Kakšni so vsi-fluoropolimerni izmenjevalniki toplote v primerjavi s kovinskimi izmenjevalniki s fluoropolimernimi oblogami?

Za jedko delovanje, ko tlak ali temperatura presežeta meje trdnih fluoropolimerov, je kompromis kovinski izmenjevalnik toplote, ki je znotraj obložen s fluoropolimerom. Razpravljamo o-kompromisih glede zanesljivosti, stroškov in učinkovitosti te tehnike v primerjavi z-fluoropolimernim izmenjevalnikom. Ta odstopanja so zelo pomembna za procesne inženirje, ki načrtujejo opremo za prenos toplote za zelo agresivne kisline, linije za dekapiranje mešanih kislin ali zahtevne kemične reaktorje.

Vrste gradnje: Kako preprečiti korozijo fluoropolimera na 2 načina
Vsi -fluoropolimerni izmenjevalniki toplote so v celoti izdelani iz fluoropolimernih materialov, kot so PTFE (politetrafluoroetilen), PFA (perfluoroalkoksi alkan) ali FEP (fluoriran etilen propilen). Trden fluoropolimer se uporablja za lupino (če obstaja), cevni snop, cevne plošče in vse namočene notranje površine. Najpogostejše konfiguracije so lupina-in-cevi (PTFE ali PFA cevi) in potopne tuljave. Noben kovinski del se ne dotika korozivne procesne tekočine.

Kovinski izmenjevalniki, obloženi s-fluoropolimerom, so sestavljeni iz kovinske lupine, ki drži tlak, in cevnih plošč, izdelanih iz ogljikovega jekla, nerjavečega jekla ali drugih zlitin. Nato so notranje površine, ki so v stiku z jedko tekočino, obložene s fluoropolimerom, običajno PTFE ali PFA. Tehnike podloge:

Podloga pločevine: PTFE plošče so privarjene ali prilepljene na kovinsko podlago.

Razpršilni ali elektrostatični premaz: Nanesejo se tanjši fluoropolimerni premazi in sintrajo.

Ohlapna podloga: odstranljiva PTFE nogavica znotraj kovinskega ohišja.

Debelina obloge je običajno od 0,5 do 1,5 milimetrov, odvisno od uporabe in vrste obloge.

Stopnja tlaka: velika prednost obloženih kovinskih izmenjevalcev
Najpomembnejša razlika med obema sistemoma je njuna sposobnost zadrževanja tlaka.

Tlak vseh-fluoropolimernih izmenjevalcev je omejen z mehansko trdnostjo samega fluoropolimera. PTFE in PFA imata nizko natezno trdnost (običajno 20–30 MPa) in, kar je še bolj kritično, kažeta lezenje (hladen tok) pod dolgotrajno obremenitvijo. Pri višjih tlakih se bo fluoropolimer deformiral, kar bo povzročilo zrušitev cevi, puščanje cevne pločevine ali zlom lupine. Tipični praktični najvišji delovni tlaki vseh fluoropolimernih lupin-in-cevnih izmenjevalnikov so 3–5 barov (45–75 psi) na strani fluoropolimera. Nekateri posebej ojačani modeli dosežejo 7 barov, čeprav so ti redki.

Po drugi strani pa so obloženi kovinski izmenjevalci odvisni od kovinske lupine in cevnih plošč, ki zadržujejo pritisk. Ogljikovo jeklo lahko varno prenaša pritiske 10 barov, 20 barov ali več, omejene le s kodo zasnove (npr. ASME oddelek VIII) in nazivnimi vrednostmi prirobnic. Strukturna celovitost obloge iz fluoropolimera ni odvisna, ampak je samo korozijska ovira. Pri visokotlačnih kislinskih storitvah, kot so rafinerije, kemične tovarne ali visokotlačni pralniki klorovodikove kisline, so obloženi izmenjevalniki na splošno edina nekovinska možnost.

Temperaturne omejitve; Pomembne razlike in podobnosti
Najvišja stalna temperatura samega fluoropolimera je podobna za vse-fluoropolimerne in obložene fluoropolimerne izmenjevalce. Nad približno 200 stopinj (392 stopinj F) za PFA in 260 stopinj (500 stopinj F) za PTFE se začneta tako PTFE kot PFA pri kratkih osvetlitvah precej zmehčati in polzeti. Toda praktične neprekinjene delovne temperature so nižje:

Vsi fluoropolimerni izmenjevalci: na splošno omejeni na 110–120 stopinj za PTFE (ker leze pod diferencialom tlaka v cevi) in 150–180 stopinj za PFA (zaradi debeline stene in zasnove podpore).

Obloženi kovinski izmenjevalci: obloga je podprta s kovinsko podlago, tako da se izognete večjim deformacijam. Lahko delujejo pri višjih temperaturah. Jekleni izmenjevalniki s PTFE- oblogo se običajno uporabljajo pri 180–200 stopinjah (neprekinjeno) in do 230 stopinj za kratka obdobja. Prepustnost in oprijem obloge na kovino postaneta omejevalni element.

Upoštevati je treba, da pri povišanih temperaturah vsi fluoropolimeri kažejo povečano prepustnost za nekatere pline in drobne molekule (npr. klor, vodikov klorid). Obloženi izmenjevalniki imajo dodatno tveganje prepustnosti hlapov skozi oblogo, ki kondenzira na kovinskem stiku, kar lahko povzroči skrito korozijo.

Zanesljivost proti koroziji: enotna zaščita ali tveganje okvare obloge
Vsi-fluoropolimerni izmenjevalniki zagotavljajo enakomerno, stalno odpornost proti koroziji po celotni namočeni površini. Ni šivov, lukenj ali vmesnikov kovine, ki bi bila izpostavljena procesni tekočini. Fluorpolimer je enakomeren v debelini stene. Tudi če je površina strgana ali odrgnjena, je material pod njim še vedno kemično odporen. Ta oblika preprečuje nevarnost "skrite korozije" pod oblogo.

Obloženi kovinski izmenjevalniki imajo številne scenarije napak, ki niso prisotni pri vseh-izvedbah fluoropolimerov:

Luknje ali praznine v oblogi - celo zelo majhne nepopolnosti (manj kot 0,1 mm) omogočajo jedkim tekočinam dostop do kovinske podlage. Produkti korozije lahko povzročijo mehurjenje ali odlepitev obloge, potem ko kovina začne korodirati, kar lahko povzroči pospešeno odpoved.

Odstranjevanje obloge - Vez med fluoropolimerno oblogo in kovinsko podlago ni nikoli popolna. Toplotno kroženje lahko povzroči diferencialno raztezanje (PTFE se razteza približno 7× več kot jeklo, kot je navedeno v prejšnjih razdelkih), kar lahko povzroči, da se obloga odmakne od stene. Nastali prostor lahko ujame prežeto kislino in povzroči lokaliziran napad.

Prepustnost in kondenzacija - Nekatere kisline (zlasti HCl pri povišanih temperaturah) prodrejo v tanko plast. Če je kovinska lupina hladnejša od procesne strani (kot se pogosto zgodi pri hlajenju), prodrla kislina kondenzira na kovinski površini, kar povzroča korozijo od znotraj navzven. To je pogost način okvare jeklene opreme s PTFE oblogo.

Poškodbe med servisiranjem ali med namestitvijo ali vzdrževanjem - Orodje lahko zlahka prerežete, opraskate ali udrnete. Ena globoka praska je lahko trenutek začetka neuspeha.

V resnici je velika težava z obloženimi izmenjevalniki ta, da lahko majhna neopazna luknjica povzroči katastrofalno zlom v nekaj tednih ali mesecih, medtem ko bo izmenjevalnik, ki je v celoti iz fluoropolimera, lahko varno deloval. Druga možnost je, da lahko profesionalno izdelan in pravilno vzdrževan izmenjevalnik z oblogo zagotavlja dolgoletno delovanje pri tlakih in temperaturah, ki niso mogoči pri sistemih s trdnimi fluoropolimeri.

Primerjava stroškov Začetna naložba in upoštevanje-življenjskega cikla
Pri nizkih tlakih in nizkih temperaturah je izdelava vseh-fluoropolimernih izmenjevalnikov toplote pogosto cenejša. Materiali (PTFE ali PFA cevi, plošče) so na splošno poceni. Izdelava zahteva toplotno tesnjenje ali varjenje komponent fluoropolimera.

Kovinski izmenjevalniki s cevmi so dražji za izdelavo. Kovinsko ohišje in cevne plošče je treba izdelati po predpisih za tlačne posode in jih nato obložiti s fluoropolimerom – delovno-intenziven proces, ki vključuje strokovne delavce, nadzor kakovosti (preizkušanje isker za luknje) in specializirano varjenje plošč iz fluoropolimera. Posledično je začetna nabavna cena obloženega izmenjevalnika 30–100 % višja od vse-fluoropolimernega izmenjevalnika z enako površino prenosa toplote.

Vendar pa za visokotlačne aplikacije (npr. . 10 bar ali več) izmenjevalec, ki je v celoti-fluoropolimer, morda sploh ni praktičen. V teh primerih je edina alternativa obloženi izmenjevalec- ali izmenjevalnik iz kovinske zlitine. Primerjava stroškov se nato premakne na podložen fluoropolimer proti eksotičnim zlitinam (titan, tantal, Hastelloy). Ta primerjava na splošno kaže, da je podloženi fluoropolimer velik prihranek stroškov.

Povzetek Primerjava - kovinskega izmenjevalnika z vsemi-Fluoropolimernimi in funkcijami obloge iz fluoropolimerovVsi fluoropolimerni izmenjevalniki Fluoropolimer{2}}obloženi kovinski toplotni izmenjevalnik
Običajni nazivni tlak 3–5 barov (omejeno zaradi lezenja fluoropolimera) 10–20 barov+ (omejeno s kodo konstrukcije kovinskega ohišja)
Najvišja stalna temperatura 110-120 stopinj (PTFE); 150-180 stopinj (PFA) 180-200 stopinj (PTFE obloga s kovinsko oporo)
Odpornost proti koroziji Odlična, dosledna zaščita, brez kovine, ki bi lahko korodirala. Dobra, vendar možnost lukenj, delaminacije in permeacijske korozije
V primeru težave z oblogo, okvara moden/a (brez obloge) Hitra korozija kovin Možno katastrofalno puščanje
Preskušanje in pregled. Vizualna in električna kontinuiteta (preprosto). Potreben je preizkus iskre (identifikacija luknjice). Potreboval bo pogosto ponovno oblogo.
Prvi strošek Nižji za nizkotlačne naloge Več (tlačna posoda + delo na oblogi)
Tveganje vzdrževanja Nizko; brez zamenjave obloge Zmerno do visoko; med vzdrževanjem se lahko obloga poškoduje
Tipične uporabe Ogrevanje/hlajenje pri galvanizaciji, atmosferski kislinski pralniki, nizkotlačne lužilne kopeli, visokotlačni-hladilniki HCl, toplotni izmenjevalniki za koncentrirano kislino v rafinerijah, kemični reaktorji.
Smernica za odločitev: Kako izbrati pravo tehnologijo
Odločitev o uporabi popolnoma-fluoropolimernega ali obloženega kovinskega izmenjevalnika mora temeljiti na zahtevah glede tlaka in temperature ter sprejemljivi stopnji tveganja okvare.

Izberite popolnoma-fluoropolimerni izmenjevalnik toplote, če:

Delovni tlak nižji od 5 barov (75 psi).

Temperatura je pod 120 stopinj (PTFE) ali 180 stopinj (PFA).

Bistvena je absolutna korozijska zanesljivost. Nobena luknjica ali okvara obloge ni dopustna.

Procesna tekočina oksidira kisline ali mešanice kislin in že rahel stik s kovinami povzroči hitro okvaro.

Zaželeni so nižji začetni stroški kapitala.

Izmenjevalec je nameščen na mestu, kjer puščanje ni sprejemljivo (npr. nad občutljivo opremo ali v čistem prostoru).

Pri izbiri kovinskega toplotnega izmenjevalnika s fluoropolimerno oblogo:

Delovni tlak je nad 5 barov in lahko nad 20 barov ali več.

Temperatura je nižja od 200 stopinj in višja od 120 stopinj

Procesna tekočina je ustrezno karakterizirana in ne vsebuje snovi, ki povečujejo prepustnost obloge (npr. vroč plin HCl).

Obstaja strog program pregledovanja in vzdrževanja, ki vključuje redno testiranje obloge z iskrenjem.

Eksotične kovinske zlitine (titan, tantal) so predrage, zato je obloženo jeklo stroškovno učinkovita možnost.

Določena možnost okvare obloge je dovoljena, če so nameščene redundantne varnostne naprave (zaznavanje puščanja, sekundarni zadrževalni hram).

Obloženi PTFE izmenjevalniki so tradicionalna rešitev za visokotlačne kislinske storitve, značilne za rafinerije in velike kemične obrate, kot so hladilniki klorovodikove kisline pri 10 barih in 150 stopinjah. Večina pa namesti naprave za odkrivanje puščanja (sonde za prevodnost med oblogo in lupino), da zgodaj opozori na poškodbo obloge.

Zaključek: Zahteve glede zanesljivosti in varnosti usmerjajo izbiro
Vsi-fluoropolimerni izmenjevalniki toplote izključujejo kovino iz zmočene poti, da zagotovijo največjo odpornost proti koroziji. Brez ločljive obloge, brez korozijske luknjice in brez skrite kovinske podlage za razgradnjo. Toda njihova tlačna in temperaturna območja so majhna.

Kovinski izmenjevalniki, obloženi s fluoropolimeri-, imajo kovinsko ohišje, ki omogoča delovanje pri višjih tlakih in temperaturah. Kompromis je v tem, da je bolj zapleten, dražji za zagon in uvaja nove načine odpovedi-luknjice, odlepitev, prepustnost-ki niso prisotni v vseh-zasnovah fluoropolimerov.

Procesni inženirji morajo te-kompromise skrbno upoštevati. Vsi-fluoropolimerni izmenjevalniki so na splošno najboljša rešitev za nizkotlačne in visoko zanesljive aplikacije. Strog nadzor kakovosti, inšpekcija in odkrivanje puščanja so potrebni za visokotlačna in visokotemperaturna opravila, kjer je podloženi fluoropolimer edina nekovinska izbira. Ta ključna načrtovalska odločitev bi morala temeljiti na merilih varnosti in zanesljivosti, ki zagotavljajo, da je izbrana tehnologija izmenjevalnika toplote primerna za posebne nevarnosti in delovne okoliščine kemijskega procesa.