Как се сравнява графитен топлообменник в-стил блок с обвивка-и-тръба от PTFE?

Когато се определя топлообменник за приложение с изключително корозивна киселина, два-неметални избора често влизат в действие: графитни блокови обменници и PTFE корпусни-и-тръбни обменници. И двата са устойчиви на корозия, но техните термични и механични свойства ги правят подходящи за различни приложения. Разбирането на компромисите-от гледна точка на компактност, термични характеристики, химическа съвместимост и механична устойчивост е ключов въпрос за избора на подходяща технология.

Преглед на дизайна: Графитен блок срещу PTFE корпус и тръба
Графитните блокови топлообменници са направени от един или повече блокове непропусклив графит (импрегниран със смола графит). Всеки блок е пробит с два комплекта проходи, един за корозивния процесен флуид и един за сервизния флуид (охлаждаща вода, пара или нагревателна среда). Блоковете са свързани помежду си с помощта на лепила с -графит или с уплътнени конектори. В зависимост от модела на пробиване, течностите протичат през тръбите в конфигурация с напречен-поток или насрещен-поток.

PTFE кожух-и-тръбни топлообменници са съставени от сноп от тънкостенни PTFE (политетрафлуороетилен) тръби, които се съдържат в метална или пластмасова обвивка. Корозивната течност се движи през PTFE тръбите (или около тях), докато сервизната течност тече от другата страна. Междинните прегради обикновено се използват за поддържане на PTFE тръбите. Тръбният сноп е запечатан към тръбните листове с разширени тръбни съединения или компресионни фитинги.

Двата дизайна се различават по един основен начин, а именно механичната гъвкавост. Графитните блокове са здрави и неподатливи. PTFE тръбите са гъвкави и могат да издържат на малки вибрации и топлинни разширения без повреда.

Големият плюс на графита: топлопроводимост
Най-важната разлика е в топлопроводимостта. Графитът има топлопроводимост от около 80-120W/mK (според степента на графит и импрегниращата смола). PTFE обаче има топлопроводимост от около 0,25 W/m K - около 300 до 400 пъти по-ниска от графита.

Тази огромна разлика означава, че един графитен блоков топлообменник може да бъде удивително компактен за същото задължение за пренос на топлина. Графитният модул е ​​една-десета от обема на корпусно-тръбния тип PTFE модул с еднаква топлинна ефективност. Графитните блокове предлагат ясно предимство в ситуации с ограничено пространство, като преоборудване към съществуващо оформление на оборудването или монтиране върху претоварени технологични плъзгачи.

Обратно, ниската топлопроводимост на PTFE означава, че кожухотрубните-и-топлообменници с PTFE тръби се нуждаят от относително големи повърхности за пренос на топлина. Това води до по-големи отпечатъци, по-дълги снопове тръби и по-големи диаметри на корпуса. На практика тефлонови топлообменници обикновено се изискват само когато тяхната специална химическа устойчивост компенсира намаления им размер.

Механични свойства: Чуплив или гъвкав
Графитът е крехко вещество. Непроницаемият графит е по-силен от суровия графит, но може да бъде разбит от:

Механичен удар (напр. изгубен инструмент, бързо движение на тръбата)

Воден удар в линията за сервизна течност

Екстремни термични цикли (бързо нагряване или охлаждане, особено с температурна разлика, по-голяма от ограниченията, посочени от производителя)

Неравномерен въртящ момент на болтовете във фланци или колектори

Ако графитен блок се счупи, топлообменникът обикновено не може да бъде ремонтиран. Пукнатината може да доведе до кръстосано -изтичане между вериги на технологична и сервизна течност или външен теч. Единственият начин да го поправите е да замените целия блоков стек. Това често е голяма капиталова инвестиция.

PTFE тръбите, от друга страна, са гъвкави и издръжливи. Умерен воден удар, вибрации и топлинни цикли могат да бъдат толерирани без повреди. Ако една PTFE тръба протече (поради абразия или механично пробиване например), тя обикновено може да бъде запечатана и на двете тръбни листове, а останалите тръби могат да продължат да се използват. Някои конструкции позволяват тръбите да бъдат заменени, но това е трудоемко. Прощаващият механичен характер на PTFE прави тези топлообменници по-подходящи за инсталации с по-малко строг контрол на стабилността на потока или повишаване на температурата.

Химическа устойчивост: широката гама от PTFE
Както графитът, така и PTFE са устойчиви на широк спектър от корозивни киселини, но има няколко ключови разлики.

Съвместим с: Графит (непроницаем клас)

Солна киселина (всички концентрации до точка на кипене)

Сярна киселина (до около 80–85% при умерени температури; по-големите количества изискват внимателен подбор)

Фосфорна киселина 12.

- Органични киселини.

Графитът обаче се уврежда от силни окислителни киселини като:

Азотна киселина (особено концентрирана или нагрята)

Хромна киселина (хромна киселина)

Нуждаете се от царска вода

Смесени киселини без хлор или бром

Оксидиращите химикали проникват в структурата на графита и предизвикват междукристална корозия, което води до бърза повреда. Графитни топлообменници никога не трябва да се използват в такива услуги, освен ако не е получено одобрение от производителя за специализиран графитен клас (фенолно-импрегниран срещу фуран-импрегниран, с все още приложими ограничения).

PTFE е почти напълно устойчив на всички вещества, с изключение на разтопени алкални метали и елементарен флуор при високи температури. PTFE е устойчив на азотна киселина, хромна киселина и всички други окислителни киселини практически във всички концентрации. Той също така е устойчив на органични разтворители, хлор и повечето технологични течности, които се срещат при повърхностна обработка и химическа обработка. За силно враждебни смеси (напр. царска вода, гореща концентрирана азотна киселина или смесени киселинни разтвори за ецване) понякога PTFE е единственият възможен неметален избор.

Собствен графитен блоков топлообменник PTFE черупка-и-тръбен топлообменник
Топлопроводимост (W/mK) 80 –120 0.25
Относителен размер за същата работа Компактен (1x базова линия) Голям (10-15 × по-голям)
Максимална продължителна температура 180–200 градуса (в зависимост от смолата) ~110 градуса (PTFE ограничено при пълзене)
Механично поведение Чуплив, чупи се при удар или воден удар Гъвкав, устойчив на вибрации и термични цикли
Възможност за ремонт Обикновено не подлежи на ремонт, ако блокът е пукнат. Тръбите могат да бъдат блокирани или заменени поотделно
Устойчивост на окислителни киселини (азотна, хромна) Слаба, не се препоръчва Добра; напълно устойчиви
Типични приложения H2SO4 охлаждане HCl нагряване/охлаждане Обслужване на органични киселини Декапиране със смесена киселина, царска водка, хлор-съдържащи разтвори, вани за покритие
Първоначална цена (относителна) По-висока (специализирано производство) Умерена до ниска
Температурни ограничения
Графитните блок-обменници, когато са импрегнирани по подходящ начин със смоли (обикновено фенолни или фуранови), могат да работят непрекъснато при температури до 180–200 градуса. Някои изключителни степени се оценяват на до 220 градуса. Това прави графита подходящ за нагряване или охлаждане на концентрирана сярна киселина, горещи пари на солна киселина и други високо-температурни корозивни потоци.

PTFE кожух и тръбни топлообменници са ограничени до около 110 градуса за продължителна употреба. Над тази температура PTFE започва да отслабва и да пълзи под разликата в налягането през стената на тръбата. Кратки отклонения до 120-130 градуса могат да бъдат толерирани, но продължителното излагане на високи температури води до деформация на тръбата, изтичане в тръбните съединения и окончателна повреда. За корозионна работа при температури над 110 градуса, графитът обикновено е единствената неметална алтернатива или трябва да се проучи метален обменник с необичайна облицовка от сплав.

Проблеми с разходите и поддръжката
Първата цена на топлообменник с графитен блок обикновено е по-висока от тази на PTFE кожух и тръбен модул със същото термично натоварване. Графитните блокове изискват прецизно пробиване, специални техники за залепване и внимателен контрол на качеството. PTFE тръбните снопове се произвеждат в големи количества при по-ниски разходи за материали и производство.

Но общата цена на притежание по-скоро зависи от приложението. Графитният обменник може да работи десетилетия без проблем в чиста, стабилна киселинна среда, без механични удари или окисляващи химикали. По-голямата му първоначална цена е оправдана от компактния му размер и високата топлинна ефективност. В услуга, при която водните удари или термичните цикли са неизбежни, опасността от напукване на графита може да направи по-прощаващата PTFE конструкция за предпочитане, дори за сметка на по-голям топлообменник.

Техниките за поддръжка са малко по-различни. Графитните устройства изискват деликатни процеси на стартиране-и изключване-за избягване на термичен шок. Цедките обикновено се препоръчват от страната на сервизния флуид, за да предпазят отломките от замърсяване на челата на блока. PTFE топлообменниците са по-малко чувствителни към смущения на потока, но трябва да се почистват периодично, ако малките диаметри на тръбите се замърсят. Ниската повърхностна енергия на PTFE (описана в предишните раздели) е предимство за намаляване на замърсяването, но PTFE тръбите могат да се почистват механично.

Ръководство за вземане на решения: Избор на правилния обменник за приложението?
Решението между графитен блок и PTFE корпус-и-тръбен топлообменник зависи от редица специфични за приложението-критерии.

Помислете за обменник на графитен блок в случай на:

Трябва да е компактен поради ограниченията на пространството.

Температурите на процеса са над 110 градуса и под 200 градуса.

Корозивната течност е сярна киселина, солна киселина или не{0}}окисляваща органична киселина.

Сервизната течност е чиста и без водни удари и отломки.

Правилният дизайн на системата може да предотврати механичен удар и бърз топлинен цикъл.

По-малък, топлинно по-ефективен модул е ​​приемлив, ако е необходима по-голяма първоначална капиталова инвестиция.

Изберете PTFE кожухотръбен топлообменник, когато:

Течността има мощни окислители (азотна киселина, хромна киселина, царска вода, смесени киселини).

Температурите на процеса са под 110 градуса.

Тръбопроводната система може да издържи на воден удар, вибрации или чести термични цикли.

Механичната здравина и прощаващата работа са по-важни от компактността.

Желателни са по-ниската първоначална цена и възможността за запушване или подмяна на отделни тръби.

Има достатъчно място за по-голям отпечатък на топлообменника.

На практика много химически преработвателни предприятия работят и от двата типа. Графитните топлообменници се използват широко в охладителните системи със сярна киселина и отоплителните кръгове на солната киселина. PTFE топлообменниците са предпочитаният избор за линии за ецване със смесени киселини, нагряване/охлаждане на вани за галванопластика и третиране на отпадъчни киселини, където присъстват оксидиращи видове.

Заключение: Трудно инженерно решение
И графитните топлообменници с блоков дизайн, и кожуховите и тръбните модули от PTFE са много подходящи за корозивната топлопреносна индустрия, но те са фундаментално различни по своите силни страни и недостатъци. Графитът е добър за своята топлопроводимост и размер, но е крехък, скъп като начало и чувствителен към окисляващи киселини. PTFE има ненадминат химически имунитет и механична гъвкавост на по-ниска цена. Той обаче има температурна граница от 110 градуса и изисква значително по-големи повърхностни площи.

Изборът зависи от използваната киселина, работната температура, механичната среда и наличното пространство. Изборът на материали за топлообменници при корозивно обслужване е много-инженерен въпрос, включващ-компромиси между топлинни характеристики, химическа съвместимост, механична издръжливост и разходи за-жизнен цикъл. „Технологията не побеждава технологията като цяло, но всяка технология има своя собствена ниша, където е по-добра.“