چگونه یک مبدل حرارتی بلاک-گرافیت سبک با یک پوسته PTFE-و-واحد لوله مقایسه می‌شود؟

هنگام تعریف یک مبدل حرارتی برای کاربرد اسیدی بسیار خورنده، دو انتخاب غیرفلزی اغلب مطرح می‌شوند: مبدل‌های بلوک گرافیت و مبدل‌های پوسته PTFE-و-مبدل لوله. هر دو در برابر خوردگی مقاوم هستند اما خواص حرارتی و مکانیکی آنها را برای کاربردهای مختلف مناسب می کند. درک معاوضه-از نظر فشردگی، عملکرد حرارتی، سازگاری شیمیایی و استحکام مکانیکی یک مسئله کلیدی برای انتخاب فناوری مناسب است.

نمای کلی طرح: بلوک گرافیتی در مقابل پوسته و لوله PTFE
مبدل های حرارتی بلوک گرافیت از یک یا چند بلوک گرافیت نفوذ ناپذیر (گرافیت آغشته به رزین) ساخته می شوند. هر بلوک با دو مجموعه گذرگاه، یکی برای سیال فرآیند خورنده و دیگری برای سیال سرویس (آب خنک کننده، بخار یا یک محیط گرمایش) سوراخ می شود. بلوک‌ها با استفاده از چسب‌های گرافیتی-یا با اتصالات واشر به هم متصل می‌شوند. بسته به الگوی حفاری، سیالات از طریق لوله‌ها به صورت جریان متقاطع-یا جریان مخالف- عبور می‌کنند.

مبدل‌های حرارتی پوسته PTFE-و{-از بسته‌ای از لوله‌های نازک-دیواره‌ای PTFE (پلی‌تترا فلوئورواتیلن) ​​تشکیل شده‌اند که در یک پوسته فلزی یا پلاستیکی قرار دارند. سیال خورنده از طریق لوله های PTFE (یا اطراف آنها) حرکت می کند در حالی که مایع سرویس در طرف دیگر جریان دارد. بافل های میانی معمولاً برای پشتیبانی از لوله های PTFE استفاده می شوند. بسته‌بندی لوله در ورق‌های لوله با اتصالات لوله منبسط شده یا اتصالات فشاری مهر و موم شده است.

این دو طرح در یک راه عمده با هم تفاوت دارند و آن انعطاف مکانیکی است. بلوک های گرافیت جامد و تسلیم ناپذیر هستند. لوله های PTFE انعطاف پذیر هستند و می توانند لرزش های کوچک و انبساط های حرارتی را بدون آسیب تحمل کنند.

به علاوه بزرگ گرافیت: رسانایی حرارتی
مهمترین تفاوت در هدایت حرارتی است. گرافیت دارای رسانایی حرارتی حدود 80-120W/mK (با توجه به درجه گرافیت و رزین اشباع) است. با این حال، PTFE دارای رسانایی حرارتی در حدود 0.25 W/m K-حدود 300 تا 400 برابر کمتر از گرافیت است.

این تفاوت بزرگ به این معنی است که یک مبدل بلوک گرافیتی می تواند برای همان وظیفه انتقال حرارت به طرز شگفت انگیزی فشرده باشد. واحد گرافیت یک دهم حجم پوسته و واحد PTFE نوع لوله با عملکرد حرارتی برابر است. بلوک‌های گرافیتی در موقعیت‌های محدود به فضا، مانند مقاوم‌سازی در چیدمان تجهیزات موجود یا نصب بر روی لغزش‌های پرتراکم، مزیت مشخصی را ارائه می‌دهند.

برعکس، رسانایی حرارتی پایین PTFE به این معنی است که مبدل‌های حرارتی پوسته-و{-لوله‌ای با لوله‌های PTFE به سطح انتقال حرارت نسبتاً بالایی نیاز دارند. این منجر به ردپاهای بزرگتر، بسته های لوله بلندتر و قطر پوسته بزرگتر می شود. در عمل، مبدل‌های PTFE معمولاً فقط در مواردی مورد نیاز هستند که مقاومت شیمیایی ویژه آنها جریمه اندازه آنها را جبران کند.

خواص مکانیکی: شکننده یا انعطاف پذیر
گرافیت یک ماده شکننده است. گرافیت غیرقابل نفوذ قوی تر از گرافیت خام است اما می توان آن را نیز با موارد زیر شکست.

شوک مکانیکی (مانند گم شدن ابزار، حرکت سریع لوله)

چکش آب در خط سیال سرویس

چرخه حرارتی شدید (گرمایش یا سرمایش سریع، به ویژه با اختلاف دما بیشتر از حد تعیین شده توسط سازنده)

گشتاور پیچ ناهموار در فلنج ها یا هدرها

اگر یک بلوک گرافیتی شکسته شود، مبدل معمولاً قابل تعمیر نیست. ترک ممکن است منجر به نشت متقاطع- بین مدارهای فرآیند و سیال سرویس یا نشت خارجی شود. تنها راه برای رفع آن، جایگزینی پشته کامل بلوک است. این اغلب یک سرمایه گذاری عمده است.

از طرف دیگر لوله های PTFE انعطاف پذیر و بادوام هستند. چکش آب متوسط، لرزش و چرخه حرارتی را می توان بدون آسیب تحمل کرد. اگر یک لوله PTFE نشت کند (به عنوان مثال به دلیل سایش یا سوراخ مکانیکی)، به طور کلی می توان آن را در هر دو صفحه لوله آب بندی کرد و بقیه لوله ها را همچنان می توان استفاده کرد. برخی از طرح‌ها امکان تعویض لوله‌ها را فراهم می‌کنند، با این حال این کار فشرده است. ویژگی مکانیکی بخشنده PTFE باعث می‌شود این مبدل‌ها برای گیاهانی با کنترل دقیق‌تر پایداری جریان یا افزایش دما مناسب‌تر باشند.

مقاومت شیمیایی: طیف گسترده ای از PTFE
هر دو گرافیت و PTFE در برابر طیف وسیعی از اسیدهای خورنده مقاوم هستند اما چندین تفاوت کلیدی وجود دارد.

سازگار با: گرافیت (درجه غیر قابل نفوذ)

اسید هیدروکلریک (تمام غلظت ها تا نقطه جوش)

اسید سولفوریک (تا حدود 80-85٪ در دماهای متوسط؛ مقادیر بیشتر نیاز به انتخاب دقیق دارد)

اسید فسفریک 12.

- اسیدهای آلی.

گرافیت توسط اسیدهای اکسید کننده قوی مانند:

اسید نیتریک (به ویژه غلیظ یا گرم شده)

اسید کرومیک (اسید کرومیک)

نیاز به آب رگیا

اسیدهای مخلوط با کلر یا بدون برم

مواد شیمیایی اکسید کننده به ساختار گرافیت نفوذ می کنند و خوردگی بین دانه ای ایجاد می کنند که منجر به شکست سریع می شود. مبدل های گرافیت هرگز نباید در چنین خدماتی استفاده شوند، مگر اینکه تاییدیه سازنده برای گرافیت تخصصی (فنولی-آغشته شده در برابر فوران-آغشته شده، با محدودیت هایی که همچنان اعمال می شود) اخذ شود.

PTFE تقریباً به طور کامل در برابر همه مواد به جز فلزات قلیایی مذاب و فلوئور عنصری در دماهای بالا مقاوم است. PTFE در برابر اسید نیتریک، اسید کرومیک و سایر اسیدهای اکسید کننده عملاً در تمام غلظت ها مقاوم است. همچنین در برابر حلال‌های آلی، کلر و بیشتر سیالات فرآیندی که در تکمیل سطوح و پردازش شیمیایی یافت می‌شوند، مقاومت می‌کند. برای مخلوط‌های بسیار متخاصم (مثلاً آکوا رژیا، اسید نیتریک غلیظ داغ یا محلول‌های ترشی اسید مخلوط) PTFE گاهی اوقات تنها انتخاب غیر فلزی ممکن است.

Property Graphite Block Heat Exchanger PTFE Shell- and-Tube Heat Exchanger
هدایت حرارتی (W/mK) 80 -{2}}
اندازه نسبی برای همان کار فشرده (1x پایه) بزرگ (10-15× بزرگتر)
حداکثر دمای پیوسته 180-200 درجه (وابسته به رزین) ~ 110 درجه (PTFE خزش محدود)
رفتار مکانیکی شکننده، شکسته با ضربه یا چکش آب انعطاف پذیر، مقاوم در برابر لرزش و چرخش حرارتی
تعمیر پذیری معمولاً اگر بلوک ترک خورده باشد، لوله ها را می توان به صورت جداگانه مسدود یا تعویض کرد، قابل تعمیر نیست
مقاومت در برابر اسیدهای اکسید کننده (نیتریک، کرومیک) ضعیف، توصیه نمی شود خوب; کاملا مقاوم
کاربردهای معمولی H2SO4 خنک کننده هیدروکلراید گرمایش/خنک کردن خدمات اسید آلی ترشی اسید مخلوط، آب رگیا، محلول‌های حاوی کلر-، حمام‌های آبکاری
هزینه اولیه (نسبی) بالاتر (ساخت تخصصی) متوسط ​​تا کم
محدودیت های دما
مبدل های بلوک گرافیت، زمانی که به طور مناسب با رزین ها (معمولاً فنلی یا فوران) آغشته شوند، می توانند به طور مداوم در دماهای 180 تا 200 درجه کار کنند. برخی از نمرات استثنایی تا 220 درجه رتبه بندی می شوند. این امر گرافیت را برای گرم کردن یا خنک کردن اسید سولفوریک غلیظ، بخار اسید هیدروکلریک داغ و دیگر جریان‌های خورنده با دمای بالا مناسب می‌کند.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله PTFE برای استفاده مداوم به حدود 110 درجه محدود می شوند. بالاتر از این دما PTFE شروع به ضعیف شدن و خزش تحت اختلاف فشار در سراسر دیواره لوله می کند. سفرهای کوتاه تا 120-130 درجه را می توان تحمل کرد، اما قرار گرفتن طولانی مدت در دمای بالا منجر به تغییر شکل لوله، نشت در اتصالات لوله و شکست نهایی می شود. برای عملکرد خورنده در دماهای بالاتر از 110 درجه، گرافیت به طور کلی تنها جایگزین غیر فلزی است، یا یک مبدل فلزی با پوشش آلیاژی غیر معمول باید مورد بررسی قرار گیرد.

مسائل مربوط به هزینه و نگهداری
اولین هزینه مبدل حرارتی بلوک گرافیتی معمولاً بیشتر از یک پوسته و لوله PTFE با وظیفه حرارتی مشابه است. بلوک های گرافیتی نیاز به حفاری دقیق، تکنیک های اتصال ویژه و کنترل کیفیت دقیق دارند. بسته های لوله PTFE در تعداد زیاد با هزینه مواد و ساخت کمتر تولید می شوند.

اما هزینه کلی مالکیت بیشتر به برنامه وابسته است. یک مبدل گرافیت ممکن است برای چندین دهه بدون مشکل در یک سرویس اسیدی تمیز و پایدار، بدون شوک های مکانیکی یا مواد شیمیایی اکسید کننده کار کند. هزینه اولیه بیشتر آن با اندازه فشرده و راندمان حرارتی بالا توجیه می شود. در سرویسی که کوبیدن آب یا چرخه حرارتی اجتناب ناپذیر است، خطر ترک خوردن گرافیت ممکن است ساخت و ساز PTFE را ترجیح دهد، حتی به قیمت یک مبدل بزرگتر.

تکنیک های تعمیر و نگهداری تا حدودی متفاوت است. دستگاه های گرافیتی برای جلوگیری از شوک حرارتی نیاز به فرآیندهای{1}}راه اندازی و خاموش کردن{2}} ظریف دارند. صافی‌ها معمولاً در سمت مایع سرویس توصیه می‌شوند تا از رسوب‌کردن آوارها روی بلوک‌ها جلوگیری کنند. مبدل های PTFE نسبت به اختلالات جریان حساسیت کمتری دارند، اما اگر قطر لوله کوچک ناپاک است، باید به طور دوره ای تمیز شوند. انرژی سطح پایین PTFE (که در بخش های قبلی توضیح داده شد) یک مزیت در کاهش رسوب است، با این حال لوله های PTFE را می توان به صورت مکانیکی تمیز کرد.

راهنمای تصمیم: انتخاب مبدل مناسب برای برنامه؟
تصمیم بین یک بلوک گرافیتی و یک پوسته PTFE-و-مبدل حرارتی لوله بستگی به تعدادی از معیارهای کاربردی- خاص دارد.

یک مبدل بلوک گرافیتی را در موارد زیر در نظر بگیرید:

به دلیل محدودیت فضا باید جمع و جور باشد.

دمای فرآیند بالای 110 درجه و زیر 200 درجه است.

مایع خورنده اسید سولفوریک، اسید کلریدریک یا اسید آلی غیر اکسید کننده است.

سیال سرویس خالص و عاری از چکش آب و زباله است.

طراحی صحیح سیستم می تواند از شوک مکانیکی و چرخه حرارت سریع جلوگیری کند.

اگر سرمایه گذاری اولیه بزرگتری لازم باشد، یک واحد کوچکتر و از نظر حرارتی کارآمدتر قابل قبول است.

زمانی که:

این مایع دارای عوامل اکسید کننده قوی (اسید نیتریک، اسید کرومیک، آکوا رژیا، اسیدهای مخلوط) است.

دمای فرآیند کمتر از 110 درجه است.

سیستم لوله کشی ممکن است چکش آب، لرزش یا چرخه حرارتی مکرر را تحمل کند.

استحکام مکانیکی و عملکرد بخشنده مهمتر از فشردگی است.

مطلوب هزینه اولیه کمتر و امکان اتصال یا تعویض لوله های جداگانه است.

فضای کافی برای ردپای مبدل بزرگتر در دسترس است.

در عمل، بسیاری از کارخانه های فرآیند شیمیایی هر دو نوع را اجرا می کنند. مبدل های گرافیت به طور گسترده در خدمات خنک کننده اسید سولفوریک و مدارهای گرمایش اسید هیدروکلریک استفاده می شود. مبدل های PTFE برای خطوط ترشی اسید مخلوط، گرمایش/خنک کردن حمام آبکاری و تصفیه اسید ضایعاتی که گونه های اکسید کننده وجود دارند، انتخاب ارجح هستند.

نتیجه گیری: یک تصمیم مهندسی پیچیده
هر دو مبدل حرارتی گرافیت طراحی بلوک و واحدهای پوسته و لوله PTFE برای صنعت انتقال حرارت خورنده مناسب هستند، اما از نظر نقاط قوت و کاستی تفاوت اساسی دارند. گرافیت به دلیل رسانایی گرمایی و اندازه آن خوب است، اما شکننده، در ابتدا پرهزینه و حساس به اسیدهای اکسید کننده است. PTFE دارای مصونیت شیمیایی بی نظیر و انعطاف پذیری مکانیکی با هزینه کمتر است. با این حال، محدودیت دمایی 110 درجه دارد و به سطح قابل توجهی بیشتری نیاز دارد.

انتخاب به اسید مورد استفاده، دمای کار، محیط مکانیکی و فضای موجود بستگی دارد. انتخاب مواد برای مبدل‌های حرارتی در خدمات خورنده یک مسئله مهندسی چند وجهی است که شامل مبادله-بین عملکرد حرارتی، سازگاری شیمیایی، دوام مکانیکی و هزینه چرخه عمر-می‌شود. "تکنولوژی در کل فناوری را شکست نمی دهد، اما هر فناوری جایگاه خاص خود را دارد که در آن برتری دارد."