Какви са често срещаните режими на отказ на непроницаеми графитни топлообменници в химическата служба?

Има редица различни механизми, които често са основната причина за повредите на графитния топлообменник. Те се разбират от операторите, за да удължат експлоатационния живот и да избегнат непланирани спирания. Графитът, непроницаемият графит, е силно вещество за корозивна употреба, но не е имунизирано срещу повреди. Непроницаемият графит често е графит, импрегниран с PTFE, фенолна смола или въглерод. Най-честите начини на повреда на графитните топлообменници са разграждане на смолата, напукване при термичен шок и ерозия. Всеки тип има различни симптоми, причини и превенция.

Разграждане на смолата: тихата загуба на непропускливост
Импрегниращата смола запълва дупките на порестия графитен субстрат и осигурява -непропускливостта на непроницаемия графит. Смолата (често фенолна, понякога PTFE или фуран) трябва да запази структурната си цялост и адхезията си към графита по време на експлоатационния си живот. Влошаването на качеството на смолата се случва, когато работните обстоятелства надхвърлят термичните или химичните граници на смолата.

Топлинна деградация
Фенолната смола започва да се разпада при температури над около 200C (в зависимост от точната формула). Процесът на разграждане генерира летливи странични продукти и причинява свиване, овъгляване или омекване на смолата. След като лепилото се отдръпне от мрежата от пори, графитът отново става порест, което позволява абсорбирането на корозивните течности. Това предполага в кожухот-и-тръбен или блоков обменник:

Кръстосано замърсяване на обвивката и тръбата.

Теч при уплътнени съединения поради загуба на смола, разрушаваща уплътнението.

Бавно намаляване на ефективността на пренос на топлина чрез замърсяване или отлагане на продукти от разградена смола.

Химическа война
Някои вещества увреждат импрегниращата смола, дори когато самият графитен субстрат не е засегнат. Фенолната смола бързо се хидролизира от силни каустични разтвори (натриев хидроксид, калиев хидроксид) при повишени температури. Смолата също се разгражда или разтваря от концентрирана азотна киселина, сярна киселина над определени температури и органични разтворители (ацетон, метил етил кетон). Списъците за химическа съвместимост обикновено класифицират графита според комбинацията от графитен субстрат и смола. Повредата може да бъде предизвикана от превишаване на максималния рейтинг на всеки компонент.

Признаците за разваляне на смолата включват:

Видимо плачене или изливане от не{0}}уплътнени части на графитен блок.

Увеличете спада на налягането без замърсяване (причинено от промени във вътрешната порьозност).

Обезцветяване или омекване на откритата смола в краищата на тръбите или фланците

Предотвратяване: Винаги поддържайте под горните температурни и химически ограничения за този тип смола, определени от производителя. Посочете PTFE-импрегниран графит или въглерод-импрегниран (без-смола), където е приложимо за работа с каустик или оксидираща киселина.

Напукване при термичен удар: бързи температурни промени
Графитът има сравнително ниска устойчивост на термичен шок в сравнение с металите. Когато се случи голяма и рязка промяна на температурата, като например въвеждането на студена течност в горещ топлообменник, външната или вътрешната повърхност на графитния материал се разширява или свива по различен начин. Материалът има ниска якост на опън, по-малка от развития топлинен стрес, което води до пролиферация на пукнатините.

Типични случаи на термичен шок
Бързо стартиране-: Студена вода или киселина циркулира през блоков обменник, който току-що е източен, но все още е горещ от работа.

Прилив на пара или горещ кондензат: Бърз прилив на пара с висока температура в хладен топлообменник.

Нарушаване на процеса: Загуба на охлаждащ поток, като нагревателната среда все още е включена, последвано от аварийно повторно вкарване на студена течност.

Почистване скоро след източване на гореща технологична течност със студена вода.

Пукнатините от термичен шок обикновено са през отворите на тръбата или по протежение на разделителните линии на блоковете. Пукнатини могат да се появят на кръстовището-към-тръбната решетка или по протежение на стените на тръбата в кожухот-и-тръбните обменници. Пукнатините позволяват директен байпас между страните на корпуса и тръбата или между съседни отвори на тръбата.

Симптоми:

Внезапно нарастване на изтичането на сервизни течности.

Тестът за налягане показва бърза загуба на налягане.

Видими пукнатини по време на преглед (препоръчват се тестове за проникване на багрила).

Профилактика:

Използвайте подходящи скорости на промяна на температурата (обикновено по-малко или равно на 5-10 градуса/минута, в зависимост от типа на топлообменника).

НИКОГА не добавяйте студена течност към горещ дрениран обменник. Дръжте топлообменника намокрен с топла течност по време на охлаждане.

• Използвайте температурни блокировки или последователна работа на управляващия вентил за пускане-и изключване.

Симптоми в режим на повреда Възможни причини
Resin degradation Leaking through block walls; resin softened at tube ends; rise in pressure decrease without foulingTemperature >200 градуса, силни каустики, азотна киселина или органични разтворители, продължителна работа извън химически ограничения
Damage from thermal shockSudden cross-leakage between services Cracks apparent with dye penetrant Failure coincident with rapid temperature shiftCold fluid entering hot exchanger; fast heating/cooling (>5-10 градуса /мин); източен топлообменник с промяна на температурата
Erosion Tube thinning, particularly at tube inlets, baffle edges, or elbows; particle solids in process fluid; localised perforationHigh velocity fluid (>2-3 m/s препоръчително ограничение) Суспендирани кристални твърди частици, каталитични частици или котлен камък Турбулентни зони близо до прегради
Ерозия: Механично износване от скорост на течности и твърди вещества
Графитът е доста меко, крехко вещество. Той е устойчив на повечето химически атаки, но повърхността му е податлива на ерозия от високоскоростни течности, особено когато потоците носят суспендирани частици. Ерозията постоянно елиминира графитния материал, изтъняващите стени на тръбите, преградите или блоковите канали до точката на перфорация или структурна повреда.

Високо{0}}скоростна ерозия
Дори чисти течности с твърде високи линейни скорости могат да причинят ерозия на графита във времето. Максималната препоръчителна скорост за графитни тръби обикновено е 2–3 m/sec (в зависимост от конкретния дизайн на топлообменника и производителя). Над този диапазон силите на срязване на течността бавно износват вътрешния диаметър на тръбата. Най-агресивната ерозия е на входовете на тръбите (където се развиват профилите на скоростта) и в регионите непосредствено след преградите (където турбуленцията е силна).

Ерозия от частици
Услугите за шлам са особено обезпокоителни, като например фосфорна киселина с гипс или силициев диоксид или киселина за ецване с железни частици. Суспензиите са абразивни и увеличават скоростта на отстраняване на материала. Скоростта на ерозия нараства грубо като квадрат на скоростта и линейно с концентрацията на твърдо вещество и твърдостта на частиците. В тежки случаи стените на тръбите могат да бъдат пробити след месеци.

Знаци:-

Повишени скорости на изтичане без термичен шок или разрушаване на смолата.

Близо до всмукателния отвор повърхностите на тръбата изглеждат тънко полирани.

Ултразвуково изследване за променлива дебелина на стената.

Перфорации, които изглеждат като ясни ерозиращи дупки (не назъбени пукнатини).

Профилактика:

Проектиране за флуиди със скорост по-малка от 2 m/s (и по-малко, ако има твърди частици).

• Инсталирайте разпределители на входящия поток или анти{0}}ерозионни маншети на входа на тръбите.

Направете тръбите по-големи или добавете още тръби успоредно. Това ще намали скоростта на тръба.

Филтриране или утаяване на груби материали нагоре по течението.

Синергични ефекти на ерозия-корозия
В някои услуги ерозията и корозията работят заедно. Течността е леко корозивна за свързващото вещество от графитна смола. Защитеният повърхностен слой се отстранява непрекъснато чрез ерозия, разкривайки свеж материал. Такъв механизъм на ерозия-корозия може да доведе до повреда със скорост, значително надвишаваща сумата от индивидуалните скорости. Например солна киселина с пренесени частици железен оксид или сярна киселина с въглеродни частици.

Препоръки за инспекция и наблюдение
Следното трябва да бъде включено в редовната проверка за откриване на режими на повреда преди катастрофално изтичане:

Визуална проверка на краищата на тръбите, повърхностите на уплътненията и външните повърхности на блоковете по време на рутинна поддръжка.

Тест за проникване на графитна повърхност за показване на пукнатини (увреждане от термичен шок).

Ултразвуково измерване на дебелината на важни зони, податливи на ерозия (тръбни входове и преградни зони).

Изпитване за намаляване на налягането на страните на корпуса и тръбата за проникване или през стени.

Мониторинг на процеса за неочаквани промени в изходните температури или спад на налягането.

Заключение
Обичайните режими на повреда на графитния топлообменник включват влошаване на качеството на смолата, напукване при термичен удар и ерозия. Те могат да бъдат избегнати чрез стриктно спазване на работните ограничения и щадящи процедури за стартиране-включване/изключване-. Графитът е мощен материал за използване на корозивна киселина, но изисква дисциплинирана работа, за да се получи максимален експлоатационен живот (обикновено 10-20 години или повече). Операторите трябва да спазват ограниченията на температурата и скоростта, да предотвратяват бързи топлинни преходи и да следят за индикатори за ерозия на частици. Когато възникне повреда, пълно проучване на първопричината, включително тестване на състоянието на смолата, оценка на модела на счупване и картографиране на дебелината на стената, позволява да се предприемат коригиращи стъпки. Когато се използват правилно, непроницаемите графитни топлообменници продължават да осигуряват надеждна и икономична услуга при най-тежките химически процеси.