Ποια είναι τα πλεονεκτήματα ενός εναλλάκτη θερμότητας PTFE με κέλυφος-και{-σωληναρίου για διαβρωτικές εφαρμογές;

Για παράδειγμα: Μια χημική διαδικασία απαιτεί θέρμανση ενός διαβρωτικού ρευστού σε μέτρια πίεση. Η εγκατάσταση χρησιμοποιούσε ιστορικά μεταλλικούς εναλλάκτες κελύφους και σωλήνων, αλλά διαβρώνονται σε μήνες. Το PTFE είναι ανθεκτικό στη διάβρωση, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή στιβαρού κελύφους{-και-σωλήνων; "Ποια είναι τα πρακτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτής της κλασικής διαμόρφωσης για PTFE;"

Αυτό είναι ένα διαδεδομένο πρόβλημα στη βιομηχανία χημικής επεξεργασίας. Πολλές εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν συμβατικούς μεταλλικούς εναλλάκτες θερμότητας για εργασίες θέρμανσης, ψύξης, συμπύκνωσης ή εξάτμισης. Αυτοί οι εναλλάκτες είναι μηχανικά ανθεκτικοί και γνωστοί στους μηχανικούς, αλλά τα σκληρά ρευστά διεργασίας όπως ισχυρά οξέα, οξειδωτικά διαλύματα ή αλογονωμένες ενώσεις μπορούν γρήγορα να προσβάλλουν μεταλλικά συστατικά. Ακόμη και τα ανθεκτικά στη διάβρωση κράματα θα καταρρεύσουν τελικά υπό μακροπρόθεσμη χημική επίθεση. Σε τέτοιες ρυθμίσεις, οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE παρέχουν μια εναλλακτική επιλογή συνδυασμού της χημικής αντίστασης με καλά αναγνωρισμένες ιδέες σχεδίασης μεταφοράς θερμότητας.

Ο σχεδιασμός του κελύφους-και-του σωλήνος είναι η κινητήρια δύναμη της χημικής βιομηχανίας και οι προσαρμογές PTFE αυτού του σχεδίου επιτρέπουν τη χρήση του ίδιου μηχανικού πλαισίου σε εξαιρετικά διαβρωτικές υπηρεσίες. Ένας εναλλάκτης κελύφους και σωλήνων PTFE είναι μια δέσμη σωλήνων PTFE μικροσκοπικής διαμέτρου που τοποθετούνται σε κυλινδρικό κέλυφος. Το ένα ρευστό περνά μέσα από τους σωλήνες ενώ το άλλο ρευστό ρέει γύρω από το εξωτερικό των σωλήνων στο κέλυφος. Ο σωλήνας PTFE έχει λεπτά τοιχώματα, επομένως η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί από το ένα ρευστό στο άλλο.

Οι ίδιοι οι σωλήνες αποτελούνται από υλικό φθοροπολυμερούς, ωστόσο το κέλυφος είναι συνήθως κατασκευασμένο από μέταλλο ή{0}}ενισχυμένο με ίνες πλαστικό (FRP). Αυτός ο συνδυασμός προσφέρει στο υγρό διεργασίας με χημική προστασία και επίσης προσδίδει δομική αντοχή. Η εύκαμπτη σωλήνωση PTFE υποστηρίζεται από τα φύλλα σωλήνα, τα στηρίγματα και τα εσωτερικά διαφράγματα που έχουν σχεδιαστεί για να επιτρέπουν τη θερμική διαστολή κατά τη λειτουργία.

Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των δεσμίδων σωλήνων PTFE είναι η μεγάλη αντοχή στη διάβρωση. Το PTFE είναι χημικά ανθεκτικό στα περισσότερα βιομηχανικά χημικά όπως ισχυρά οξέα, αλκάλια, οξειδωτικά και πολλούς διαλύτες. Αυτή η δυνατότητα επιτρέπει στους εναλλάκτες-και-σωλήνων να χρησιμοποιούνται για ρεύματα που θα μπορούσαν να διαβρώσουν γρήγορα τον ανοξείδωτο χάλυβα ή άλλα κράματα μετάλλων. Έτσι, οι εναλλάκτες PTFE χρησιμοποιούνται ευρέως στους τομείς των χημικών, ημιαγωγών, φινιρίσματος μετάλλων και φαρμακευτικών προϊόντων.

Η αντίσταση του PTFE στη ρύπανση οφείλεται επίσης στο μη κολλητικό χαρακτηριστικό του PTFE. Πολλά βιομηχανικά ρευστά έχουν διαλυμένα σωματίδια ή συστατικά που κατακρημνίζονται στις επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας. Τέτοιες αποθέσεις μπορεί να προσκολλώνται ισχυρά και να παράγουν μονωτικά στρώματα, μειώνοντας την απόδοση της μεταφοράς θερμότητας στους μεταλλικούς εναλλάκτες. Η χαμηλή επιφανειακή ενέργεια του PTFE ελαχιστοποιεί την πιθανότητα να προσκολληθούν ισχυρά άλατα και εναποθέσεις στον σωλήνα. Η ρύπανση μπορεί ακόμα να προκύψει κάτω από συγκεκριμένες ρυθμίσεις, αν και οι εναποθέσεις αφαιρούνται συχνά πιο εύκολα με μεθόδους χημικού καθαρισμού.

Μια άλλη βασική πτυχή στο σχεδιασμό των εναλλάκτη είναι η ικανότητα πίεσης. Οι εναλλάκτες PTFE τύπου πλάκας είναι μικροί και αποδοτικοί, αν και η δομή της λεπτής πλάκας συνήθως επιτρέπει μόνο σχετικά χαμηλές πιέσεις. Αντίθετα, οι εναλλάκτες PTFE με κέλυφος και σωλήνας μπορούν να κατασκευαστούν για να λειτουργούν σε μέτριες πιέσεις λειτουργίας. Ανάλογα με τη διάμετρο του σωλήνα, το πάχος του τοιχώματος και οι πιέσεις στη δομή στήριξης είναι εφικτές στην περιοχή από περίπου 10 έως 15 bar.

Αυτή η ικανότητα πίεσης επιτρέπει τη χρήση εναλλάκτη κελύφους{-και{-σωλήνων από PTFE σε μεγάλη ποικιλία βιομηχανικών συστημάτων όπου τα υγρά διεργασίας πρέπει να διατηρούνται υπό πίεση. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθούν για τη θέρμανση των ρευμάτων οξέος σε χημικούς αντιδραστήρες, για την ψύξη επιθετικών διαλυμάτων πριν από την αποθήκευση ή για τη συμπύκνωση διαβρωτικών ατμών στα συστήματα επεξεργασίας καυσαερίων. Η μηχανική σταθερότητα του κελύφους προσδίδει δομική αντοχή ενώ οι σωλήνες PTFE προστατεύουν από χημική επίθεση.

Ένα άλλο πλεονέκτημα της διάταξης του κελύφους-και-του σωλήνα είναι η προσαρμοστικότητά του. Ο ίδιος βασικός σχεδιασμός μπορεί να κάνει πολλά διαφορετικά θερμικά καθήκοντα. Για εφαρμογές θέρμανσης, το κέλυφος χρησιμοποιείται συνήθως για τη διέλευση ατμού ή ζεστού νερού ενώ το διαβρωτικό ρευστό διεργασίας διέρχεται από τους σωλήνες PTFE. Η πλευρά του κελύφους μπορεί να ψυχθεί με ψύξη νερού πύργου ή κρύο νερό. Η χρήση εναλλάκτη κελύφους{-και-σωλήνων για τη συμπύκνωση ατμών ή την εξάτμιση ρευμάτων υγρών είναι δυνατή με κατάλληλες τροποποιήσεις σχεδιασμού.

Οι διαστάσεις των σωλήνων θα πρέπει να επιλέγονται κατάλληλα για την επίτευξη της καλύτερης απόδοσης. Για έναν δεδομένο όγκο του εναλλάκτη θερμότητας, η αύξηση της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας μειώνοντας τη διάμετρο του σωλήνα έχει ως αποτέλεσμα καλύτερη θερμική απόδοση. Αλλά και μικρότεροι σωλήνες προσθέτουν αντίσταση στη διέλευση του υγρού. Οι υψηλότερες πτώσεις πίεσης μπορεί να απαιτούν μεγαλύτερες αντλίες ή περισσότερη ενέργεια για να λειτουργήσουν. Κατά συνέπεια, οι σχεδιαστές συμβιβάζουν το μέγεθος του σωλήνα με την επιτρεπόμενη απώλεια πίεσης στο σύστημα διεργασίας.

Προσοχή πρέπει επίσης να δοθεί στην επιλογή υλικού από την πλευρά του κελύφους. Εάν το πλευρικό υγρό του κελύφους-δεν είναι διαβρωτικό, τα τυπικά κελύφη από ανθρακούχο χάλυβα είναι συνήθως η πιο φθηνή εναλλακτική λύση. Οι πιο σοβαρές συνθήκες λειτουργίας ενδέχεται να απαιτούν FRP ή κελύφη με επένδυση από χάλυβα. Η συμβατότητα του υλικού του κελύφους και του πλευρικού ρευστού κελύφους-είναι σημαντική για τη μεγάλη διάρκεια ζωής του πλήρους συγκροτήματος εναλλάκτη.

Ένας άλλος πρακτικός περιορισμός στο σχεδιασμό είναι οι περιορισμοί θερμοκρασίας. Το PTFE έχει μεγάλη χημική αντοχή σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, ωστόσο οι μηχανικές του ιδιότητες αλλάζουν με την αυξημένη θερμοκρασία. Οι περισσότεροι εναλλάκτες θερμότητας PTFE έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν μέχρι περίπου 150-200 μοίρες, ανάλογα με τις λεπτομέρειες κατασκευής. Η επαλήθευση ότι η θερμοκρασία λειτουργίας είναι εντός αυτών των ορίων συμβάλλει στη διασφάλιση μηχανικής σταθερότητας και αξιοπιστίας με την πάροδο του χρόνου.

Οι τεχνικές συντήρησης διαφέρουν επίσης κάπως από τις μεταλλικές μονάδες στην περίπτωση των εναλλάκτη PTFE. Οι μέθοδοι μηχανικού καθαρισμού όπως το συρμάτινο βούρτσισμα ή το ξύσιμο υψηλής πίεσης μπορεί να βλάψουν τη σωλήνωση φθοριοπολυμερούς. Αντ' αυτού χρησιμοποιούνται γενικά χημικά διαλύματα καθαρισμού. Οι επικαθίσεις ρύπων μπορούν να αφαιρεθούν χρησιμοποιώντας κατάλληλα διαλύματα καθαρισμού που κυκλοφορούν μέσα από τους σωλήνες χωρίς κίνδυνο φυσικής βλάβης στις επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας.

Η εμπειρία έχει αποδείξει ότι η καλή υποστήριξη σωλήνων είναι ζωτικής σημασίας για μεγάλη διάρκεια ζωής. Ο σωλήνας PTFE είναι πιο εύκαμπτος από το μέταλλο και η ροή του ρευστού σε μη υποστηριζόμενες περιοχές μπορεί να προκαλέσει κραδασμούς με την πάροδο του χρόνου. Οι εσωτερικές πλάκες στήριξης και οι προσεκτικά σχεδιασμένες δέσμες σωλήνων ελαχιστοποιούν την υπερβολική κίνηση και μειώνουν την πιθανότητα κόπωσης ή μηχανικής φθοράς.

Οι μονάδες εναλλάκτη Shell-και-σωλήνων έχουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλα συστήματα εναλλάκτη PTFE. Αυτά είναι βασικά και είναι ιδανικά για δεξαμενές θέρμανσης ή ψύξης. Δεν προορίζονται για υπηρεσίες αγωγών υπό πίεση. Οι εναλλάκτες PTFE τύπου πλάκας-έχουν συμπαγείς επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας, αλλά συνήθως λειτουργούν σε χαμηλότερες πιέσεις και ρυθμούς ροής. Οι εναλλάκτες κελύφους και σωλήνων είναι λίγο συμβιβασμένοι, προσφέροντας σχετικά υψηλές-δυνατότητες πίεσης, αλλά μπορούν να χειριστούν υψηλότερους όγκους υγρών.

Ο συνδυασμός αντοχής στη διάβρωση και μηχανικής αντοχής καθιστά τους εναλλάκτες θερμότητας PTFE κελύφους-και-σωλήνων ιδιαίτερα ενδιαφέροντες για επιθετικές χημικές διεργασίες. Διατηρούν την παραδοσιακή διάταξη και τον τρόπο λειτουργίας του συμβατικού εξοπλισμού-και-σωλήνων, αλλά αντικαθιστούν τις ευαίσθητες μεταλλικές επιφάνειες με χημικά αδρανείς σωλήνες φθοριοπολυμερούς.

Αυτοί οι εναλλάκτες είναι ανθεκτικοί στη θερμική τους απόδοση σε ρυθμίσεις που θα καταστρέφουν γρήγορα τα συμβατικά υλικά όταν κατασκευάζονται κατάλληλα και ταιριάζουν με τις συνθήκες διεργασίας. Αυτή η αξιοπιστία μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την κατάλληλη επιλογή του μεγέθους του σωλήνα, της κατασκευής του κελύφους και των συνθηκών λειτουργίας.

Στην πράξη, οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE με κέλυφος και σωλήνας συνδυάζουν την αποδεδειγμένη μηχανική κατασκευή ενός παραδοσιακού βιομηχανικού σχεδιασμού με την εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση των φθοροπολυμερών υλικών. Για πολλά λειαντικά υγρά σε χημικές διεργασίες, αυτός ο συνδυασμός παρέχει μια πρακτική και μόνιμη λύση στις εργασίες θέρμανσης και ψύξης, οι οποίες διαφορετικά θα δημιουργούσαν σημαντικά προβλήματα υλικού.