Σε ποιες βιομηχανίες είναι ο γραφίτης το προεπιλεγμένο υλικό εναλλάκτη θερμότητας και γιατί;

Σε ορισμένους τομείς, ο καθορισμός ενός εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη δεν-είναι απίθανος. Ο γραφίτης είναι ένα άλογο εργασίας για δεκαετίες και είναι το υλικό επιλογής όπου άλλα υλικά θα αποτύγχανε γρήγορα ή θα ήταν πολύ ακριβά για να είναι πρακτικά. Όπου τα μέταλλα σκουριάζουν και τα πολυμερή μαλακώνουν ή χάνουν τη θερμική τους απόδοση, ο αδιαπέρατος γραφίτης (εμποτισμένος με φαινολική ή φουρανική ρητίνη) προσφέρει έναν μοναδικό συνδυασμό υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, εξαιρετικής αντοχής στη διάβρωση σε διάφορες σκληρές συνθήκες και δυνατότητα συντήρησης έως 200 βαθμούς και άνω. Πρέπει να γνωρίζουμε τις ακριβείς διαδικασίες όπου ο γραφίτης λειτουργεί καλύτερα από οποιοδήποτε άλλο υλικό για να γνωρίζουμε τις προεπιλεγμένες βιομηχανικές εφαρμογές των εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη.

Κορυφαίες βασικές βιομηχανίες
Τρεις βασικοί βιομηχανικοί τομείς επιλέγουν με συνέπεια τον εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη ως την προεπιλεγμένη επιλογή. Αποξήρανση χάλυβα (υδροχλωρικό οξύ), συγκέντρωση φωσφορικού οξέος, ξήρανση χλωρίου. Σε κάθε περίπτωση η καλύτερη και πιο οικονομική λύση είναι ο γραφίτης λόγω της διαβρωτικής φύσης του ρευστού, της υψηλής θερμοκρασίας και της απαίτησης για συμπαγή, αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας.

IndustryCritical Fluid Conditions of Operation FailureΑποτέλεσμα υποβαθμισμένου υλικού
Χάλυβας Pickling (HCl) Ζεστό υδροχλωρικό οξύ 80–95 μοίρες, έως 18% HCl Συχνά με FeCl 2Οι εναλλάκτες μετάλλων (τιτάνιο, ταντάλιο) διαβρώνονται γρήγορα Το PTFE μαλακώνει. απαιτεί μεγαλύτερες μονάδες
Συγκέντρωση φωσφορικού οξέος Υγρό-φωσφορικό οξύ διεργασίας με φθοριούχα, χλωρίδια, πυρίτιο 100-160 μοίρες , 40-54% P2O5, παρουσία HF και H2SiF6 Χάλυβας με επένδυση υάλου που υπόκειται σε προσβολή από φθόριο. μέταλλα με υψηλή περιεκτικότητα σε κράμα (Hastelloy) διαβρώνονται ή είναι πολύ ακριβά
Υγρό αέριο χλώριο + πυκνό θειικό οξύ 10–40 μοιρών (ψυκτική λειτουργία), ισχυρά οξειδωτικό, όξινο συμπύκνωμα Ταχεία οξείδωση μετάλλων (νικέλιο, χαλκός, χάλυβας). Οι μη{3}}μη μεταλλικές επιλογές (PTFE) δεν έχουν θερμική αγωγιμότητα για συμπαγείς ψύκτες στεγνώματος
Service Pickling Steel - Hot Hydrochloric Acid
Αποξήρανση λωρίδων χάλυβα και σύρματος Ζεστό υδροχλωρικό οξύ (συνήθως 10–18% HCl στους 80–95 βαθμούς ) χρησιμοποιείται για την αφαίρεση αλάτων οξειδίου του σιδήρου. Το οξύ είναι φορτωμένο με χλωριούχο σίδηρο (FeCl2) και πρέπει να θερμαίνεται συνεχώς για να είναι αποτελεσματική η διαδικασία καθώς και να ψύχεται σε βρόχους αναγέννησης οξέος. Οι μεταλλικοί εναλλάκτες θερμότητας όπως αυτοί του τιτανίου, του τανταλίου και του ζιρκονίου υποφέρουν από ταχεία διάβρωση, διάβρωση ρωγμών ή ευθραυστότητα υδρογόνου που προκαλείται από το θερμό HCl. Ανάλυση κραμάτων με βάση το νικέλιο-σε εβδομάδες. Οι εναλλάκτες κελύφους και σωλήνων PTFE είναι ανθεκτικοί στη χημική επίθεση, αλλά έχουν δύο σοβαρά μειονεκτήματα:

Η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα (0,2 W/m·K έναντι. 100–120 W/m·K για γραφίτη) σημαίνει ότι οι μονάδες είναι μεγάλες και καταναλώνουν χώρο-.

Περιορισμός θερμοκρασίας: Το PTFE μαλακώνει και σέρνεται πάνω από περίπου 110 μοίρες και επομένως δεν είναι κατάλληλο για δραστηριότητες αποξήρωσης ή αναγέννησης λέβητα σε υψηλή θερμοκρασία.

Οι εναλλάκτες θερμότητας μπλοκ γραφίτη ή κελύφους και σωλήνων μπορούν να λειτουργήσουν με ασφάλεια στις 95 μοίρες και μπορούν να ανεχθούν σύντομες εκδρομές στους 120-130 βαθμούς. Το συμπαγές μέγεθος καθιστά εύκολη την ενσωμάτωση των μονάδων σε υπάρχουσες σειρές αποστράγγισης. Η διάρκεια ζωής στην υπηρεσία HCl είναι 10-20 χρόνια για εκατοντάδες εγκαταστάσεις σε όλο τον κόσμο. Ο γραφίτης είναι επομένως το τυπικό υλικό για την αποξήρανση θερμαντήρων με οξύ, ψύκτες και εναλλάκτες θερμότητας συστημάτων αναγέννησης. Όπου το PTFE θα μπορούσε θεωρητικά να λειτουργήσει, το μεγαλύτερο μέγεθος και το υψηλότερο κόστος εγκατάστασης μιας μονάδας PTFE ευνοούν συχνά τον γραφίτη.

Συγκέντρωση φωσφορικού οξέος: Λειτουργία με υψηλές θερμοκρασίες και φθόριο
Το φωσφορικό οξύ υγρής διεργασίας (WPA) παράγεται με αντίδραση φωσφορικού πετρώματος με θειικό οξύ. Το οξύ που λαμβάνεται περιέχει σημαντικές ποσότητες ακαθαρσιών: φθοριούχα (όπως HF και H2SiF6), χλωριούχα και θειικά μέταλλα. Η συγκέντρωση από περίπου 28% P2O5 σε εμπορική-βαθμίδα 54% P2O5 πραγματοποιείται υπό κενό ή ατμοσφαιρική πίεση σε θερμοκρασίες έως 160 βαθμούς. Η περιεκτικότητα σε φθόριο θα επιτεθεί επιθετικά σε υλικά που περιέχουν πυρίτιο (γυαλί,{11}}χάλυβας με επένδυση από γυαλί) και πολλά ειδικά κράματα.

Οι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη χρησιμοποιούνται εκτενώς ως θερμαντήρες, ψύκτες εξατμιστή και συμπυκνωτή σε εγκαταστάσεις φωσφορικού οξέος. Ο γραφίτης έχει γίνει η προεπιλογή για τους εξής λόγους:

Αντοχή σε φθόριο: Ο γραφίτης δεν επηρεάζεται από HF ή φθοριοπυριτικό οξύ σε συγκεντρώσεις και θερμοκρασίες που παρουσιάζονται στη συγκέντρωση WPA.

Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες: Ο γραφίτης διατηρεί τη μηχανική του αντοχή και αντοχή στη διάβρωση έως και 170-200 βαθμούς, καλύπτοντας όλες τις εφαρμογές συγκέντρωσης φωσφορικού οξέος.

Πλεονέκτημα θερμικής αγωγιμότητας: Ο γραφίτης είναι ένας καλός αγωγός θερμότητας και αυτό είναι ένα πλεονέκτημα για τα σχέδια εξατμιστή, καθώς σημαίνει μικρότερη επιφάνεια και μικρότερα μεγέθη δοχείων.

Το PTFE αντέχει επίσης στα φθόριο, ωστόσο οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE σπάνια ζητούνται σε αυτήν την επιχείρηση. Το κύριο ζήτημα είναι το ουσιαστικά μεγαλύτερο αποτύπωμα για την ίδια εργασία. Για εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας φωσφορικού οξέος (εκατοντάδες χιλιάδες τόνοι ετησίως) ο χώρος είναι περιορισμένος και οι δομές στήριξης για τεράστιους εναλλάκτες PTFE δεν είναι οικονομικά ελκυστικές. Το PTFE έχει επίσης μέγιστο όριο θερμοκρασίας ~180 μοίρες, το οποίο προσφέρει μικρό περιθώριο για διαταραγμένες καταστάσεις. Ο γραφίτης βρίσκεται ανάμεσα σε εξωτικά μέταλλα (τα οποία διαβρώνονται πολύ γρήγορα) και σε πολυμερή χαμηλότερης θερμοκρασίας (τα οποία απαιτούν πολύ μεγάλη επιφάνεια).

Ξήρανση με χλώριο: ανθεκτικό στην ψύξη κατά της οξείδωσης
Στα εργοστάσια χλωριούχων αλκαλίων το αέριο χλώριο που παράγεται από ηλεκτρόλυση μεμβράνης ή διαφράγματος είναι κορεσμένο με υδρατμούς. Το υγρό χλώριο είναι αρκετά διαβρωτικό, σχηματίζοντας υποχλωριώδες και υδροχλωρικό οξύ. Το υγρό χλώριο ξηραίνεται σε συσκευασμένους πύργους σε επαφή με ισχυρό θειικό οξύ (98-99%). Το προκύπτον ξηρό αέριο χλώριο (με ίχνη όξινης ομίχλης) πρέπει να ψύχεται πριν από τη συμπίεση ή την περαιτέρω επεξεργασία. Οι ψύκτες χλωρίου κατάντη των πύργων ξήρανσης είναι εναλλάκτες θερμότητας με κέλυφος γραφίτη-και σωλήνα.

Γιατί καταρχήν ο γραφίτης; Το ψυχθέν αέριο περιλαμβάνει ξηρό χλώριο και υπολειμματικό ατμό και συμπύκνωμα θειικού οξέος. Αυτό το μείγμα είναι ένα ισχυρό οξειδωτικό και θα επιτεθεί στα περισσότερα μέταλλα. Ο χαλκός, ο χάλυβας και το νικέλιο διαβρώνονται γρήγορα. Το ταντάλιο είναι ανθεκτικό αλλά πολύ ακριβό για σημαντικές επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας. Το χημικά ανθεκτικό, το PTFE δεν μπορεί να παρέχει τη συμπαγή ψύξη υψηλής απόδοσης που απαιτείται για τη συμπύκνωση της όξινης ομίχλης και τον έλεγχο της θερμοκρασίας του αερίου. Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη επιτρέπει συμπαγείς φθηνούς ψύκτες που μπορούν εύκολα να προστεθούν στο σύστημα ξήρανσης χλωρίου.

Η υπηρεσία χλωρίου είναι επίσης ένας τομέας όπου οι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη χρησιμοποιούνται για περισσότερα από 50 χρόνια, με ένα καλά-καταξιωμένο ιστορικό ασφάλειας και αξιοπιστίας. Στον τομέα του χλωρίου-αλκαλίων, οι μηχανικοί διεργασιών συνήθως καθορίζουν τους ψύκτες γραφίτη ως αυτονόητο, σπάνια σκέφτονται για εναλλακτικές επιλογές υλικών.

Γιατί το PTFE δεν είναι η προεπιλογή
Το PTFE έχει εξαιρετική χημική αντοχή, οπότε γιατί ο γραφίτης εξακολουθεί να είναι η συνηθισμένη επιλογή σε αυτές τις βιομηχανίες; Γιατί όχι PTFE; Η εξήγηση καταλήγει σε τρεις περιορισμούς PTFE:

Ανώτατο όριο θερμοκρασίας: Το PTFE θα μαλακώσει και θα αρχίσει να γλιστράει υπό πίεση πάνω από περίπου 110-120 C Δεν είναι δυνατή η συνεχής λειτουργία στους 150 βαθμούς. Ο γραφίτης είναι σταθερός τουλάχιστον μέχρι τους 200 C.

Θερμική αγωγιμότητα: Η πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα του PTFE απαιτεί τεράστιες περιοχές για μεταφορά θερμότητας. Για εφαρμογές όπου χρειάζονται εκατοντάδες τετραγωνικά μέτρα, μια μονάδα PTFE γίνεται αρκετά μεγάλη, βαριά και ακριβή στην εγκατάσταση.

Μηχανική στιβαρότητα: Τα μπλοκ γραφίτη και οι μονάδες κελύφους-και-σωλήνων προσφέρουν σταθερή, αξιόπιστη υποστήριξη για φύλλα και παρεμβύσματα σωλήνων. Το προσεκτικό τέντωμα των σωλήνων PTFE είναι απαραίτητο επειδή είναι πιο επιρρεπείς σε μηχανικές βλάβες κατά τον καθαρισμό.

Εάν το όριο θερμοκρασίας του PTFE δεν ξεπεραστεί από την εφαρμογή και ο χώρος δεν προκαλεί ανησυχία, τότε μπορεί να επιλεγεί το PTFE. Ωστόσο, στους τρεις τομείς που υποδεικνύονται, η αποξήρανση χάλυβα, η συγκέντρωση φωσφορικού οξέος και η ξήρανση με χλώριο, ο συνδυασμός υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής διαβρωτικότητας και οικονομικής ανάγκης για συμπαγή σχεδιασμό καθιστά τον γραφίτη την προεπιλεγμένη επιλογή.

Ρόλος της επιτυχίας του ιστορικού πεδίου
Ο ηγετικός ρόλος της Graphite οφείλεται στην καθιερωμένη εμπειρία δεκαετιών στον τομέα. Σε τέτοιες επίπονες συνθήκες διεργασίας, ο γραφίτης έχει αποδειχθεί πολύ πιο αξιόπιστος από οποιοδήποτε εναλλακτικό υλικό. Τα εργαστηριακά δεδομένα συχνά καθοδηγούν την επιλογή υλικού, αλλά το ίδιο συμβαίνει και με την προηγούμενη εμπειρία πεδίου. Οι μηχανικοί που καθορίζουν εξοπλισμό για μια νέα γραμμή τουρσί, εξατμιστή φωσφορικού οξέος ή συρμό ψύξης χλωρίου γενικά τηρούν τον βιομηχανικό κανόνα του γραφίτη, καθώς οποιαδήποτε απόκλιση από αυτό το επίπεδο είναι περιττός κίνδυνος.

Περίληψη Συμπέρασμα
Οι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη είναι το συνηθισμένο υλικό στην αποξήρανση του χάλυβα (ζεστό HCl), στη συγκέντρωση φωσφορικού οξέος (ζεστό, οξύ που περιέχει φθόριο) και στην ξήρανση χλωρίου (υγρό χλώριο με θειικό οξύ). Ο γραφίτης προσφέρει έναν συνδυασμό χημικής αντοχής, υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και ικανότητας θερμοκρασίας που δεν μπορεί να συνδυαστεί με άλλα υλικά (μέταλλα, PTFE, γυαλί) σε όλο το φάσμα των συνθηκών διεργασίας σε κάθε περίπτωση. Το PTFE είναι καλύτερο σε χημική αδράνεια σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, αλλά η κακή θερμική αγωγιμότητα και τα όρια θερμοκρασίας το καθιστούν ακατάλληλο ως υποκατάστατο του γραφίτη σε αυτές τις απαιτητικές εφαρμογές. Η προεπιλεγμένη βιομηχανική κατάσταση του εναλλάκτη θερμότητας γραφίτη δεν είναι ατύχημα-αλλά βασίζεται σε δεκαετίες αξιόπιστης-οικονομικής υπηρεσίας όπου οι εναλλακτικές λύσεις έχουν επανειλημμένα αποτύχει.