Mi a grafit szerepe az erősen korrozív savszolgáltatás hőcserélőiben?

Ha a hőmérséklet vagy a nyomás meghaladja a fluorpolimerek gyakorlati határait, vagy ha a lehető legmagasabb hőhatékonyságra van szükség, a grafit hőcserélők vezető jelöltekké válnak a korrozív savak szolgáltatásában. Az át nem eresztő grafit a korrózióállóság és a fémes{1}}hővezetőképesség egyedülálló keverékét kínálja. A sósav-, hidrogén-fluorid-, foszfor- vagy kénsaváramot magas hőmérsékleten és nyomáson kezelő technológiai mérnökök számára a grafit-alapú hőátadó berendezések robusztus megoldást jelentenek, amely kitölti a fémötvözetek és a fluorpolimer rendszerek közötti rést.

Mi az áthatolhatatlan grafit?

A szintetikus grafit természetes, porózus formájában nem alkalmas folyadékkezelésre. Sűrű, szivárgásmentes-anyag létrehozásához a porózus grafit szubsztrátot hőre keményedő gyantával- impregnálják, jellemzően fenolos, furános vagy PTFE-vel (politetrafluor-etilén). Az impregnálási eljárás lezárja a mikroszkopikus üregeket, ami egy merev, nem-porózus kompozitot eredményez, amelyet át nem eresztő grafitnak neveznek. Ez az anyag megőrzi a grafit kiváló hővezető képességét, miközben megőrzi a gyanta által biztosított korrózióállóságot.

Az át nem eresztő grafitnak két fő típusa áll rendelkezésre:

Fenolos{0}}impregnált grafit:A legelterjedtebb típus, amely a savak széles skálájára alkalmas, körülbelül 180–200 fokig (356–392 °F). A fenolgyanta jó vegyszerállóságot biztosít, de nem alkalmas erős oxidálószerekre.

PTFE{0}}impregnált grafit:Szélesebb körű kémiai kompatibilitást biztosít, különösen oxidáló savakkal és halogénekkel szemben. A PTFE impregnálás azonban kissé csökkenti a hővezető képességet a fenolos típusokhoz képest.

Legfontosabb előnyök a korrozív savszolgáltatásban

Kivételesen magas hővezető képesség

Az át nem eresztő grafit legmeghatározóbb tulajdonsága a hővezető képessége. A grafit hőcserélők a minőségtől és az impregnáltságtól függően körülbelül 80-120 W/m·K értéket érnek el. Összehasonlításképpen:

PTFE: ~0,25 W/m·K

Polipropilén: ~0,2 W/m·K

Rozsdamentes acél: ~15 W/m·K

Szénacél: ~50 W/m·K

A grafit hőcserélő maró sav szervizalkalmazás közvetlenül profitál ebből a magas vezetőképességből. A szükséges hőátadó felület drasztikusan kisebb, mint egy PTFE hőcserélőé ugyanarra a feladatra. Egy grafittömb hőcserélő egy-tizede lehet egy egyenértékű PTFE-héj-és-csőegység térfogatának. Ez a tömörség csökkenti a beépítési helyet, a csővezetékek költségeit és a hőfolyadék-készletet.

Széles savállóság

Az át nem eresztő grafit kiválóan ellenáll számos ásványi savanak, beleértve:

Sósav (HCl) minden koncentrációban és hőmérsékleten 180 fokig

Hidrofluorsav (HF) mérsékelt koncentrációig és hőmérsékletig

Foszforsav (H3PO4) minden koncentrációban

A kénsav (H₂SO₄) körülbelül 80-85% koncentrációig és 180 fok alatti hőmérsékletig (85% feletti koncentrációk és magasabb hőmérsékletek oxidálóvá válnak)

Ecetsav és egyéb szerves savak

A fémekkel ellentétben a grafit nem szenved lyukas, réskorróziós vagy feszültségkorróziós repedéstől a klorid{0}}tartalmú saváramokban. A PTFE-vel ellentétben a grafitot nem támadják meg a szerves oldószerek, és nyomás alatt sem átszivárog és nem kúszik.

Hőkerékpározással és hősokkokkal szembeni ellenállás (gondosan)

Míg a grafit eredendően törékeny, a megfelelően tervezett grafit hőcserélők jobban tolerálják a mérsékelt hőciklust, mint sok kerámia. A nagy hővezető képesség minimalizálja a hőmérsékleti gradienseket a grafittömbökön belül, csökkentve a hőfeszültséget. A gyors hőmérséklet-változások-különösen a kioltás-repedést okozhatnak. A tervezési irányelvek azt javasolják, hogy a hőmérséklet-változás sebességét percenként 5-10 fokra korlátozzák.

Korlátozások és cserék{0}}

Mechanikai törékenység

A legfontosabb kompromisszum-a mechanikai ridegség. A grafit hőcserélőkkel óvatosan kell bánni a telepítés, tisztítás és karbantartás során. Nem ellenállnak az erős mechanikai hatásoknak, a vibrációnak vagy a vízkalapácsnak. A csőcsatlakozásokhoz rugalmas csatlakozók vagy tágulási kötések szükségesek, hogy megakadályozzák a csőfeszültség átvitelét a grafitfúvókákra. Üzem közben kerülni kell a hirtelen nyomáslökéseket.

Oxidálószerekkel szembeni érzékenység

Fontos felismerni, hogy az áthatolhatatlan grafitot erős oxidálószerek támadják meg. A gyanta impregnáló (fenol vagy PTFE) és maga a grafit egyaránt érzékeny az oxidációra. A következő vegyszerek bomlást okoznak:

Concentrated nitric acid (>20%)

Krómsav

Hot concentrated sulfuric acid (>85% és 150 fok felett)

Halogének (klór, bróm) oxidáló körülmények között

Hidrogén-peroxid és egyéb peroxidok

Ózon

Az ilyen szolgáltatásokban a PTFE{0}}impregnált grafit némileg javított ellenállást kínál, de erősen oxidáló környezetben továbbra is a PTFE hőcserélők a biztonságosabb választás.

Maximális üzemi hőmérséklet

A maximális folyamatos üzemi hőmérséklet az impregnálószertől függ. A fenolos-impregnált grafit jellemzően 180–200 fokos (356–392 °F). A PTFE-impregnált grafit körülbelül 220 fokig (428 F) képes működni. Ezen hőmérséklet felett a gyanta lebomlik, ami az átjárhatóság elvesztéséhez és esetleges meghibásodásához vezet. Magasabb hőmérsékletű savas kiszolgáláshoz szilícium-karbid vagy más korszerű kerámia is szóba jöhet, bár lényegesen magasabb költséggel.

Nyomáskorlátozások

A grafit hőcserélők nem alkalmasak nagyon magas nyomásra. A tipikus tervezési nyomások 6 és 10 bar (90–150 psi) között mozognak a tömbcserélőknél, és akár 15 bar (220 psi) közötti tartományban a szénacél héjú héj{7}}és-csövek kialakításánál. Nagyobb nyomás esetén vastagabb grafit alkatrészekre van szükség, de a költségek és a gyártás bonyolultsága gyorsan nő.

Összehasonlítás: Grafit vs. PTFE hőcserélő

Az alábbi táblázat összefoglalja a legfontosabb különbségeket a grafit és a PTFE hőcserélők között a korrozív savakkal való használatra.

Gyakori hőcserélő konfigurációk

Blokk hőcserélők

A korrozív savszolgáltatás legszélesebb körben használt kialakítása a grafitblokk hőcserélő. Egy tömör grafittömböt fúrnak két merőleges járattal, -az egyik a korrozív sav, a másik pedig az üzemi folyadék (hűtővíz, gőz vagy hőolaj) számára. A blokk szénacél burkolatba van zárva. Ez a kialakítás nagyon nagy térfogategységenkénti felületet, kiváló ellenáramú áramlást és nem tömített kötéseket kínál a korrozív oldalon. A blokkcserélők alapfelszereltség a sósavhűtőkben, a foszforsavas elpárologtatókban és a HF-savas fűtőberendezésekben.

Shell{0}}és-csőgrafit hőcserélők

Nagyobb feladatokhoz, vagy ahol gondot okoz a cső-oldali elszennyeződése, grafithéj-és-csőcserélők állnak rendelkezésre. A grafitcsöveket (általában 12–25 mm átmérőjű) grafitcsőlemezekbe illesztik, amelyeket azután acélhéjba zárnak. A csövek külsõleg üvegszálas vagy szénszálas erõsítésûek lehetnek a nagyobb nyomásértékek elérése érdekében. Ezek a hőcserélők lehetővé teszik a cső belsejének mechanikus tisztítását.

Merülő tekercsek és bajonett fűtőtestek

A tartály fűtéséhez vagy hűtéséhez a grafit merülőtekercsek és a bajonettfűtők közvetlen érintkezést biztosítanak a korrozív savval. Pácolótartályokban, savtárolókban és reaktortartályokban használják.

Alkalmazások a felületkezelésben és a vegyi feldolgozásban

Sósavas fűtés és hűtés

Az acél pácoló sorokban a sósavat hevítik, hogy meggyorsítsák az oxid eltávolítását. A grafit hőcserélők a szabványos HCl-fűtők, amelyek 70-90 fokon megbízhatóan működnek 10-18%-os sósavval. Ugyanezek a hőcserélők lehűtik a kiégett savat a regenerálás előtt.

Hidrofluorsav szolgáltatás

A finomítók és fluorkémiai üzemek alkilezőegységei HF-savat használnak. A grafitblokk hőcserélők a HF folyadékot és gőzt is kezelik, feltéve, hogy a hőmérséklet 180 fok alatt marad, és a nedvességszintet szabályozzák. A PTFE is megfelelő, de a grafit nagyobb vezetőképessége sokkal kisebb egységeket tesz lehetővé.

Foszforsav koncentráció

A műtrágyagyártás során a foszforsavat több-hatású elpárologtatóban koncentrálják. A grafit hőcserélők fűtőként és kondenzátorként szolgálnak, ellenállva a foszforsav, fluoridok és szilícium-fluoridok korrozív keverékének.

Kénsavas hígításos hűtés

A tömény kénsav hígítása jelentős hőt termel. A grafitcserélők a hígított saváramot (60-80% H₂SO₄) hatékonyan hűtik, míg a fémcserélők gyorsan korrodálnak.

Tervezési és működési legjobb gyakorlatok

Az élettartam maximalizálása érdekében agrafit hőcserélő maró sav szerviztelepítéskor a következő gyakorlatok javasoltak:

Szereljen be nyomáscsökkentő eszközöketa beszorult folyadékok hőtágulása elleni védelemre.

Használjon rugalmas csőcsatlakozásokat(PTFE{0}}bélelt harmonika vagy gumi tágulási hézag) minden grafit fúvókánál.

Kerülje a gyors hőmérséklet-változásokat; szabályozza a gőz vagy a hűtővíz áramlási sebességét a hősokk korlátozása érdekében.

Megakadályozza a fagyástvíz vagy híg sav a hőcserélőben, mivel a jég tágulása megrepedheti a grafitot.

Rendszeresen ellenőrizzerepedés, könnyezés vagy a hőátadási teljesítmény megváltozása miatt. A kis szivárgások gyakran grafittal{1}}töltött epoxival javíthatók.

Győződjön meg arról, hogy a szervizfolyadék (hűtővíz) nem -oxidálódik; A klórozott víz idővel megtámadhatja a grafitot.

Következtetés

A grafit hőcserélők különálló rést szolgálnak, ahol a magas hővezetőképesség és a savállóság a legfontosabb, és ahol mechanikai törékenységük gondos tervezéssel és üzemeltetéssel kezelhető. Nem-oxidáló ásványi savak,-különösen sósav, fluorsav és foszforsav-akár 200 fokos hőmérsékleten és közepes nyomáson a grafit kompakt, termikusan hatékony alternatívát kínál a fluorpolimerekkel szemben. Az anyag oxidálószerekkel és mechanikai ütésekkel szembeni érzékenysége továbbra is az elsődleges korlát. Végső soron a korrozív savkezeléshez szükséges anyagok kiválasztása magában foglalja a termikus, mechanikai és kémiai tényezők kiegyensúlyozását. Ha nagy hőhatékonyságra és kompakt lábnyomra van szükség, és a saváram nem -oxidál, a grafit hőcserélő páratlan megoldás marad.