Þegar hitastig eða þrýstingur fer yfir hagnýt mörk flúorfjölliða, eða þegar mesta mögulega hitauppstreymi er krafist, verða grafítvarmaskipti leiðandi frambjóðandi fyrir ætandi sýruþjónustu. Ógegnsætt grafít býður upp á einstaka blöndu af tæringarþoli og málmi-eins og varmaleiðni. Fyrir vinnslufræðinga sem meðhöndla salt-, flúor-, fosfór- eða brennisteinssýrustrauma við hærra hitastig og þrýsting, gefur grafít-varmaflutningsbúnaður öfluga lausn sem fyllir bilið milli málmblöndur og flúorfjölliðakerfa.
Hvað er ógegndræpi grafít?
Tilbúið grafít í náttúrulegu, gljúpu formi hentar ekki til meðhöndlunar vökva. Til að búa til þétt, leka-þétt efni er gljúpt grafít undirlagið gegndreypt með hitastillandi plastefni -venjulega fenól, fúran eða PTFE (pólýtetraflúoretýlen). Gegndreypingarferlið innsiglar smásæ tómarúm, sem leiðir til stífs, ó-gljúps samsetts efnis sem kallast ógegnsætt grafít. Þetta efni heldur framúrskarandi hitaleiðni grafíts á meðan það öðlast tæringarþol sem plastefnið gefur.
Tvær megingerðir af ógegndræpi grafíti eru fáanlegar:
Fenól-gegndreypt grafít:Algengasta tegundin, hentugur fyrir mikið úrval af sýrum allt að um það bil 180–200 gráður (356–392 gráður F). Fenólplastefni veitir góða efnaþol en hentar ekki sterkum oxunarefnum.
PTFE-gegndreypt grafít:Býður upp á víðtækari efnasamhæfi, sérstaklega gegn oxandi sýrum og halógenum. Hins vegar dregur PTFE gegndreyping lítillega úr hitaleiðni miðað við fenólgerðir.
Helstu kostir í ætandi sýruþjónustu
Einstaklega mikil hitaleiðni
Mest áberandi eiginleiki ógegnsæis grafíts er hitaleiðni þess. Grafítvarmaskiptir ná gildi á bilinu 80–120 W/m·K, allt eftir gráðu og gegndreypingu. Til samanburðar:
PTFE: ~0,25 W/m·K
Pólýprópýlen: ~0,2 W/m·K
Ryðfrítt stál: ~15 W/m·K
Kolefnisstál: ~50 W/m·K
A grafít varmaskipti ætandi sýru þjónustuumsókn nýtur beint góðs af þessari miklu leiðni. Nauðsynlegt varmaflutningsyfirborðsflatarmál er verulega minna en PTFE skipti fyrir sömu skyldu. Grafítblokkskiptir getur verið einn-tíundi af rúmmáli jafngildrar PTFE skel-og-röraeiningar. Þessi þéttleiki dregur úr uppsetningarplássi, lagnakostnaði og varmavökvabirgðum.
Breið sýruþol
Ógegnsætt grafít sýnir framúrskarandi viðnám gegn margs konar steinefnasýrum, þar á meðal:
Saltsýra (HCl) í öllum styrkjum og hitastigi allt að 180 gráður
Vatnsflúrsýra (HF) allt að meðallagi styrk og hitastig
Fosfórsýra (H₃PO4) í öllum styrkjum
Brennisteinssýra (H₂SO₄) allt að um það bil 80–85% styrk og hitastig undir 180 gráðum (styrkur yfir 85% og hækkað hitastig verða oxandi)
Ediksýra og aðrar lífrænar sýrur
Ólíkt málmum þjáist grafít ekki af gryfju, sprungutæringu eða spennutæringu í klóríð-innihaldandi sýrustraumum. Ólíkt PTFE ræðst grafít ekki af lífrænum leysum, né heldur gegnsýrir það eða skríður undir þrýstingi.
Viðnám gegn hitauppstreymi og hitalost (með aðgát)
Þó að grafít sé í eðli sínu brothætt, þola rétt hönnuð grafítvarmaskipti í meðallagi hitauppstreymi betur en mörg keramik. Hin mikla hitaleiðni lágmarkar einnig hitastig innan grafítblokkanna og dregur úr hitaálagi. Hins vegar geta hraðar hitabreytingar-sérstaklega slökkt- valdið sprungum. Hönnunarleiðbeiningar mæla með því að takmarka hitabreytingarhraða við 5–10 gráður á mínútu.
Takmarkanir og viðskipti-afföll
Vélræn viðkvæmni
Lykilatriði-viðskipta er vélrænni stökkleiki. Fara verður varlega með grafítvarmaskipti við uppsetningu, hreinsun og viðhald. Þeir þola ekki mikla vélrænni högg, titring eða vatnsham. Lagnatengingar krefjast sveigjanlegra tenginga eða þenslutenginga til að koma í veg fyrir að pípaspennur berist í grafítstútana. Á meðan á aðgerð stendur verður að forðast skyndilega þrýstingshækkun.
Næmni fyrir oxunarefnum
Það er mikilvægt að viðurkenna að gegndræpi grafít er ráðist af sterkum oxunarefnum. Kvoða gegndreypið (fenól eða PTFE) og grafítið sjálft eru bæði næm fyrir oxun. Eftirfarandi efni valda niðurbroti:
Concentrated nitric acid (>20%)
Krómsýra
Hot concentrated sulfuric acid (>85% og yfir 150 gráður)
Halógen (klór, bróm) við oxandi aðstæður
Vetnisperoxíð og önnur peroxíð
Óson
Í slíkri þjónustu býður PTFE-gegndreypt grafít örlítið bætta viðnám, en fyrir mjög oxandi umhverfi eru PTFE varmaskiptar áfram öruggari kosturinn.
Hámarks þjónustuhitastig
Hámarks stöðugt notkunarhitastig fer eftir gegndreypingu. Fenól-gegndreypt grafít er venjulega metið í 180–200 gráður (356–392 gráður F). PTFE-gegndreypt grafít getur starfað í um það bil 220 gráður (428 gráður F). Yfir þessum hitastigum brotnar plastefnið niður, sem leiðir til taps á ógegndræpi og að lokum bilunar. Fyrir sýruþjónustu við hærra hitastig má íhuga kísilkarbíð eða annað háþróað keramik, þó með verulega hærri kostnaði.
Þrýstitakmarkanir
Grafítvarmaskiptar henta ekki fyrir mjög háan þrýsting. Dæmigerður hönnunarþrýstingur er á bilinu 6 til 10 bör (90–150 psi) fyrir blokkaskipti og allt að 15 bör (220 psi) fyrir skel- og -rörhönnun með kolefnisstálskeljum. Hærri þrýstingur krefst þykkari grafíthluta, en kostnaður og flókið framleiðslu aukast hratt.
Samanburður: Grafít vs. PTFE hitaskipti
Eftirfarandi tafla tekur saman lykilmuninn á grafít- og PTFE-varmaskiptum fyrir ætandi sýruþjónustu.
| Eign | Grafít (fenól-gegndreypt) | PTFE |
|---|---|---|
| Varmaleiðni (W/m·K) | 80–120 | ~0.25 |
| Hámarkshiti (gráða) | 180–200 | 200–260 |
| Hámarksþrýstingur (bar) | 6–15 | 3–5 |
| Vélrænn styrkur | Brothætt, lítið höggþol | Mjúk, hætt við að skríða |
| Sýruþol (ekki-oxandi) | Frábært | Frábært |
| Oxandi sýruþol | Poor (e.g., >20% HNO₃) | Frábært |
| Leysiþol | Frábært | Frábært |
| gegndræpi | Mjög lágt | Í meðallagi (halógen, lofttegundir) |
| Hlutfallsleg stærð fyrir sömu skyldu | Lítil, þéttur | Stór, fyrirferðarmikill |
| Hlutfallslegur kostnaður (á hvert flutt kW) | Í meðallagi | Hátt (vegna stórrar stærðar) |
| Auðveld viðgerð | Erfitt (þarfnast sérhæfðrar tengingar) | Erfitt ( dæmigerð skipti ) |
Algengar stillingar hitaskipta
Block varmaskipti
Mest notaða hönnunin fyrir ætandi sýruþjónustu er grafítblokkvarmaskiptirinn. Boraður er grafítblokkur með tveimur hornréttum göngum-einni fyrir ætandi sýru, annar fyrir þjónustuvökvann (kælivatn, gufu eða varmaolíu). Kubburinn er lokaður í kolefnisstálskel. Þessi hönnun býður upp á mjög mikið yfirborð á hverja rúmmálseiningu, frábært mótstraumsflæði og engar þéttingar á ætandi hliðinni. Blokkskipti eru staðalbúnaður í saltsýrukælum, fosfórsýruuppgufunartækjum og HF sýruhitara.
Skeljar-og-Tube Graphite Hitaskiptarar
Fyrir stærri störf eða þar sem óhreinindi á slöngu-hliðar eru áhyggjuefni, eru grafítskeljar-og-röraskiptir fáanlegir. Grafítrör (venjulega 12–25 mm í þvermál) eru settar í grafítrörplötur, sem síðan eru lokaðar í stálskel. Rörin geta verið styrkt að utan með trefjagleri eða koltrefjum fyrir hærri þrýstingsstig. Þessir skiptarar leyfa vélrænni hreinsun innanhúss rörsins.
Dýfingarspólur og Bayonet hitari
Fyrir upphitun eða kælingu tanka veita grafítdýfingarspólur og bajonethitarar beina snertingu við ætandi sýru. Þau eru notuð í súrsunargeymum, sýrugeymslum og reactorílátum.
Notkun í yfirborðsfrágangi og efnavinnslu
Saltsýra hitun og kæling
Í stálsýringarlínum er saltsýra hituð til að flýta fyrir fjarlægingu oxíðs. Grafítvarmaskiptir eru staðall fyrir HCl hitara, virka á áreiðanlegan hátt við 70–90 gráður með 10–18% HCl. Sömu skiptistöðvar kæla notaða sýru fyrir endurnýjun.
Flúorsýruþjónusta
Alkýleringareiningar í hreinsunarstöðvum og flúorefnaverksmiðjum nota HF-sýru. Grafítblokkaskiptarar meðhöndla bæði vökva- og gufu-HF, að því tilskildu að hitastig haldist undir 180 gráðum og rakastigi sé stjórnað. PTFE hentar líka, en meiri leiðni grafíts gerir mun minni einingar.
Styrkur fosfórsýra
Við áburðarframleiðslu er fosfórsýra þétt í mörgum -virkum uppgufunartækjum. Grafítvarmaskiptar þjóna sem hitari og eimsvalar og standast ætandi blöndu af fosfórsýru, flúoríðum og kísilflúoríðum.
Brennisteinssýruþynningarkæling
Þynning óblandaðri brennisteinssýru myndar verulegan hita. Grafítskipti kæla þynnta sýrustrauminn (60–80% H₂SO₄) á skilvirkan hátt, en málmskipti myndu tærast hratt.
Bestu starfsvenjur í hönnun og rekstri
Til að hámarka endingartíma agrafít varmaskipti ætandi sýru þjónustuuppsetningu er mælt með eftirfarandi aðferðum:
Settu upp þrýstilokunarbúnaðtil að vernda gegn varmaþenslu föstum vökva.
Notaðu sveigjanlegar lagnatengingar(PTFE-fóðraður belg eða gúmmíþenslusamskeyti) við alla grafítstúta.
Forðastu hraðar hitabreytingar; stjórna gufu- eða kælivatnsrennsli til að takmarka hitaáfall.
Komið í veg fyrir frostaf vatni eða þynntri sýru inni í skiptinum, þar sem ísþensla getur sprungið grafít.
Skoðaðu reglulegafyrir sprungur, grátur eða breytingar á hitaflutningsgetu. Oft er hægt að laga litla leka með grafít-fylltu epoxýi.
Gakktu úr skugga um að þjónustuvökvinn (kælivatn) sé ekki-oxandi; klórað vatn getur ráðist á grafít með tímanum.
Niðurstaða
Grafítvarmaskipti þjóna sérstökum sess þar sem mikil varmaleiðni og sýruþol eru í fyrirrúmi og þar sem hægt er að stjórna vélrænni viðkvæmni þeirra með vandaðri hönnun og notkun. Fyrir ó-oxandi steinefnasýrur-sérstaklega salt-, flúor- og fosfórsýrur-við hitastig allt að 200 gráður og hóflegan þrýsting, býður grafít upp á fyrirferðarlítinn, varmahagkvæman valkost við flúorfjölliður. Viðkvæmni efnisins fyrir oxunarefnum og vélrænu losti er áfram aðaltakmörkunin. Að lokum, efnisval fyrir ætandi sýruþjónustu felur í sér jafnvægi í hitauppstreymi, vélrænni og efnafræðilegum þáttum. Þegar þörf er á mikilli hitauppstreymi og þéttu fótspori og sýrustraumurinn er ekki-oxandi, er grafítvarmaskiptin áfram óviðjafnanleg lausn.
