I hvilke industrier er grafit standardvarmevekslermaterialet og hvorfor?

Inden for visse sektorer er det let at specificere en grafitvarmeveksler. Grafit har været en arbejdshest i årtier og er det foretrukne materiale, hvor andre materialer ville fejle hurtigt eller ville være for dyre til at være praktiske. Hvor metaller rust og polymerer blødgøres eller mister termisk effektivitet, tilbyder uigennemtrængelig grafit (phenol- eller furanharpiks imprægneret) en unik kombination af høj varmeledningsevne, exceptionel korrosionsbestandighed under forskellige barske forhold og brugbarhed op til 200 grader og derover. Vi er nødt til at kende de præcise processer, hvor grafit fungerer bedre end noget andet materiale for at kende standardindustriens anvendelser af grafitvarmevekslere.

Førende nøglebrancher
Tre vigtige industrisektorer vælger konsekvent grafitvarmeveksleren som standardvalget. Stålbejdsning (saltsyre), koncentration af fosforsyre, tørring af klor. I hvert enkelt tilfælde er den bedste og mest økonomiske løsning grafit på grund af væskens ætsende natur, den høje temperatur og kravet om kompakt, effektiv varmeoverførsel.

BrancheKritisk væske Driftsbetingelser FejlResultat af substandard materiale
Stålbejdsning (HCl) Varm saltsyre 80–95 grader, op til 18% HCl Ofte med FeCl 2 Metalvekslere (titanium, tantal) korroderer hurtigt PTFE blødgør; kræver større enheder
Koncentration af fosforsyre Våd-procesfosforsyre med fluorider, chlorider, silica 100-160 grader, 40-54 % P2O5, tilstedeværelse af HF og H2SiF6 Glasforet stål udsat for angreb af fluorid; højlegerede metaller (Hastelloy) korroderer eller er for dyre
Våd klorgas + koncentreret svovlsyre 10–40 grader (kølepligt), stærkt oxiderende, surt kondensat Hurtig oxidation af metaller (nikkel, kobber, stål); ikke-metalliske valg (PTFE) har ingen termisk ledningsevne til kompakte tørrekølere
Stålbejdsning - Varm saltsyreservice
Stålbånd og trådbejdsning Varm saltsyre (normalt 10-18% HCl ved 80-95 grader) bruges til at fjerne jernoxidbelægninger. Syren er fyldt med ferrochlorid (FeCl2) og skal konstant opvarmes for at gøre processen effektiv samt afkøles i syreregenereringskredsløb. Metalliske varmevekslere som f.eks. titanium, tantal og zirconium lider af hurtig grubetæring, sprækkekorrosion eller brintskørhed forårsaget af varmt HCl. Nikkel-baserede legeringer opdeling i uger. PTFE-skal- og rørvekslere er modstandsdygtige over for det kemiske angreb, men de har to alvorlige ulemper:

Den lave varmeledningsevne (0,2 W/m·K vs. 100–120 W/m·K for grafit) betyder, at enheder er store og pladskrævende-.

Temperaturbegrænsning: PTFE blødgør og kryber over omkring 110 grader og er derfor ikke velegnet til højtemperaturbejdsning eller regenereringskedelaktiviteter.

Grafitblok eller skal- og rørvarmevekslere kan sikkert arbejde ved 95 grader og kan tolerere korte ture til 120-130 grader. Den kompakte størrelse gør det nemt at integrere enhederne i eksisterende bejdselinjer. Levetiden i HCl-service er 10-20 år for hundredvis af installationer rundt om i verden. Grafit er således standardmaterialet til bejdsning af syrevarmere, kølere og regenereringssystemers varmevekslere. Hvor PTFE teoretisk kunne fungere, favoriserer den større størrelse og højere installationsomkostninger ved en PTFE-enhed ofte grafit.

Fosforsyrekoncentration: Arbejde med høje temperaturer og fluorider
Våd-procesphosphorsyre (WPA) fremstilles ved at reagere fosfatsten med svovlsyre. Den opnåede syre indeholder betydelige mængder urenheder: fluorider (som HF og H2SiF6), chlorider og metalsulfater. Koncentration fra omkring 28 % P₂O₅ til handelsvare-kvalitet 54 % P₂O₅ udføres under vakuum eller atmosfærisk tryk ved temperaturer op til 160 grader. Fluoridindholdet vil aggressivt angribe silicium{10}}holdige materialer (glas, glas-foret stål) og mange specielle legeringer.

Grafitvarmevekslere bruges i vid udstrækning som varmelegemer, fordamperkalandria og kondensatorkølere i fosforsyreanlæg. Grafit er blevet standard af: Årsager omfatter:

Fluorresistens: Grafit påvirkes ikke af HF eller fluorkiselsyre i koncentrationer og temperaturer, der opleves i WPA-koncentration.

Høj temperaturbestandighed: Grafit bevarer sin mekaniske styrke og korrosionsbestandighed op til 170-200 grader, og dækker alle anvendelser med fosforsyrekoncentration.

Termisk ledningsevnefordel: Grafit er en god varmeleder, og dette er et plus for fordamperdesign, da det betyder mindre overfladeareal og mindre beholderstørrelser.

PTFE modstår også fluorider, men PTFE varmevekslere er sjældent efterspurgt i denne branche. Hovedproblemet er det væsentligt større fodaftryk for den samme opgave. Til fosforsyreanlæg i stor skala (hundredetusindvis tons pr. år) er pladsen begrænset, og støttestrukturer til enorme PTFE-vekslere er ikke økonomisk attraktive. PTFE har også en maksimal temperaturgrænse på ~180 grader, hvilket giver en lille margin til forstyrrede situationer. Grafit sidder mellem eksotiske metaller (som korroderer for hurtigt) og polymerer med lavere temperatur (som kræver for meget areal).

Klortørring: Kølebestandig mod oxidation
I chloralkalianlæg er klorgassen, der produceres ved membran- eller diafragmaelektrolyse, mættet med vanddamp. Vådt klor er ret ætsende og danner underklor og saltsyre. Det våde klor tørres i pakkede tårne ​​ved kontakt med stærk svovlsyre (98-99%). Den resulterende tørre klorgas (med sporsyretåge) skal afkøles før kompression eller yderligere behandling. Klorkølere nedstrøms for tørretårnene er grafitskal-og-rørvarmevekslere.

Hvorfor grafit i første omgang? Den afkølede gas omfatter tørt klor og resterende svovlsyredamp og kondensat. Denne blanding er et kraftigt oxidationsmiddel og vil angribe de fleste metaller. Kobber, stål og nikkel korroderer hurtigt. Tantal er modstandsdygtigt, men alligevel for dyrt til betydelige varmeoverførselsoverflader. Kemisk resistent, PTFE kan ikke levere den kompakte, højeffektive køling, der er nødvendig for at kondensere syretåge og kontrollere gastemperaturen. Den høje varmeledningsevne af grafit muliggør kompakte, billige kølere, som let kan tilføjes til klortørringstoget.

Klorservice har også været et område, hvor grafitvarmevekslere har været anvendt i over 50 år, med en vel-etableret sikkerhed og pålidelighed. I klor-alkalisektoren specificerer procesingeniører normalt grafitkølere som en selvfølge og tænker sjældent på alternative materialemuligheder.

Hvorfor PTFE ikke er standard
PTFE har exceptionel kemisk resistens, så hvorfor er grafit stadig det sædvanlige valg i disse industrier? Hvorfor ikke PTFE? Forklaringen kommer ned til tre PTFE-begrænsninger:

Temperaturloft: PTFE vil blødgøres og begynde at glide under tryk over ca. 110-120 C. Kontinuerlig drift ved 150 grader er ikke tænkelig. Grafit er stabilt mindst op til 200 C.

Termisk ledningsevne: Den meget lave varmeledningsevne af PTFE nødvendiggør enorme områder til varmeoverførsel. Til applikationer, hvor der er brug for hundredvis af kvadratmeter, bliver en PTFE-enhed ret stor, tung og dyr at installere.

Mekanisk robusthed: Grafitblokkene og skal-og-rørenhederne tilbyder fast, pålidelig støtte til rørplader og pakninger. Omhyggelig spænding af PTFE-rørene er nødvendig, fordi de er mere tilbøjelige til mekanisk beskadigelse under rengøring.

Hvis temperaturgrænsen for PTFE ikke overskrides af applikationen, og pladsen ikke er et problem, kan PTFE vælges. Men i de tre angivne sektorer, stålbejdsning, fosforsyrekoncentration og klortørring, gør kombinationen af ​​høj temperatur, høj korrosivitet og økonomisk nødvendighed for kompakt design grafit til standardvalget.

Rolle for historisk feltsucces
Graphites ledende rolle skyldes årtiers etableret felterfaring. Under sådanne besværlige procesforhold har grafit vist sig betydeligt mere pålidelig end noget alternativt materiale. Laboratoriedata driver ofte materialevalg, men det gør tidligere felterfaring også. Ingeniører, der specificerer udstyr til en ny pickleline, fosforsyrefordamper eller klorkøletog, holder sig generelt til industrinormen for grafit, da enhver afvigelse fra dette niveau er unødvendig risiko.

Sammenfattende konklusion
Grafitvarmevekslere er det sædvanlige materiale i stålbejdsning (varm HCl), fosforsyrekoncentration (varm, fluorholdig syre) og klortørring (våd klor med svovlsyre). Grafit tilbyder en kombination af kemisk resistens, høj termisk ledningsevne og temperaturkapacitet, som ikke kan matches af andre materialer (metaller, PTFE, glas) over hele spektret af procesbetingelser i hver situation. PTFE er bedre i kemisk inertitet ved lavere temperaturer, men dets dårlige varmeledningsevne og temperaturgrænser gør det uegnet som erstatning for grafit i disse krævende applikationer. Grafitvarmevekslerens standardindustristatus er ikke et uheld-den er baseret på årtiers pålidelig, omkostningseffektiv-service, hvor alternativer gentagne gange har undladt at levere.