilor de oțel și a sârmei Acidul clorhidric fierbinte (de obicei 10–18% HCI la 80–95 grade) este utilizat pentru a îndepărta depunerile de oxid de fier. Acidul este încărcat cu clorură feroasă (FeCl2) și trebuie să fie încălzit constant pentru a face procesul eficient, precum și răcit în bucle de regenerare a acidului. Schimbătoarele de căldură metalice, cum ar fi cele de titan, tantal și zirconiu, suferă de pitting rapid, coroziune în crăpături sau fragilizare prin hidrogen cauzată de HCI fierbinte. Aliajele pe bază de nichel-se descompun în săptămâni. Schimbatoarele cu manta si tuburi din PTFE sunt rezistente la atacul chimic, dar au doua dezavantaje serioase:

Conductivitatea termică scăzută (0,2 W/m·K față de. 100–120 W/m·K pentru grafit) înseamnă că unitățile sunt mari și consumă-spațiu.

Limitare de temperatură: PTFE se înmoaie și se strecoară peste aproximativ 110 de grade și, prin urmare, nu este potrivit pentru decaparea la temperatură ridicată sau activitățile de regenerare a cazanelor.

Blocurile de grafit sau schimbătoarele de căldură cu carcasă și tub pot funcționa în siguranță la 95 de grade și pot tolera excursii scurte la 120-130 de grade. Dimensiunea compactă facilitează integrarea unităților în liniile de decapare existente. Durata de viață în serviciul cu HCI este de 10-20 de ani pentru sute de instalații din întreaga lume. Grafitul este astfel materialul standard pentru decaparea încălzitoarelor cu acid, răcitoarelor și schimbătoarelor de căldură ale sistemului de regenerare. Acolo unde teoretic PTFE ar putea funcționa, dimensiunea mai mare și costul de instalare mai mare al unei unități de PTFE favorizează frecvent grafitul.

Concentrația acidului fosforic: lucrul cu temperaturi ridicate și fluoruri
Acidul fosforic-umed (WPA) este obținut prin reacția rocii de fosfat cu acid sulfuric. Acidul obtinut contine cantitati considerabile de impuritati: fluoruri (ca HF si H2SiF6), cloruri si sulfati metalici. Concentrația de la aproximativ 28% P₂O₅ la 54% P₂O₅ de calitate comercială se realizează sub vid sau presiune atmosferică la temperaturi de până la 160 de grade. Conținutul de fluor va ataca agresiv materialele care conțin siliciu-(sticlă, oțel căptușit-sticlă) și multe aliaje speciale.

Schimbătoarele de căldură din grafit sunt utilizate pe scară largă ca încălzitoare, calandria evaporatoare și răcitoare de condensator în instalațiile de acid fosforic. Grafitul a devenit implicit pentru: Motivele includ:

Rezistența la fluor: Grafitul nu este afectat de HF sau acidul fluosilicic în concentrațiile și temperaturile experimentate în concentrația WPA.

Rezistență la temperaturi ridicate: Grafitul își păstrează rezistența mecanică și rezistența la coroziune până la 170-200 de grade, acoperind toate aplicațiile de concentrație de acid fosforic.

Avantaj de conductivitate termică: Grafitul este un bun conductor de căldură și acesta este un plus pentru modelele de evaporator, deoarece înseamnă o suprafață mai mică și dimensiuni mai mici ale vaselor.

PTFE rezistă, de asemenea, fluorurilor, totuși schimbătoarele de căldură PTFE sunt rareori solicitate în această afacere. Problema principală este amprenta substanțial mai mare pentru aceeași sarcină. Pentru instalațiile de acid fosforic la scară largă (sute de mii de tone pe an) spațiul este limitat, iar structurile de susținere pentru schimbătoarele enorme de PTFE nu sunt atractive din punct de vedere economic. PTFE are, de asemenea, o limită maximă de temperatură de ~180 de grade, ceea ce oferă o marjă mică pentru situații perturbate. Grafitul se află între metalele exotice (care se corodează prea repede) și polimerii cu temperatură mai scăzută (care necesită prea multă suprafață).

Uscarea cu clor: sarcină de răcire rezistentă la oxidare
În instalațiile de clor alcaline, clorul gazos produs prin electroliza membranei sau a diafragmei este saturat cu vapori de apă. Clorul umed este destul de coroziv, formând acid hipocloros și clorhidric. Clorul umed este uscat în turnuri împachetate prin contact cu acid sulfuric puternic (98-99%). Gazul de clor uscat rezultat (cu urme de ceață acidă) trebuie răcit înainte de comprimare sau prelucrare ulterioară. Răcitoarele cu clor în aval de turnurile de uscare sunt schimbătoare de căldură cu carcasă-și tuburi din grafit.

De ce grafit în primul rând? Gazul răcit cuprinde clor uscat și vapori reziduali de acid sulfuric și condensat. Acest amestec este un oxidant puternic și va ataca majoritatea metalelor. Cuprul, oțelul și nichelul se corodează rapid. Tantalul este rezistent, dar prea scump pentru suprafețele semnificative de transfer de căldură. Rezistent chimic, PTFE nu poate asigura răcirea compactă și de înaltă eficiență necesară pentru a condensa ceața acidă și a controla temperatura gazului. Conductivitatea ridicată la căldură a grafitului permite răcitoare compacte și ieftine care pot fi adăugate cu ușurință în trenul de uscare a clorului.

Serviciul cu clor a fost, de asemenea, un domeniu în care schimbătoarele de căldură din grafit au fost folosite de peste 50 de ani, cu un record de siguranță și fiabilitate bine stabilit. În sectorul clor-alcalin, inginerii de proces specifică de obicei răcitoarele din grafit ca o chestiune normală, rareori gândindu-se la opțiuni de materiale alternative.

De ce PTFE nu este implicit
PTFE are o rezistență chimică excepțională, așa că de ce grafitul este încă alegerea obișnuită în aceste industrii? De ce nu PTFE? Explicația se reduce la trei limitări ale PTFE:

Plafon de temperatură: PTFE se va înmuia și va începe să alunece sub presiune peste aproximativ 110-120 C Funcționarea continuă la 150 de grade nu este de conceput. Grafitul este stabil cel puțin până la 200 C.

Conductivitate termică: Conductivitatea termică foarte scăzută a PTFE necesită regiuni uriașe pentru transferul de căldură. Pentru aplicațiile în care sunt necesari sute de metri pătrați, o unitate PTFE devine destul de mare, grea și costisitoare de instalat.

Robustețe mecanică: blocurile de grafit și unitățile de înveliș-și-tuburilor oferă suport ferm și de încredere pentru foile tubulare și garniturile. Tensarea atentă a tuburilor din PTFE este necesară deoarece acestea sunt mai predispuse la deteriorări mecanice în timpul curățării.

Dacă limita de temperatură a PTFE nu este depășită de aplicație și spațiul nu este o problemă, atunci PTFE poate fi selectat. Cu toate acestea, în cele trei sectoare indicate, decaparea oțelului, concentrația de acid fosforic și uscarea cu clor, combinația de temperatură ridicată, corozivitate ridicată și necesitate economică pentru design compact face din grafit alegerea implicită.

Rolul succesului în domeniul istoric
Rolul principal al grafitului se datorează deceniilor de experiență în domeniu. În condiții de proces atât de grele, grafitul s-a dovedit semnificativ mai fiabil decât orice material alternativ. Datele de laborator determină adesea selecția materialelor, dar la fel și experiența anterioara pe teren. Inginerii care specifică echipamente pentru o nouă linie de decapare, un evaporator de acid fosforic sau un tren de răcire cu clor respectă, în general, norma industrială a grafitului, deoarece orice divergență de la acest nivel este un risc inutil.

Sumar Concluzie
Schimbătoarele de căldură din grafit sunt materialul obișnuit în decaparea oțelului (HCl fierbinte), concentrația de acid fosforic (acid fierbinte, care conține fluorură) și uscare cu clor (clorul umed cu acid sulfuric). Grafitul oferă o combinație de rezistență chimică, conductivitate termică ridicată și capacitate de temperatură care nu poate fi egalată de alte materiale (metale, PTFE, sticlă) pe întreaga gamă de condiții de proces în fiecare situație. PTFE este mai bun în ceea ce privește inerția chimică la temperaturi mai scăzute, dar conductivitatea termică scăzută și limitele de temperatură îl fac nepotrivit ca înlocuitor pentru grafit în aceste aplicații solicitante. Starea implicită a schimbătorului de căldură din grafit nu este un accident-ci se bazează pe zeci de ani de servicii fiabile și rentabile, în care alternativele nu au reușit să ofere în mod repetat.