Ja temperatūra vai spiediens pārsniedz fluorpolimēru praktiskās robežas vai ja ir nepieciešama visaugstākā iespējamā termiskā efektivitāte, grafīta siltummaiņi kļūst par vadošo kandidātu kodīgas skābes apkalpošanai. Necaurlaidīgs grafīts piedāvā unikālu izturību pret koroziju un metālisku -siltuma vadītspēju. Procesu inženieriem, kas apstrādā sālsskābes, fluorūdeņražskābes, fosforskābes vai sērskābes plūsmas paaugstinātā temperatūrā un spiedienā, grafīta-siltuma pārneses iekārtas nodrošina stabilu risinājumu, kas aizpilda plaisu starp metālu sakausējumiem un fluorpolimēru sistēmām.
Kas ir necaurlaidīgs grafīts?
Sintētiskais grafīts tā dabiskajā, porainajā formā nav piemērots šķidruma apstrādei. Lai izveidotu blīvu, necaurlaidīgu materiālu, porainais grafīta substrāts ir piesūcināts ar termoreaktīviem sveķiem, kas parasti ir fenola, furāna vai PTFE (politetrafluoretilēna). Impregnēšanas procesā tiek noslēgti mikroskopiski tukšumi, kā rezultātā veidojas stingrs, ne-porains kompozīts, kas pazīstams kā necaurlaidīgs grafīts. Šis materiāls saglabā izcilo grafīta siltumvadītspēju, vienlaikus iegūstot sveķu radīto izturību pret koroziju.
Ir pieejami divi galvenie necaurlaidīgā grafīta veidi:
Fenols{0}}impregnēts grafīts:Visizplatītākais veids, kas piemērots plašam skābju diapazonam līdz aptuveni 180–200 grādiem (356–392 ° F). Fenola sveķi nodrošina labu ķīmisko izturību, bet nav piemēroti spēcīgiem oksidētājiem.
PTFE{0}}impregnēts grafīts:Piedāvā plašāku ķīmisko savietojamību, īpaši pret oksidējošām skābēm un halogēniem. Tomēr PTFE impregnēšana nedaudz samazina siltumvadītspēju salīdzinājumā ar fenola veidiem.
Galvenās priekšrocības kodīgo skābju servisā
Īpaši augsta siltumvadītspēja
Necaurlaidīga grafīta raksturīgākā īpašība ir tā siltumvadītspēja. Grafīta siltummaiņi sasniedz vērtības aptuveni 80–120 W/m·K atkarībā no pakāpes un impregnēšanas. Salīdzinājumam:
PTFE: ~0,25 W/m·K
Polipropilēns: ~0,2 W/m·K
Nerūsējošais tērauds: ~15 W/m·K
Oglekļa tērauds: ~50 W/m·K
A grafīta siltummaiņa kodīgas skābes servisspielietojums tieši gūst labumu no šīs augstās vadītspējas. Nepieciešamais siltuma pārneses virsmas laukums ir ievērojami mazāks nekā PTFE siltummainim tādam pašam pienākumam. Grafīta bloku siltummainis var būt viena -desmitā daļa no ekvivalenta PTFE apvalka-un-caurules vienības tilpuma. Šis kompaktums samazina uzstādīšanas vietu, cauruļvadu izmaksas un siltuma šķidruma krājumus.
Plaša skābes izturība
Necaurlaidīgs grafīts uzrāda izcilu izturību pret plašu minerālskābju klāstu, tostarp:
Sālsskābe (HCl) visās koncentrācijās un temperatūrās līdz 180 grādiem
Fluorūdeņražskābe (HF) līdz mērenai koncentrācijai un temperatūrai
Fosforskābe (H3PO4) visās koncentrācijās
Sērskābe (H₂SO₄) līdz aptuveni 80–85% koncentrācijai un temperatūrai zem 180 grādiem (koncentrācija virs 85% un paaugstināta temperatūra kļūst oksidējoša)
Etiķskābe un citas organiskās skābes
Atšķirībā no metāliem, grafīts necieš no punktveida korozijas, plaisu korozijas vai sprieguma korozijas plaisāšanas hlorīdu{0}}saturošās skābes plūsmās. Atšķirībā no PTFE, grafītu neuzbrūk organiskie šķīdinātāji, tas neiesūcas un nelīst zem spiediena.
Izturība pret termisko riteņbraukšanu un termisko triecienu (ar piesardzību)
Lai gan grafīts pēc savas būtības ir trausls, pareizi izstrādāti grafīta siltummaiņi labāk panes mērenu termisko ciklu nekā daudzi keramikas izstrādājumi. Augstā siltumvadītspēja samazina arī temperatūras gradientus grafīta blokos, samazinot termisko spriegumu. Tomēr straujas temperatūras izmaiņas-īpaši dzēšana-var izraisīt plaisāšanu. Projektēšanas vadlīnijas iesaka ierobežot temperatūras maiņas ātrumu līdz 5–10 grādiem minūtē.
Ierobežojumi un{0}}izmaiņas
Mehāniskā trauslums
Galvenais kompromiss{0}}ir mehāniskais trauslums. Uzstādīšanas, tīrīšanas un apkopes laikā ar grafīta siltummaiņiem jārīkojas uzmanīgi. Tie nevar izturēt smagu mehānisku triecienu, vibrāciju vai ūdens āmuru. Cauruļvadu savienojumiem ir nepieciešami elastīgi savienojumi vai kompensācijas savienojumi, lai novērstu cauruļu deformācijas pārnešanu uz grafīta sprauslām. Darbības laikā ir jāizvairās no pēkšņām spiediena pārspriegumiem.
Jutība pret oksidētājiem
Ir svarīgi atzīt, ka necaurlaidīgu grafītu uzbrūk spēcīgi oksidētāji. Sveķu impregnants (fenols vai PTFE) un pats grafīts ir jutīgi pret oksidēšanos. Degradāciju izraisa šādas ķīmiskās vielas:
Concentrated nitric acid (>20%)
Hromskābe
Hot concentrated sulfuric acid (>85% un virs 150 grādiem)
Halogēni (hlors, broms) oksidējošos apstākļos
Ūdeņraža peroksīds un citi peroksīdi
Ozons
Šādos pakalpojumos PTFE{0}}impregnētais grafīts piedāvā nedaudz uzlabotu pretestību, bet stipri oksidējošā vidē PTFE siltummaiņi joprojām ir drošāka izvēle.
Maksimālā apkalpošanas temperatūra
Maksimālā nepārtrauktā ekspluatācijas temperatūra ir atkarīga no impregnanta. Fenola-impregnētais grafīts parasti tiek novērtēts līdz 180–200 grādiem (356–392 grādi F). PTFE-impregnēts grafīts var darboties līdz aptuveni 220 grādiem (428 °F). Virs šīm temperatūrām sveķi noārdās, izraisot necaurlaidības zudumu un iespējamu atteici. Augstākas temperatūras skābes lietošanai var apsvērt silīcija karbīdu vai citu modernu keramiku, lai gan par ievērojami augstākām izmaksām.
Spiediena ierobežojumi
Grafīta siltummaiņi nav piemēroti ļoti augstam spiedienam. Tipiskais projektētais spiediens ir no 6 līdz 10 bāriem (90–150 psi) bloku apmainītājiem un līdz 15 bāriem (220 psi) korpusa{7}}un -cauruļu konstrukcijām ar oglekļa tērauda apvalkiem. Augstāks spiediens prasa biezākus grafīta komponentus, bet izmaksas un ražošanas sarežģītība strauji pieaug.
Salīdzinājums: grafīts pret PTFE siltummaini
Nākamajā tabulā ir apkopotas galvenās atšķirības starp grafīta un PTFE siltummaiņiem korozīvās skābes apkalpošanai.
| Īpašums | Grafīts (ar fenolu{0}}impregnēts) | PTFE |
|---|---|---|
| Siltumvadītspēja (W/m·K) | 80–120 | ~0.25 |
| Maksimālā temperatūra ( grādi ) | 180–200 | 200–260 |
| Maksimālais spiediens (bar) | 6–15 | 3–5 |
| Mehāniskā izturība | Trausls, zema triecienizturība | Mīksts, ar noslieci uz ložņu |
| Skābju izturība (ne{0}}oksidējoša) | Lieliski | Lieliski |
| Izturība pret skābēm | Poor (e.g., >20% HNO₃) | Lieliski |
| Šķīdinātāja izturība | Lieliski | Lieliski |
| Caurlaidība | Ļoti zems | Mērens (halogēni, gāzes) |
| Relatīvais lielums vienam un tam pašam pienākumam | Mazs, kompakts | Liels, apjomīgs |
| Relatīvās izmaksas (par pārsūtīto kW) | Mērens | Augsts (liela izmēra dēļ) |
| Remonta vienkāršība | Grūti (nepieciešama specializēta līmēšana) | Grūti (tipiska nomaiņa) |
Kopējās siltummaiņa konfigurācijas
Bloku siltummaiņi
Visplašāk izmantotais kodīgo skābju servisa dizains ir grafīta bloku siltummainis. Ciets grafīta bloks ir urbts ar diviem perpendikulāriem eju komplektiem, -viens kodīgajai skābei, otrs ekspluatācijas šķidrumam (dzesēšanas ūdens, tvaiks vai termiskā eļļa). Bloks ir ietverts oglekļa tērauda apvalkā. Šis dizains piedāvā ļoti lielu virsmas laukumu uz tilpuma vienību, lielisku pretstrāvas plūsmu un bez blīvējuma savienojumiem korozīvā pusē. Bloku apmainītāji ir standarta sālsskābes dzesētājos, fosforskābes iztvaicētājos un HF skābes sildītājos.
Korpusa-un-cauruļu grafīta siltummaiņi
Lielākiem pienākumiem vai gadījumos, kad ir bažas par cauruļu-sānu netīrumiem, ir pieejami grafīta apvalka-un-cauruļu apmainītāji. Grafīta caurules (parasti ar diametru 12–25 mm) ievieto grafīta cauruļu loksnēs, kuras pēc tam ievieto tērauda apvalkā. Lai nodrošinātu augstāku spiedienu, caurules var būt ārēji pastiprinātas ar stiklšķiedru vai oglekļa šķiedru. Šie siltummaiņi ļauj mehāniski tīrīt caurules iekšpusi.
Iegremdēšanas spoles un bajonetes sildītāji
Tvertnes sildīšanai vai dzesēšanai grafīta iegremdēšanas spoles un bajonetes sildītāji nodrošina tiešu kontaktu ar kodīgu skābi. Tos izmanto kodināšanas tvertnēs, skābes glabātavās un reaktoru tvertnēs.
Pielietojumi virsmu apstrādē un ķīmiskajā apstrādē
Sālsskābes sildīšana un dzesēšana
Tērauda kodināšanas līnijās sālsskābi karsē, lai paātrinātu oksīda noņemšanu. Grafīta siltummaiņi ir HCl sildītāju standarts, kas droši darbojas 70–90 grādu temperatūrā ar 10–18% HCl. Tie paši siltummaiņi atdzesē izlietoto skābi pirms reģenerācijas.
Fluorūdeņražskābes pakalpojums
Alkilēšanas iekārtās naftas pārstrādes rūpnīcās un fluorķīmiskajās rūpnīcās izmanto HF skābi. Grafīta bloku apmainītāji apstrādā gan šķidrumu, gan tvaiku HF, ja temperatūra saglabājas zem 180 grādiem un mitruma līmenis tiek kontrolēts. Piemērots ir arī PTFE, taču grafīta augstākā vadītspēja pieļauj daudz mazākas vienības.
Fosforskābes koncentrācija
Mēslošanas līdzekļu ražošanā fosforskābe tiek koncentrēta vairākos-efekta iztvaicētājos. Grafīta siltummaiņi kalpo kā sildītāji un kondensatori, kas ir izturīgi pret korozīvo fosforskābes, fluorīdu un siliciofluorīdu maisījumu.
Sērskābes atšķaidīšanas dzesēšana
Koncentrētas sērskābes atšķaidīšana rada ievērojamu siltumu. Grafīta apmaiņas ierīces efektīvi atdzesē atšķaidīto skābes plūsmu (60–80% H₂SO₄), savukārt metāla apmainītāji ātri korodē.
Dizaina un darbības paraugprakse
Lai maksimāli palielinātu agrafīta siltummaiņa kodīgas skābes servissUzstādīšanas laikā ir ieteicama šāda prakse:
Uzstādiet spiediena samazināšanas ierīceslai aizsargātu pret notverto šķidrumu termisko izplešanos.
Izmantojiet elastīgus cauruļvadu savienojumus(PTFE{0}}izklātas silfonas vai gumijas kompensācijas savienojumi) pie visām grafīta sprauslām.
Izvairieties no straujām temperatūras izmaiņām; kontrolēt tvaika vai dzesēšanas ūdens plūsmas ātrumu, lai ierobežotu termisko šoku.
Novērst sasalšanuūdens vai atšķaidīta skābe siltummainī, jo ledus izplešanās var saplaisāt grafītu.
Regulāri pārbaudietplaisāšanai, raudāšanai vai siltuma pārneses veiktspējas izmaiņām. Nelielas noplūdes bieži var novērst ar grafīta{1}}epoksīda pildījumu.
Pārliecinieties, vai apkopes šķidrums (dzesēšanas ūdens) nav -oksidējošs; hlorēts ūdens laika gaitā var uzbrukt grafītam.
Secinājums
Grafīta siltummaiņi kalpo atšķirīgā nišā, kur vissvarīgākā ir augsta siltumvadītspēja un skābes izturība, un kur to mehānisko trauslumu var pārvaldīt, rūpīgi izstrādājot un ekspluatējot. Grafīts piedāvā kompaktu, termiski efektīvu alternatīvu fluorpolimēriem ne-oksidējošām minerālskābēm-, jo īpaši sālsskābei, fluorūdeņražskābei un fosforskābēm-, ja temperatūra ir līdz 200 grādiem un mērens spiediens. Materiāla jutība pret oksidētājiem un mehāniskiem triecieniem joprojām ir galvenais ierobežojums. Galu galā materiālu izvēle korozīvās skābes apkalpošanai ietver termisko, mehānisko un ķīmisko faktoru līdzsvarošanu. Ja nepieciešama augsta termiskā efektivitāte un kompakts nospiedums un skābes plūsma nav -oksidējoša, grafīta siltummainis joprojām ir nepārspējams risinājums.
