V katerih panogah je grafit privzeti material toplotnega izmenjevalnika in zakaj?

V nekaterih sektorjih je določitev grafitnega toplotnega izmenjevalnika nepomembna. Grafit je že desetletja delovni konj in je izbrani material, kjer bi drugi materiali hitro odpovedali ali bi bili predragi, da bi bili praktični. Kjer kovine rjavijo in polimeri zmehčajo ali izgubijo toplotno učinkovitost, ponuja neprepustni grafit (impregniran s fenolno ali furansko smolo) edinstveno kombinacijo visoke toplotne prevodnosti, izjemne odpornosti proti koroziji v različnih težkih pogojih in uporabnosti do 200 stopinj in več. Poznati moramo natančne postopke, pri katerih grafit deluje bolje kot kateri koli drug material, da poznamo privzete industrijske aplikacije grafitnih izmenjevalnikov toplote.

Vodilne ključne industrije
Trije ključni industrijski sektorji dosledno izbirajo grafitni izmenjevalnik toplote kot privzeto izbiro. Luženje jekla (klorovodikova kislina), koncentracija fosforne kisline, sušenje klora. V vsakem primeru je najboljša in najbolj ekonomična rešitev grafit zaradi jedke narave tekočine, visoke temperature in zahteve po kompaktnem in učinkovitem prenosu toplote.

IndustryCritical Fluid Pogoji delovanja Neuspeh Posledica podstandardnega materiala
Dekapiranje jekla (HCl) Vroča klorovodikova kislina 80–95 stopinj, do 18 % HCl Pogosto s FeCl 2Kovinski izmenjevalci (titan, tantal) hitro korodirajo PTFE se zmehča; zahteva večje enote
Koncentracija fosforne kisline Fosforjeva kislina po mokrem-postopku s fluoridi, kloridi, silicijev dioksid 100-160 stopinj, 40-54 % P2O5, prisotnost HF in H2SiF6 Jeklo, prevlečeno s steklom, izpostavljeno napadom fluorida; visokolegirane kovine (Hastelloy) korodirajo ali so predrage
Mokri plin klor + koncentrirana žveplova kislina 10–40 stopinj (hladilni učinek), močno oksidira, kisli kondenzat Hitra oksidacija kovin (nikelj, baker, jeklo); ne-kovinske izbire (PTFE) nimajo toplotne prevodnosti za kompaktne sušilne hladilnike
Dekapiranje jekla - Storitev vroče klorovodikove kisline
Dekapiranje jeklenih trakov in žice Vroča klorovodikova kislina (običajno 10–18 % HCl pri 80–95 stopinjah) se uporablja za odstranjevanje oblog železovega oksida. Kislina je obremenjena z železovim kloridom (FeCl2) in jo je treba nenehno segrevati, da je proces učinkovit, pa tudi ohlajati v zankah za regeneracijo kisline. Kovinski toplotni izmenjevalniki, kot so titanovi, tantalovi in ​​cirkonijevi, so izpostavljeni hitri luknjičasti koroziji, razpokani koroziji ali vodikovi krhkosti zaradi vročega HCl. Razčlenitev zlitin-na osnovi niklja v tednih. PTFE lupine in cevni izmenjevalniki so odporni na kemične napade, vendar imajo dve resni slabosti:

Nizka toplotna prevodnost (0,2 W/m·K v primerjavi z. 100–120 W/m·K za grafit) pomeni, da so enote velike in-zavzamejo prostor.

Omejitev temperature: PTFE se zmehča in polzi nad okoli 110 stopinj in zato ni primeren za dejavnosti v kotlu za luženje ali regeneracijo pri visokih temperaturah.

Grafitni blok ali lupinasti in cevni toplotni izmenjevalniki lahko varno delujejo pri 95 stopinjah in lahko prenesejo kratka odstopanja do 120-130 stopinj. Kompaktna velikost omogoča enostavno integracijo enot v obstoječe lužilne linije. Življenjska doba pri storitvi HCl je 10-20 let za stotine naprav po vsem svetu. Grafit je tako standardni material za luženje kislinskih grelnikov, hladilnikov in toplotnih izmenjevalnikov sistemov za regeneracijo. Kjer bi PTFE teoretično lahko deloval, so večja velikost in višji stroški namestitve PTFE enote pogosto naklonjeni grafitu.

Koncentracija fosforne kisline: delo z visokimi temperaturami in fluoridi
Mokra-fosforna kislina (WPA) se proizvaja z reakcijo fosfatne kamnine z žveplovo kislino. Dobljena kislina vsebuje precejšnje količine nečistoč: fluoride (kot HF in H2SiF6), kloride in kovinske sulfate. Koncentracija od približno 28 % P₂O₅ do trgovske-stopnje 54 % P₂O₅ se izvaja v vakuumu ali atmosferskem tlaku pri temperaturah do 160 stopinj. Vsebnost fluorida bo agresivno napadla materiale,-ki vsebujejo silicij (steklo, steklo{11}}prevlečeno jeklo) in številne posebne zlitine.

Grafitni izmenjevalniki toplote se v veliki meri uporabljajo kot grelniki, kalandrije uparjalnikov in hladilniki kondenzatorjev v obratih s fosforno kislino. Grafit je postal privzet za: Razlogi vključujejo:

Odpornost na fluor: HF ali fluorosilicijeva kislina ne vplivata na grafit v koncentracijah in temperaturah pri koncentraciji WPA.

Odpornost na visoke temperature: Grafit ohrani svojo mehansko trdnost in odpornost proti koroziji do 170-200 stopinj, kar pokriva vse aplikacije koncentracije fosforne kisline.

Prednost toplotne prevodnosti: grafit je dober prevodnik toplote in to je prednost za zasnove uparjalnikov, saj pomeni manjšo površino in manjše velikosti posod.

PTFE je odporen tudi proti fluoridom, vendar se toplotni izmenjevalniki PTFE v tem poslu redko zahtevajo. Glavna težava je bistveno večji odtis za isto nalogo. Za velike objekte fosforne kisline (stotine tisoč ton na leto) je prostor omejen in podporne strukture za ogromne PTFE izmenjevalce niso ekonomsko privlačne. PTFE ima tudi najvišjo temperaturno mejo ~180 stopinj, kar ponuja malo rezerve za motene situacije. Grafit je med eksotičnimi kovinami (ki prehitro korodirajo) in polimeri pri nižjih temperaturah (ki zahtevajo preveč površine).

Sušenje s klorom: hlajenje, odporno proti oksidaciji
V kloralkalnih obratih je plin klor, ki nastane z membransko ali diafragmsko elektrolizo, nasičen z vodno paro. Mokri klor je precej jedek, tvori hipoklorovo in klorovodikovo kislino. Mokri klor se posuši v napolnjenih stolpih v stiku z močno žveplovo kislino (98-99%). Nastali suhi klor (s kislo meglico v sledovih) je treba pred stiskanjem ali nadaljnjo obdelavo ohladiti. Hladilniki klora dolvodno od sušilnih stolpov so grafitni lupinasto-cevni izmenjevalniki toplote.

Zakaj sploh grafit? Ohlajeni plin obsega suh klor in ostanke hlapov in kondenzata žveplove kisline. Ta mešanica je močan oksidant in bo napadla večino kovin. Baker, jeklo in nikelj hitro korodirajo. Tantal je odporen, vendar predrag za pomembne površine za prenos toplote. Kemično odporen PTFE ne more zagotoviti kompaktnega, visoko učinkovitega hlajenja, potrebnega za kondenzacijo kisle meglice in nadzor temperature plina. Visoka toplotna prevodnost grafita omogoča kompaktne in poceni hladilnike, ki jih je mogoče brez težav dodati sušilnemu nizu za klor.

Servis za klor je tudi področje, na katerem se že več kot 50 let uporabljajo grafitni toplotni izmenjevalniki z dobro-uveljavljeno varnostjo in zanesljivostjo. V sektorju klo-alkalij procesni inženirji običajno določijo grafitne hladilnike kot nekaj samoumevnega, le redko razmišljajo o možnostih alternativnega materiala.

Zakaj PTFE ni privzeti
PTFE ima izjemno kemično odpornost, zakaj je torej grafit še vedno običajna izbira v teh panogah? Zakaj ne PTFE? Razlaga se skrči na tri omejitve PTFE:

Temperaturna zgornja meja: PTFE se bo zmehčal in začel drseti pod tlakom nad približno 110-120 C. Neprekinjeno delovanje pri 150 stopinjah ni mogoče zamisliti. Grafit je stabilen vsaj do 200 C.

Toplotna prevodnost: Zelo nizka toplotna prevodnost PTFE zahteva velika območja za prenos toplote. Za aplikacije, kjer je potrebnih na stotine kvadratnih metrov, postane PTFE enota precej velika, težka in draga za namestitev.

Mehanska robustnost: Grafitni bloki ter enote z oklepom-in-cevjo ponujajo trdno in zanesljivo podporo za cevne plošče in tesnila. Previdno napenjanje PTFE cevi je potrebno, ker so bolj nagnjene k mehanskim poškodbam med čiščenjem.

Če aplikacija ne preseže temperaturne meje PTFE in prostor ni zaskrbljujoč, lahko izberete PTFE. Vendar je v treh navedenih sektorjih, dekapiranje jekla, koncentracija fosforne kisline in sušenje s klorom, zaradi kombinacije visoke temperature, visoke korozivnosti in ekonomske potrebe po kompaktni zasnovi grafit privzeta izbira.

Vloga uspeha na zgodovinskem področju
Vodilna vloga družbe Graphite je posledica desetletij izkušenj na terenu. V tako težkih procesnih pogojih se je grafit izkazal za bistveno bolj zanesljivega kot katerikoli alternativni material. Laboratorijski podatki pogosto vodijo k izbiri materiala, prav tako pa tudi pretekle izkušnje na terenu. Inženirji, ki določajo opremo za novo linijo za luženje, uparjalnik fosforne kisline ali hladilni sistem za klor, se na splošno držijo industrijske norme grafita, saj je vsako odstopanje od te ravni nepotrebno tveganje.

Povzetek Zaključek
Grafitni toplotni izmenjevalci so običajen material pri luženju jekla (vroča HCl), koncentraciji fosforne kisline (vroča kislina, ki vsebuje fluorid) in sušenju s klorom (mokri klor z žveplovo kislino). Grafit ponuja kombinacijo kemične odpornosti, visoke toplotne prevodnosti in temperaturne zmogljivosti, ki je ni mogoče primerjati z drugimi materiali (kovine, PTFE, steklo) v celotnem obsegu procesnih pogojev v vsaki situaciji. PTFE je boljši pri kemični inertnosti pri nižjih temperaturah, vendar zaradi slabe toplotne prevodnosti in temperaturnih omejitev ni primeren kot nadomestek za grafit v teh zahtevnih aplikacijah. Privzeti industrijski status grafitnega toplotnega izmenjevalnika ni naključje-temelji na desetletjih zanesljive, stroškovno-učinkovite storitve, pri kateri alternative vedno znova ne uspejo.