در کدام صنایع گرافیت ماده مبدل حرارتی پیش فرض است و چرا؟

در بخش‌های خاص، تعیین مبدل حرارتی گرافیت کار ساده‌ای نیست. گرافیت برای چندین دهه به عنوان یک ابزار کار مطرح بوده است و ماده انتخابی است که در آن مواد دیگر به سرعت از بین می روند یا برای عملی بودن بسیار گران هستند. در جایی که فلزات زنگ می‌زنند و پلیمرها کارایی حرارتی خود را نرم می‌کنند یا از دست می‌دهند، گرافیت غیرقابل نفوذ (آغشته به رزین فنولی یا فوران) ترکیبی منحصربه‌فرد از رسانایی حرارتی بالا، مقاومت در برابر خوردگی استثنایی در شرایط مختلف سخت و قابلیت استفاده تا 200 درجه و بالاتر را ارائه می‌دهد. ما باید فرآیندهای دقیقی را بدانیم که در آن گرافیت بهتر از هر ماده دیگری کار می کند تا کاربردهای صنعتی پیش فرض مبدل های حرارتی گرافیت را بدانیم.

صنایع کلیدی پیشرو
سه بخش صنعتی کلیدی به طور مداوم مبدل حرارتی گرافیت را به عنوان گزینه پیش فرض انتخاب می کنند. ترشی فولاد (اسید کلریدریک)، غلظت اسید فسفریک، خشک کردن کلر. در هر نمونه بهترین و مقرون به صرفه ترین راه حل گرافیت است زیرا ماهیت خورنده سیال، دمای بالا و نیاز به انتقال حرارت فشرده و کارآمد است.

IndustryCritical Fluidشرایط خرابی عملیات نتیجه مواد نامرغوب
ترشی فولاد (HCl) اسید هیدروکلریک داغ 80-95 درجه، تا 18٪ HCl اغلب با FeCl 2 مبدل های فلزی (تیتانیوم، تانتالیوم) به سرعت خورده می شوند PTFE نرم می شود. به واحدهای بزرگتر نیاز دارد
غلظت اسید فسفریک تر-اسید فسفریک فرآوری شده با فلوراید، کلرید، سیلیس 100-160 درجه، 40-54% P2O5، وجود HF و H2SiF6 فولاد با روکش شیشه ای در معرض حمله فلوراید. فلزات پر آلیاژ (Hastelloy) خورده می شوند یا خیلی گران هستند
گاز کلر مرطوب + اسید سولفوریک غلیظ 10-40 درجه (وظیفه خنک کننده)، به شدت اکسید کننده، میعانات اسیدی اکسیداسیون سریع فلزات (نیکل، مس، فولاد). انتخاب‌های غیر فلزی (PTFE) برای خنک‌کننده‌های خشک کن فشرده، هدایت حرارتی ندارند.
سرویس ترشی فولاد - اسید هیدروکلریک داغ
ترشی نوار و مفتول از اسید هیدروکلریک داغ (معمولاً 10-18٪ HCl در دمای 80-95 درجه) برای حذف رسوب اکسید آهن استفاده می شود. اسید با کلرید آهن (FeCl2) بارگیری می شود و باید به طور مداوم گرم شود تا فرآیند کارآمد شود و همچنین در حلقه های بازسازی اسید خنک شود. مبدل های حرارتی فلزی مانند تیتانیوم، تانتالیوم و زیرکونیوم از سوراخ شدن سریع، خوردگی شکاف یا شکنندگی هیدروژن ناشی از HCl داغ رنج می برند. آلیاژهای مبتنی بر نیکل-در هفته تجزیه می‌شوند. مبدل های پوسته و لوله PTFE در برابر حمله شیمیایی مقاوم هستند، اما دو عیب جدی دارند:

رسانایی گرمایی کم (0.2 W/m·K در مقابل. 100–120 W/m·K برای گرافیت) به این معنی است که واحدها بزرگ هستند و فضا را مصرف می‌کنند.

محدودیت دما: PTFE نرم می شود و در حدود 110 درجه خزش می کند و بنابراین برای فعالیت های ترشی در دمای بالا یا فعالیت های دیگ احیا مناسب نیست.

مبدل های حرارتی بلوک گرافیتی یا پوسته و لوله ممکن است با خیال راحت در 95 درجه کار کنند و می توانند گردش های کوتاه تا 120-130 درجه را تحمل کنند. اندازه جمع و جور ادغام واحدها در خطوط ترشی موجود را آسان می کند. عمر سرویس HCl برای صدها تاسیسات در سراسر جهان 10-20 سال است. بنابراین گرافیت ماده استاندارد برای ترشی بخاری های اسیدی، خنک کننده ها و مبدل های حرارتی سیستم بازسازی است. در جایی که PTFE از نظر تئوری می تواند کار کند، اندازه بزرگتر و هزینه نصب بالاتر یک واحد PTFE اغلب به نفع گرافیت است.

غلظت اسید فسفریک: کار با دماهای بالا و فلوراید
اسید فسفریک فرآیند مرطوب- (WPA) از واکنش سنگ فسفات با اسید سولفوریک ساخته می‌شود. اسید به دست آمده حاوی مقادیر قابل توجهی ناخالصی است: فلوریدها (به عنوان HF و H2SiF6)، کلریدها و سولفات های فلز. غلظت از حدود 28% P2O5 به درجه تجاری 54% P2O5 تحت خلاء یا فشار اتمسفر در دماهای تا 160 درجه انجام می شود. محتوای فلوراید به شدت به مواد حاوی سیلیکون{10}}(شیشه، شیشه{11}}فولاد آستردار) و بسیاری از آلیاژهای خاص حمله می‌کند.

مبدل های حرارتی گرافیت به طور گسترده ای به عنوان بخاری، اواپراتور calandria و خنک کننده کندانسور در تاسیسات اسید فسفریک مورد استفاده قرار می گیرند. گرافیت به دلایل زیر به عنوان پیش فرض تبدیل شده است:

مقاومت در برابر فلوراید: گرافیت در غلظت ها و دماهای تجربه شده در غلظت WPA تحت تأثیر HF یا اسید فلووسیلیک قرار نمی گیرد.

مقاومت در برابر دمای بالا: گرافیت استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی خود را تا 170-200 درجه حفظ می کند و تمام کاربردهای غلظت اسید فسفریک را پوشش می دهد.

مزیت هدایت حرارتی: گرافیت یک رسانای گرما خوب است و این یک مزیت برای طراحی اواپراتور است، زیرا به معنی سطح کمتر و اندازه مخزن کوچکتر است.

PTFE همچنین در برابر فلوراید مقاومت می کند، با این حال مبدل های حرارتی PTFE در این تجارت به ندرت درخواست می شود. مسئله اصلی، ردپای بسیار بیشتر برای همان کار است. برای تأسیسات اسید فسفریک در مقیاس بزرگ (صدها هزار تن در سال) فضا محدود است و ساختارهای پشتیبانی مبدل های عظیم PTFE از نظر اقتصادی جذاب نیستند. PTFE همچنین دارای حداکثر دمای ~180 درجه است که حاشیه کمی برای موقعیت های آشفته ارائه می دهد. گرافیت بین فلزات عجیب و غریب (که خیلی سریع خورده می شوند) و پلیمرهای با دمای پایین (که نیاز به مساحت زیادی دارند) قرار می گیرد.

خشک کردن کلر: در برابر اکسیداسیون مقاوم در برابر سرمایش
در کارخانه های کلر قلیایی، گاز کلر تولید شده توسط الکترولیز غشا یا دیافراگم با بخار آب اشباع می شود. کلر مرطوب کاملاً خورنده است و اسید هیپوکلرو و هیدروکلریک را تشکیل می دهد. کلر مرطوب در برج های بسته بندی شده با تماس با اسید سولفوریک قوی (98-99%) خشک می شود. گاز کلر خشک حاصل (با غبار اسیدی کمیاب) باید قبل از فشرده سازی یا پردازش بیشتر سرد شود. خنک‌کننده‌های کلر پایین دست برج‌های خشک‌کن، مبدل‌های حرارتی پوسته-و لوله‌ای گرافیتی هستند.

چرا گرافیت در وهله اول؟ گاز خنک شده شامل کلر خشک و بخار و میعانات اسید سولفوریک باقیمانده است. این مخلوط یک اکسید کننده قوی است و به اکثر فلزات حمله می کند. مس، فولاد و نیکل به سرعت خورده می شوند. تانتالیوم مقاوم است اما برای سطوح قابل توجه انتقال حرارت بسیار گران است. PTFE که از نظر شیمیایی مقاوم است، نمی تواند خنک کننده فشرده و با راندمان بالا مورد نیاز برای متراکم کردن غبار اسیدی و کنترل دمای گاز را فراهم کند. رسانایی گرمایی بالای گرافیت اجازه می دهد تا خنک کننده های فشرده ارزان قیمتی که می توانند به آسانی به قطار خشک کردن کلر اضافه شوند.

خدمات کلر همچنین زمینه ای بوده است که مبدل های حرارتی گرافیت برای بیش از 50 سال با سابقه ایمن-به خوبی تثبیت شده و قابلیت اطمینان استفاده شده است. در بخش کلر{3}}قلیایی، مهندسان فرآیند معمولاً خنک‌کننده‌های گرافیتی را به‌عنوان یک امر طبیعی مشخص می‌کنند و به ندرت به گزینه‌های مواد جایگزین فکر می‌کنند.

چرا PTFE پیش فرض نیست
PTFE مقاومت شیمیایی استثنایی دارد، پس چرا گرافیت هنوز هم انتخاب معمولی در این صنایع است؟ چرا PTFE نه؟ توضیح به سه محدودیت PTFE خلاصه می شود:

سقف دما: PTFE تحت فشار بالای 110-120 درجه سانتیگراد نرم می شود و شروع به سر خوردن می کند. عملکرد مداوم در 150 درجه قابل تصور نیست. گرافیت حداقل تا 200 درجه سانتیگراد پایدار است.

رسانایی حرارتی: رسانایی حرارتی بسیار پایین PTFE نیازمند مناطق وسیعی برای انتقال حرارت است. برای کاربردهایی که صدها متر مربع مورد نیاز است، یک واحد PTFE بسیار بزرگ، سنگین و گران می شود.

استحکام مکانیکی: بلوک‌های گرافیتی و پوسته-و-واحدهای لوله، پشتیبانی محکم و قابل اعتمادی را برای ورق‌های لوله و واشرها ارائه می‌دهند. کشش دقیق لوله های PTFE ضروری است زیرا در هنگام تمیز کردن بیشتر مستعد آسیب مکانیکی هستند.

اگر محدودیت دمای PTFE توسط برنامه تجاوز نکرده باشد و فضا نگران کننده نباشد، می توان PTFE را انتخاب کرد. با این حال، در سه بخش نشان داده شده، ترشی فولاد، غلظت اسید فسفریک، و خشک کردن کلر، ترکیب دمای بالا، خورندگی بالا، و ضرورت اقتصادی برای طراحی فشرده، گرافیت را به انتخاب پیش فرض تبدیل می کند.

نقش موفقیت میدانی تاریخی
نقش اصلی گرافیت به دلیل چندین دهه تجربه میدانی است. در چنین شرایط فرآیند سختی، گرافیت به طور قابل توجهی قابل اعتمادتر از هر ماده جایگزین ثابت شده است. داده‌های آزمایشگاهی اغلب انتخاب مواد را هدایت می‌کنند، اما تجربیات میدانی گذشته نیز همین‌طور است. مهندسانی که تجهیزات خط جدید ترشی، اواپراتور اسید فسفریک یا قطار خنک‌کننده کلر را مشخص می‌کنند، عموماً به هنجار صنعت گرافیت پایبند هستند، زیرا هرگونه واگرایی از آن سطح خطر غیرضروری است.

جمع بندی نتیجه گیری
مبدل های حرارتی گرافیت مواد معمولی در ترشی فولاد (HCl داغ)، غلظت اسید فسفریک (داغ، اسید حاوی فلوراید) و خشک کردن کلر (کلر مرطوب با اسید سولفوریک) هستند. گرافیت ترکیبی از مقاومت شیمیایی، رسانایی حرارتی بالا و قابلیت دما را ارائه می‌دهد که با مواد دیگر (فلزات، PTFE، شیشه) در طیف کاملی از شرایط فرآیند در هر موقعیت قابل تطبیق نیست. PTFE در دماهای پایین تر از نظر بی اثری شیمیایی بهتر است، اما رسانایی حرارتی ضعیف و محدودیت های دما آن را به عنوان جایگزینی برای گرافیت در این کاربردهای سخت نامناسب می کند. وضعیت صنعت پیش‌فرض مبدل حرارتی گرافیت تصادفی نیست-بلکه بر اساس دهه‌ها خدمات قابل اعتماد و مقرون به صرفه است که در آن جایگزین‌ها مکرراً ارائه نشده‌اند.