U kojim industrijama je grafit zadani materijal za izmjenjivač topline i zašto?

U određenim sektorima navođenje grafitnog izmjenjivača topline nije-razumljivo. Grafit je bio radni konj desetljećima i materijal je izbora tamo gdje bi drugi materijali brzo otkazali ili bi bili preskupi da bi bili praktični. Gdje metali hrđaju, a polimeri omekšavaju ili gube toplinsku učinkovitost, nepropusni grafit (impregniran fenolnom ili furanskom smolom) nudi jedinstvenu kombinaciju visoke toplinske vodljivosti, iznimne otpornosti na koroziju u različitim teškim uvjetima i mogućnosti servisiranja do 200 stupnjeva i više. Moramo znati precizne procese u kojima grafit radi bolje od bilo kojeg drugog materijala kako bismo znali zadane industrijske primjene grafitnih izmjenjivača topline.

Vodeće ključne industrije
Tri ključna industrijska sektora dosljedno biraju grafitni izmjenjivač topline kao zadani izbor. Dekapiranje čelika (klorovodična kiselina), koncentracija fosforne kiseline, sušenje klora. U svakom slučaju najbolje i najekonomičnije rješenje je grafit zbog korozivne prirode tekućine, visoke temperature i zahtjeva za kompaktnim, učinkovitim prijenosom topline.

IndustryCritical Fluid Conditions of Operation FailureResult of Substandard Material
Dekapiranje čelika (HCl) Vruća klorovodična kiselina 80–95 stupnjeva, do 18% HCl Često s FeCl 2Metalni izmjenjivači (titan, tantal) brzo korodiraju PTFE omekšava; zahtijeva veće jedinice
Koncentracija fosforne kiseline Fosforna kiselina mokrog-procesa s fluoridima, kloridima, silicijevim dioksidom 100-160 stupnjeva, 40-54% P2O5, prisutnost HF i H2SiF6 Čelik obložen staklom izložen napadu fluorida; visokolegirani metali (Hastelloy) korodiraju ili su preskupi
Mokri plinoviti klor + koncentrirana sumporna kiselina 10–40 stupnjeva (dužnost hlađenja), jako oksidirajući, kiseli kondenzat Brza oksidacija metala (nikal, bakar, čelik); ne-metalni izbori (PTFE) nemaju toplinsku vodljivost za kompaktne hladnjake za sušenje
Dekapiranje čelika - Usluga vruće klorovodične kiseline
Dekapiranje čelične trake i žice Vruća klorovodična kiselina (obično 10-18% HCl na 80-95 stupnjeva) koristi se za uklanjanje kamenca željeznog oksida. Kiselina je napunjena željeznim kloridom (FeCl2) i mora se stalno zagrijavati kako bi proces bio učinkovit, kao i hlađena u petljama regeneracije kiseline. Metalni izmjenjivači topline poput onih od titana, tantala i cirkonija pate od brze rupičaste korozije, pukotinske korozije ili vodikove krtosti uzrokovane vrućim HCl. Raspad legura-na bazi nikla u tjednima. PTFE školjkasti i cijevni izmjenjivači otporni su na kemijski napad, ali imaju dva ozbiljna nedostatka:

Niska toplinska vodljivost (0,2 W/m·K naspram. 100–120 W/m·K za grafit) znači da su jedinice velike i-zauzimaju prostor.

Ograničenje temperature: PTFE omekšava i puzi preko oko 110 stupnjeva i stoga nije prikladan za aktivnosti u kotlovima za kiseljenje ili regeneraciju na visokim temperaturama.

Grafitni blok ili školjkasto-cijevni izmjenjivači topline mogu sigurno raditi na 95 stupnjeva i mogu tolerirati kratke izlete do 120-130 stupnjeva. Kompaktna veličina olakšava integraciju jedinica u postojeće linije za kiseljenje. Životni vijek u HCl servisu je 10-20 godina za stotine instalacija diljem svijeta. Grafit je stoga standardni materijal za kiselinske grijače, hladnjake i izmjenjivače topline sustava regeneracije. Tamo gdje bi PTFE teoretski mogao funkcionirati, veća veličina i viši troškovi instaliranja PTFE jedinice često favoriziraju grafit.

Koncentracija fosforne kiseline: rad s visokim temperaturama i fluoridima
Mokri{0}}proces fosforne kiseline (WPA) dobiva se reakcijom fosfatne stijene sa sumpornom kiselinom. Dobivena kiselina sadrži značajne količine nečistoća: fluorida (kao HF i H2SiF6), klorida i metalnih sulfata. Koncentracija od oko 28% P₂O₅ do trgovačke-klase od 54% P₂O₅ provodi se pod vakuumom ili atmosferskim tlakom na temperaturama do 160 stupnjeva. Sadržaj fluorida agresivno će napasti materijale-koji sadrže silicij (staklo, čelik obložen staklom-) i mnoge posebne legure.

Grafitni izmjenjivači topline naširoko se koriste kao grijači, kalandrije isparivača i hladnjaci kondenzatora u postrojenjima s fosfornom kiselinom. Grafit je postao zadani zbog: Razlozi uključuju:

Otpornost na fluor: HF ili fluosilicijska kiselina ne utječu na grafit u koncentracijama i temperaturama kao kod koncentracije WPA.

Otpornost na visoke temperature: Grafit zadržava svoju mehaničku čvrstoću i otpornost na koroziju do 170-200 stupnjeva, pokrivajući sve primjene koncentracije fosforne kiseline.

Prednost toplinske vodljivosti: grafit je dobar vodič topline i to je plus za dizajn isparivača jer znači manju površinu i manje veličine posude.

PTFE je također otporan na fluoride, međutim PTFE izmjenjivači topline rijetko su potrebni u ovom poslu. Glavni problem je znatno veći otisak za isti zadatak. Za velika postrojenja fosforne kiseline (stotine tisuća tona godišnje) prostor je ograničen, a potporne strukture za ogromne PTFE izmjenjivače nisu ekonomski privlačne. PTFE također ima ograničenje maksimalne temperature od ~180 stupnjeva, što nudi malu marginu za poremećene situacije. Grafit se nalazi između egzotičnih metala (koji prebrzo korodiraju) i polimera nižih temperatura (koji zahtijevaju previše površine).

Sušenje klorom: rad hlađenja otporan na oksidaciju
U klor alkalijskim postrojenjima plinoviti klor proizveden membranskom ili dijafragmskom elektrolizom zasićen je vodenom parom. Vlažni klor je prilično korozivan, stvara hipokloridnu i solnu kiselinu. Vlažni klor se suši u nabijenim tornjevima u kontaktu s jakom sumpornom kiselinom (98-99%). Nastali suhi plinoviti klor (s tragovima kisele magle) mora se ohladiti prije kompresije ili daljnje obrade. Hladnjaci klora nizvodno od tornjeva za sušenje su grafitni izmjenjivači topline-i cijevi.

Zašto grafit uopće? Ohlađeni plin sastoji se od suhog klora i zaostale pare i kondenzata sumporne kiseline. Ova mješavina je snažan oksidans i napast će većinu metala. Bakar, čelik i nikal brzo korodiraju. Tantal je otporan, ali preskup za značajne površine za prijenos topline. Kemijski otporan, PTFE ne može pružiti kompaktno, visoko učinkovito hlađenje potrebno za kondenzaciju kisele magle i kontrolu temperature plina. Visoka toplinska vodljivost grafita omogućuje kompaktne jeftine hladnjake koji se mogu lako dodati u sustav za sušenje klora.

Servis klora također je polje u kojem se grafitni izmjenjivači topline upotrebljavaju više od 50 godina, s dobro-postavljenom evidencijom o sigurnosti i pouzdanosti. U sektoru klor-alkalija, procesni inženjeri obično određuju grafitne hladnjake kao nešto naravno, rijetko razmišljajući o alternativnim materijalima.

Zašto PTFE nije zadana vrijednost
PTFE ima izuzetnu kemijsku otpornost, pa zašto je grafit još uvijek uobičajeni izbor u ovim industrijama? Zašto ne PTFE? Objašnjenje se svodi na tri PTFE ograničenja:

Gornja granica temperature: PTFE će omekšati i početi kliziti pod pritiskom iznad oko 110-120 C Kontinuirani rad na 150 stupnjeva nije zamisliv. Grafit je stabilan najmanje do 200 C.

Toplinska vodljivost: Vrlo niska toplinska vodljivost PTFE-a zahtijeva velika područja za prijenos topline. Za primjene gdje su potrebne stotine četvornih metara, PTFE jedinica postaje prilično velika, teška i skupa za ugradnju.

Mehanička robusnost: grafitni blokovi i jedinice školjke-i-cijevi nude čvrstu, pouzdanu potporu za cijevne ploče i brtve. Potrebno je pažljivo zatezanje PTFE cijevi jer su sklonije mehaničkim oštećenjima tijekom čišćenja.

Ako primjena ne premaši temperaturnu granicu PTFE-a i prostor nije problem, tada se može odabrati PTFE. Međutim, u tri navedena sektora, luženje čelika, koncentracija fosforne kiseline i sušenje klorom, kombinacija visoke temperature, visoke korozivnosti i ekonomske potrebe za kompaktnim dizajnom čini grafit zadanim izborom.

Uloga uspjeha na povijesnom polju
Vodeća uloga Graphitea je rezultat desetljeća iskustva na terenu. U tako teškim procesnim uvjetima, grafit se pokazao znatno pouzdanijim od bilo kojeg alternativnog materijala. Laboratorijski podaci često pokreću odabir materijala, ali isto tako i prošlo iskustvo na terenu. Inženjeri koji specificiraju opremu za novu liniju za kiseljenje, isparivač fosforne kiseline ili rashladni sklop za klor općenito se drže industrijske norme grafita, budući da je svako odstupanje od te razine nepotreban rizik.

Sažeti zaključak
Grafitni izmjenjivači topline uobičajeni su materijal za luženje čelika (vruća HCl), koncentriranje fosforne kiseline (vruća kiselina koja sadrži fluorid) i sušenje klorom (mokri klor sa sumpornom kiselinom). Grafit nudi kombinaciju kemijske otpornosti, visoke toplinske vodljivosti i temperaturne sposobnosti koja se ne može usporediti s drugim materijalima (metali, PTFE, staklo) u cijelom rasponu uvjeta procesa u svakoj situaciji. PTFE je bolji u kemijskoj inertnosti na nižim temperaturama, ali njegova slaba toplinska vodljivost i temperaturna ograničenja čine ga neprikladnim kao zamjena za grafit u ovim zahtjevnim primjenama. Zadani industrijski status grafitnog izmjenjivača topline nije nesreća-temelji se na desetljećima pouzdane, troškovno-učinkovite usluge gdje alternative opetovano nisu uspjele.