W jakich branżach grafit jest domyślnym materiałem na wymienniki ciepła i dlaczego?

W niektórych sektorach wybór grafitowego wymiennika ciepła-jest oczywisty. Grafit od dziesięcioleci jest głównym narzędziem pracy i jest materiałem wybieranym tam, gdzie inne materiały szybko zawiodłyby lub byłyby zbyt drogie, aby było praktyczne. Tam, gdzie rdza metali i polimery miękną lub tracą sprawność cieplną, nieprzepuszczalny grafit (impregnowany żywicą fenolową lub furanową) oferuje unikalne połączenie wysokiej przewodności cieplnej, wyjątkowej odporności na korozję w różnych trudnych warunkach oraz użyteczności do 200 stopni i więcej. Musimy znać dokładne procesy, w których grafit sprawdza się lepiej niż jakikolwiek inny materiał, aby poznać domyślne zastosowania przemysłowe grafitowych wymienników ciepła.

Wiodące kluczowe branże
Trzy kluczowe sektory przemysłu konsekwentnie wybierają grafitowy wymiennik ciepła jako wybór domyślny. Trawienie stali (kwas solny), zagęszczanie kwasu fosforowego, suszenie chloru. W każdym przypadku najlepszym i najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest grafit ze względu na korozyjny charakter płynu, wysoką temperaturę i wymóg kompaktowej, wydajnej wymiany ciepła.

Awaria w krytycznych warunkach przemysłowych płynów w wyniku zastosowania materiału niespełniającego norm
Wytrawianie stali (HCl) Gorący kwas solny 80–95 stopni, do 18% HCl Często z FeCl 2 Wymienniki metalowe (tytan, tantal) szybko korodują. PTFE mięknie; wymaga większych jednostek
Stężenie kwasu fosforowego-Proces mokry kwasu fosforowego z fluorkami, chlorkami, krzemionką 100-160 stopni, 40-54% P2O5, obecność HF i H2SiF6 Stal szklana podatna na atak fluorku; metale wysokostopowe (Hastelloy) korodują lub są zbyt drogie
Mokry chlor gazowy + stężony kwas siarkowy 10–40 stopni (chłodzenie), silnie utleniający, kwaśny kondensat. Szybkie utlenianie metali (nikiel, miedź, stal); niemetalowe (PTFE) nie mają przewodności cieplnej w przypadku kompaktowych suszarek
Wytrawianie stali - Usługa gorącym kwasem solnym
Wytrawianie taśm i drutu stalowego Do usuwania kamienia z tlenku żelaza stosuje się gorący kwas solny (zwykle 10–18% HCl w temperaturze 80–95 stopni). Kwas jest obciążony chlorkiem żelaza (FeCl2) i musi być stale podgrzewany, aby proces był wydajny, a także chłodzony w pętlach regeneracji kwasu. Metalowe wymienniki ciepła, takie jak tytanowe, tantalowe i cyrkonowe, są podatne na szybkie wżery, korozję szczelinową lub kruchość wodorową powodowaną przez gorący HCl. Podział stopów na bazie niklu-w tygodniach. Wymienniki płaszczowo-rurowe z PTFE są odporne na agresję chemiczną, mają jednak dwie poważne wady:

Niska przewodność cieplna (0,2 W/m·K w porównaniu z. 100–120 W/m·K w przypadku grafitu) oznacza, że ​​jednostki są duże i zajmują-przestrzeń.

Ograniczenie temperatury: PTFE mięknie i pełza w temperaturze powyżej około 110 stopni i dlatego nie nadaje się do procesów trawienia w wysokiej temperaturze lub regeneracji kotłów.

Wymienniki ciepła z bloków grafitowych lub płaszczowo-rurowych mogą bezpiecznie pracować w temperaturze 95 stopni i tolerują krótkie wahania temperatury do 120-130 stopni. Kompaktowy rozmiar ułatwia integrację jednostek z istniejącymi liniami trawiącymi. Żywotność w służbie HCl wynosi 10-20 lat dla setek instalacji na całym świecie. Grafit jest zatem standardowym materiałem do podgrzewaczy, chłodnic i wymienników ciepła systemów regeneracji kwasu trawiącego. Tam, gdzie PTFE mógłby teoretycznie działać, większy rozmiar i wyższy koszt instalacji jednostki PTFE często faworyzują grafit.

Stężenie kwasu fosforowego: praca w wysokich temperaturach i fluorkach
Kwas fosforowy (WPA) wytwarzany w procesie mokrym-w reakcji skały fosforytowej z kwasem siarkowym. Otrzymany kwas zawiera znaczne ilości zanieczyszczeń: fluorków (w postaci HF i H2SiF6), chlorków i siarczanów metali. Zatężanie od około 28% P₂O₅ do klasy handlowej-54% P₂O₅ przeprowadza się pod próżnią lub pod ciśnieniem atmosferycznym, w temperaturach do 160 stopni. Zawartość fluoru agresywnie atakuje materiały-zawierające krzem (szkło,-stal powlekana szkłem) i wiele specjalnych stopów.

Grafitowe wymienniki ciepła są szeroko stosowane jako grzejniki, kalandria parownika i chłodnice skraplaczy w instalacjach kwasu fosforowego. Grafit stał się rozwiązaniem domyślnym dla: Powody obejmują:

Odporność na fluor: Na grafit nie ma wpływu HF ani kwas fluorokrzemowy w stężeniach i temperaturach występujących w stężeniu WPA.

Odporność na wysoką temperaturę: Grafit zachowuje swoją wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję do 170-200 stopni, obejmując wszystkie zastosowania w stężeniu kwasu fosforowego.

Zaleta przewodności cieplnej: Grafit jest dobrym przewodnikiem ciepła, co jest zaletą w przypadku konstrukcji parowników, ponieważ oznacza mniejszą powierzchnię i mniejsze rozmiary naczyń.

PTFE jest również odporny na fluorki, jednak w tej branży rzadko wymagane są wymienniki ciepła PTFE. Głównym problemem jest znacznie większa powierzchnia zajmowana przez to samo zadanie. W przypadku dużych instalacji kwasu fosforowego (setki tysięcy ton rocznie) przestrzeń jest ograniczona, a konstrukcje wsporcze dla ogromnych wymienników PTFE nie są atrakcyjne ekonomicznie. PTFE ma również maksymalny limit temperatury wynoszący ~ 180 stopni, co zapewnia niewielki margines w przypadku zakłóceń. Grafit znajduje się pomiędzy metalami egzotycznymi (które zbyt szybko korodują) i polimerami o niższych temperaturach (które wymagają zbyt dużej powierzchni).

Suszenie chlorem: chłodzenie odporne na utlenianie
W instalacjach chloro-alkalicznych chlor gazowy wytwarzany w procesie elektrolizy membranowej lub membranowej jest nasycany parą wodną. Mokry chlor jest dość żrący, tworząc kwas podchlorawy i solny. Mokry chlor suszy się w wieżach z wypełnieniem poprzez kontakt z mocnym kwasem siarkowym (98-99%). Powstały suchy chlor gazowy (ze śladową mgłą kwasu) należy schłodzić przed sprężaniem lub dalszą obróbką. Chłodnice chloru za wieżami suszącymi to grafitowe wymienniki ciepła-rurowe.

Dlaczego przede wszystkim grafit? Ochłodzony gaz zawiera suchy chlor oraz resztkowe pary kwasu siarkowego i kondensat. Ta mieszanina jest silnym utleniaczem i atakuje większość metali. Miedź, stal i nikiel szybko korodują. Tantal jest odporny, ale zbyt drogi w przypadku znacznych powierzchni wymiany ciepła. Odporny chemicznie PTFE nie jest w stanie zapewnić kompaktowego, wysokowydajnego chłodzenia potrzebnego do skroplenia kwaśnej mgły i kontrolowania temperatury gazu. Wysoka przewodność cieplna grafitu pozwala na stworzenie kompaktowych, niedrogich chłodnic, które można łatwo dodać do ciągu suszącego chlor.

Serwisowanie chlorem to także dziedzina, w której od ponad 50 lat stosuje się grafitowe wymienniki ciepła, co ma-ugruntowane doświadczenie w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności. W sektorze chloro-alkalii inżynierowie zajmujący się procesami zazwyczaj wybierają chłodnice grafitowe jako oczywistość, rzadko myśląc o opcjach z alternatywnych materiałów.

Dlaczego PTFE nie jest rozwiązaniem domyślnym
PTFE ma wyjątkową odporność chemiczną, dlaczego więc grafit jest nadal powszechnym wyborem w tych branżach? Dlaczego nie PTFE? Wyjaśnienie sprowadza się do trzech ograniczeń PTFE:

Sufit temperaturowy: PTFE zmięknie i zacznie się przesuwać pod ciśnieniem powyżej około 110-120 C. Nie można sobie wyobrazić ciągłej pracy w temperaturze 150 stopni. Grafit jest stabilny co najmniej do 200 C.

Przewodność cieplna: Bardzo niska przewodność cieplna PTFE wymaga ogromnych obszarów wymiany ciepła. W zastosowaniach, w których potrzebne są setki metrów kwadratowych, jednostka PTFE staje się dość duża, ciężka i kosztowna w montażu.

Wytrzymałość mechaniczna: bloki grafitowe oraz zespoły-i-rur zapewniają solidne i niezawodne podparcie dla arkuszy rur i uszczelek. Ostrożne naprężenie rurek PTFE jest konieczne, ponieważ są one bardziej podatne na uszkodzenia mechaniczne podczas czyszczenia.

Jeśli graniczna temperatura PTFE nie jest przekroczona w przypadku zastosowania, a przestrzeń nie stanowi problemu, można wybrać PTFE. Jednakże w trzech wskazanych sektorach, czyli trawieniu stali, stężeniu kwasu fosforowego i suszeniu chloru, połączenie wysokiej temperatury, wysokiej korozyjności i ekonomicznej konieczności kompaktowej konstrukcji sprawia, że ​​grafit jest wyborem domyślnym.

Rola sukcesu w dziedzinie historycznej
Wiodąca rola grafitu wynika z dziesięcioleci ugruntowanego doświadczenia w terenie. W tak trudnych warunkach procesu grafit okazał się znacznie bardziej niezawodny niż jakikolwiek inny materiał. Dane laboratoryjne często decydują o wyborze materiału, ale także wcześniejsze doświadczenia terenowe. Inżynierowie określający sprzęt dla nowej linii wytrawiania, wyparki kwasu fosforowego lub układu chłodzenia chloru zazwyczaj trzymają się norm branżowych dotyczących grafitu, ponieważ wszelkie odstępstwa od tego poziomu stanowią niepotrzebne ryzyko.

Podsumowanie podsumowujące
Grafitowe wymienniki ciepła są typowym materiałem do wytrawiania stali (gorący HCl), zagęszczania kwasu fosforowego (gorący, kwas zawierający fluor) i suszenia chlorem (mokry chlor z kwasem siarkowym). Grafit oferuje połączenie odporności chemicznej, wysokiej przewodności cieplnej i odporności temperaturowej, której nie mogą dorównać inne materiały (metale, PTFE, szkło) w pełnym zakresie warunków procesu w każdej sytuacji. PTFE ma lepszą obojętność chemiczną w niższych temperaturach, ale jego słaba przewodność cieplna i ograniczenia temperaturowe sprawiają, że nie nadaje się jako substytut grafitu w tych wymagających zastosowaniach. Domyślny status branżowy grafitowych wymienników ciepła nie jest przypadkowy,-jest on oparty na dziesięcioleciach niezawodnej,-ekonomicznej obsługi, w przypadku której rozwiązania alternatywne wielokrotnie zawodziły.