Як графітовий теплообмінник у блочному-стилі порівняно з кожухом-і-трубкою з PTFE?

Під час визначення теплообмінника для застосування надзвичайно корозійної кислоти часто виникають два неметалеві варіанти: графітові блочні обмінники та корпусні-та-трубчасті теплообмінники з PTFE. Обидва вони стійкі до корозії, але їх термічні та механічні властивості роблять їх придатними для різних застосувань. Розуміння-компромісів щодо компактності, теплових характеристик, хімічної сумісності та механічної міцності є ключовим питанням для вибору відповідної технології.

Огляд дизайну: графітовий блок проти оболонки та труби з PTFE
Графітоблочні теплообмінники виготовляються з одного або кількох блоків непроникного графіту (графіту, просоченого смолою). У кожному блоці просвердлено два набори каналів, один для корозійної технологічної рідини, а інший для робочої рідини (охолоджуючої води, пари або нагрівального середовища). Блоки з’єднуються між собою за допомогою клею з графітовим-наповненням або з’єднувачів із прокладками. Залежно від схеми свердління, рідини протікають через труби в конфігурації перехресного-потоку або проти-потоку.

Корпусні-і-трубні теплообмінники з PTFE складаються з пучка тонкостінних-трубок з PTFE (політетрафторетилену), які містяться в металевій або пластиковій оболонці. Корозійна рідина рухається через PTFE трубки (або навколо них), тоді як робоча рідина тече з іншого боку. Проміжні перегородки зазвичай використовуються для підтримки PTFE труб. Трубний пучок ущільнюється на трубних решітках розширеними трубними з’єднаннями або компресійними фітингами.

Дві конструкції відрізняються одним основним аспектом, тобто механічною гнучкістю. Графітові блоки міцні і неподатливі. PTFE труби є гнучкими і можуть витримувати невеликі вібрації та теплові розширення без пошкоджень.

Великий плюс графіту: теплопровідність
Найголовніша відмінність полягає в теплопровідності. Графіт має теплопровідність близько 80-120 Вт/мК (відповідно до сорту графіту та смоли для просочування). Проте PTFE має теплопровідність приблизно 0,25 Вт/м·K, що приблизно в 300-400 разів нижче, ніж у графіту.

Ця величезна різниця означає, що графітовий блочний теплообмінник може бути неймовірно компактним за тієї самої теплопередачі. Графітовий блок становить одну-десяту частину об’єму корпусно-трубного блоку з ПТФЕ з однаковими тепловими характеристиками. Графітові блоки пропонують явну перевагу в ситуаціях обмеженого простору, таких як модернізація наявного обладнання або монтаж на перевантажених технологічних платформах.

І навпаки, низька теплопровідність PTFE означає, що кожухотрубні-і-теплообмінники з PTFE трубами потребують відносно великої площі поверхні теплопередачі. Це призводить до більших слідів, довших пучків труб і більшого діаметру оболонки. На практиці теплообмінники з ПТФЕ зазвичай потрібні лише тоді, коли їх особлива хімічна стійкість компенсує нестачу розміру.

Механічні властивості: крихкий або гнучкий
Графіт — крихка речовина. Непроникний графіт міцніший, ніж сирий графіт, але його також можна зламати:

Механічний удар (наприклад, втрачений інструмент, швидкий рух труби)

Гідравлічний удар у магістралі робочої рідини

Екстремальний термічний цикл (швидке нагрівання або охолодження, особливо з різницею температур, що перевищує межі, визначені виробником)

Нерівномірний момент затягування болтів у фланцях або колекторах

Якщо графітовий блок зламався, обмінник зазвичай не підлягає ремонту. Тріщина може призвести до перехресного-витоку між контурами технологічної та робочої рідини або зовнішнього витоку. Єдиний спосіб виправити це — замінити весь стек блоків. Часто це значні капіталовкладення.

З іншого боку, PTFE труби є гнучкими та довговічними. Помірні гідроудари, вібрацію та термоциклування можна витримати без пошкоджень. Якщо одна трубка з ПТФЕ протікає (наприклад, через стирання або механічний прокол), її, як правило, можна герметизувати на обох трубних решітках, а решту труб можна використовувати. Деякі конструкції дозволяють замінювати трубки, однак це трудомістко. Поблажливий механічний характер PTFE робить ці теплообмінники більш придатними для установок з менш суворим контролем стабільності потоку або зміни температури.

Хімічна стійкість: широкий спектр PTFE
І графіт, і PTFE стійкі до широкого спектру корозійних кислот, але є кілька ключових відмінностей.

Сумісний з: Графіт (непроникний клас)

Соляна кислота (всі концентрації до точки кипіння)

Сірчана кислота (приблизно до 80-85% при помірних температурах; більші кількості вимагають ретельного вибору)

Фосфорна кислота 12.

- Органічні кислоти.

Однак графіт пошкоджується сильними окислюючими кислотами, такими як:

Азотна кислота (особливо концентрована або нагріта)

Хромова кислота (Chromic acid)

Потрібна царська горілка

Змішані кислоти без хлору або брому

Хімічні речовини, що окислюють, проникають у структуру графіту та викликають міжкристалічну корозію, що призводить до швидкого виходу з ладу. Графітові теплообмінники ніколи не повинні використовуватися в таких службах, якщо не отримано схвалення виробника для спеціального сорту графіту (фенольний-просочений або фурановий-просочений, з обмеженнями, які все ще застосовуються).

PTFE майже повністю стійкий до всіх речовин, крім розплавлених лужних металів і елементарного фтору при високих температурах. ПТФЕ стійкий до азотної кислоти, хромової кислоти та всіх інших кислот-окислювачів практично у всіх концентраціях. Він також стійкий до органічних розчинників, хлору та більшості технологічних рідин, які застосовуються при обробці поверхонь і хімічній обробці. Для дуже ворожих сумішей (наприклад, царська горілка, гаряча концентрована азотна кислота або змішані кислотні травильні розчини) PTFE іноді є єдиним можливим неметалевим вибором.

Теплообмінник графітового блоку властивостей Теплообмінник із оболонкою та-трубкою з PTFE
Теплопровідність (Вт/мК) 80 –120 0.25
Відносний розмір для такого ж режиму Компактний (1x базовий) Великий (10-15x більше)
Максимальна безперервна температура 180–200 градусів (залежно від смоли) ~110 градусів (обмежена повзучість PTFE)
Механічна поведінка Крихкий, ламається від удару або гідроудару Гнучкий, стійкий до вібрації та термічного циклу
Ремонтопридатність Зазвичай не підлягає ремонту, якщо блок тріщин. Труби можна заблокувати або замінити окремо
Стійкість до окислювальних кислот (азотної, хромової) Погана, не рекомендується Добра; повністю стійкий
Типове застосування Охолодження H2SO4 Нагрівання/охолодження HCl Обслуговування органічної кислоти Травлення змішаною кислотою, царська горілка, розчини, що містять-хлор, ванни для покриття
Початкова вартість (відносна) Вища (спеціалізоване виробництво) Від помірної до низької
Температурні обмеження
Графітові теплообмінники, просочені відповідним чином смолами (зазвичай фенольними або фурановими), можуть безперервно працювати при температурах до 180–200 градусів. Деякі виняткові сорти розраховані на температуру до 220 градусів. Це робить графіт придатним для нагрівання або охолодження концентрованої сірчаної кислоти, гарячих парів соляної кислоти та інших високотемпературних корозійних потоків.

Кожухотрубні теплообмінники з ПТФЕ обмежені приблизно до 110 градусів для постійного використання. Вище цієї температури PTFE починає слабшати та повзати під впливом різниці тиску по стінці труби. Короткі перепади температури до 120-130 градусів допустимі, але тривалий вплив високих температур призводить до деформації труби, витоку в місцях з’єднання труб і остаточного виходу з ладу. Для корозійного режиму при температурах вище 110 градусів графіт, як правило, є єдиною неметалевою альтернативою, або необхідно досліджувати металевий обмінник із футеровкою з незвичайного сплаву.

Питання вартості та обслуговування
Перша вартість теплообмінника з графітовим блоком, як правило, вища, ніж вартість кожухотрубного блоку з ПТФЕ з такою ж термічною потужністю. Графітові блоки вимагають точного свердління, спеціальної техніки склеювання та ретельного контролю якості. Пучки труб з ПТФЕ виготовляються у великій кількості з меншими витратами на матеріал і виготовлення.

Але загальна вартість володіння скоріше залежить від застосування. Графітовий обмінник може працювати десятиліттями без проблем у чистій, стабільній кислотній службі, без механічних ударів або окислювачів. Його більша початкова вартість виправдовується компактними розмірами та високою тепловою ефективністю. У службі, де удари води або термічні цикли неминучі, небезпека розтріскування графіту може зробити кращою конструкцію з ПТФЕ, що прощає, навіть за рахунок більшого теплообмінника.

Техніка обслуговування дещо інша. Графітові пристрої вимагають делікатного{1}}запуску та-вимкнення, щоб уникнути теплового удару. Сітки зазвичай рекомендуються на стороні робочої рідини, щоб уникнути забруднення сміттям поверхонь блоку. Тефлонові теплообмінники менш чутливі до перешкод потоку, але їх необхідно періодично очищати, якщо трубки малого діаметру забруднюються. Низька поверхнева енергія PTFE (описана в попередніх розділах) є перевагою у зменшенні забруднення, однак труби PTFE можна механічно очищати.

Посібник із прийняття рішень: Вибираєте правильний обмінник для програми?
Вибір між графітовим блоком і кожухотрубним-теплообмінником із-теплотетрафторэтилену залежить від низки-специфічних критеріїв.

Розглянемо графітовий блок обмінника у випадку:

Він повинен бути компактним через обмеження простору.

Температура процесу вище 110 градусів і нижче 200 градусів.

Їдкою рідиною є сірчана кислота, соляна кислота або органічна кислота, що не окислюється.

Сервісна рідина є чистою та не містить гідроударів і сміття.

Правильна конструкція системи може запобігти механічним ударам і швидкому перегріву.

Менший, термічно ефективніший блок прийнятний, якщо необхідні більші початкові капіталовкладення.

Виберіть кожухотрубний теплообмінник з ПТФЕ, коли:

Рідина містить потужні окислювачі (азотна кислота, хромова кислота, царська горілка, змішані кислоти).

Температура процесу менше 110 градусів.

Трубопровідна система може витримувати гідроудари, вібрацію або часті термоциклічні зміни.

Механічна міцність і поблажлива експлуатація важливіші за компактність.

Бажаними є нижча початкова вартість і можливість підключати або замінювати окремі трубки.

Достатньо місця для більшої площі обмінника.

На практиці багато хімічних заводів використовують обидва типи. Графітові теплообмінники широко використовуються в системах охолодження сірчаною кислотою та контурах опалення соляною кислотою. PTFE теплообмінники є кращим вибором для змішаних кислотних ліній травлення, гальванічного нагрівання/охолодження ванни та очищення відпрацьованої кислоти, де присутні окислювачі.

Висновок: складне інженерне рішення
І графітові теплообмінники з блочною конструкцією, і кожухотрубні блоки з ПТФЕ добре підходять для індустрії корозійної теплопередачі, але вони принципово відрізняються за своїми перевагами та недоліками. Графіт має хорошу теплопровідність і розмір, але він крихкий, дорогий і чутливий до окисних кислот. ПТФЕ має неперевершену хімічну стійкість і механічну гнучкість за нижчої вартості. Однак він має обмеження температури 110 градусів і вимагає значно більшої площі поверхні.

Вибір залежить від використовуваної кислоти, робочої температури, механічного середовища та доступного простору. Вибір матеріалів для теплообмінників у корозійних умовах є багато{1}}технічною проблемою, включаючи-компроміси між тепловими характеристиками, хімічною сумісністю, механічною довговічністю та вартістю-життєвого циклу. «Технологія не перемагає технологію в цілому, але кожна технологія має свою власну нішу, де вона є кращою».