Í hvaða atvinnugreinum er grafít sjálfgefið varmaskiptaefni og hvers vegna?

Í ákveðnum geirum er ekkert mál að tilgreina grafítvarmaskipti.- Grafít hefur verið vinnuhestur í áratugi og er valið efni þar sem önnur efni myndu bila fljótt eða væru of dýr til að vera hagnýt. Þar sem málmar ryð og fjölliður mýkjast eða missa hitauppstreymi, býður ógegndræpt grafít (fenól- eða fúran plastefni gegndreypt) upp á einstaka samsetningu af mikilli hitaleiðni, einstakri tæringarþol við ýmsar erfiðar aðstæður og nothæfi allt að 200 gráður og meira. Við þurfum að þekkja nákvæma ferla þar sem grafít virkar betur en nokkurt annað efni til að þekkja sjálfgefna iðnaðarnotkun grafítvarmaskipta.

Leiðandi lykilatvinnugreinar
Þrjár lykiliðnaðargreinar velja grafítvarmaskipti sem sjálfgefið val. Stálsýring (saltsýra), styrkur fosfórsýru, þurrkun klórs. Í hverju tilviki er grafít besta og hagkvæmasta lausnin vegna ætandi eðlis vökvans, hás hitastigs og kröfunnar um þéttan, skilvirkan hitaflutning.

IndustryCritical Fluid Notkunarskilyrði Bilun Niðurstaða ófullnægjandi efnis
Steel Pickling (HCl) Heitt saltsýra 80–95 gráður , allt að 18% HCl Oft með FeCl 2Málskipti (títan, tantal) tærast hratt PTFE mýkist; krefst stærri eininga
Styrkur fosfórsýru Blaut-framleiðsla fosfórsýra með flúoríðum, klóríðum, kísil 100-160 gráður, 40-54% P2O5, nærvera HF og H2SiF6 Glerfóðrað stál sem verður fyrir árás af flúoríði; háblendimálmar (Hastelloy) tærast eða eru of dýrir
Blautt klórgas + óblandaðri brennisteinssýra 10–40 gráður (kæliskylda), mjög oxandi, súrt þéttivatn Hröð oxun málma (nikkel, kopar, stál); non-málmval (PTFE) hefur enga hitaleiðni fyrir þétta þurrkkælara
Stálsýring - heit saltsýruþjónusta
Stálræmur og vírsýring Heitt saltsýra (venjulega 10–18% HCl við 80–95 gráður) er notað til að fjarlægja járnoxíðshrist. Sýran er hlaðin járnklóríði (FeCl2) og þarf að hita hana stöðugt til að gera ferlið skilvirkt auk þess að kæla hana í sýruendurnýjunarlykkjum. Málmvarmaskipti eins og títan, tantal og sirkon þjást af hröðum holum, tæringu á rifum eða vetnisbroti af völdum heits HCl. Nikkel-undirstaða málmblöndur sundurliðun í vikum. PTFE skel og slönguskipti eru ónæm fyrir efnaárásinni, en þeir hafa tvo alvarlega ókosti:

Lág hitaleiðni (0,2 W/m·K á móti. 100–120 W/m·K fyrir grafít) þýðir að einingar eru stórar og plássfrekar-.

Hitatakmörkun: PTFE mýkir og skríður yfir um 110 gráður og hentar því ekki fyrir háhita súrsun eða endurnýjun ketils.

Grafítblokkir eða skel- og rörvarmaskiptar geta örugglega unnið við 95 gráður og þolir stuttar ferðir upp í 120-130 gráður. Fyrirferðarlítil stærð gerir það auðvelt að samþætta einingarnar í núverandi súrsunarlínur. Þjónustulífið í HCl þjónustu er 10-20 ár fyrir hundruð mannvirkja um allan heim. Grafít er því staðlað efni fyrir súrsun sýruhitara, kælara og endurnýjunarkerfisvarmaskipta. Þar sem PTFE gæti fræðilega virkað, er stærri stærðin og hærri uppsetningarkostnaður PTFE eininga ívilnandi grafíti.

Fosfórsýrustyrkur: Vinnur með háum hita og flúoríðum
Fosfórsýra í blautri-ferli (WPA) er gerð með því að hvarfa fosfatberg við brennisteinssýru. Sýran sem fæst inniheldur talsvert magn af óhreinindum: flúoríð (sem HF og H2SiF6), klóríð og málmsúlföt. Styrkur frá um 28% P₂O₅ til kaupmanns-gráðu 54% P₂O₅ fer fram undir lofttæmi eða andrúmsloftsþrýstingi við hitastig allt að 160 gráður. Flúoríðinnihaldið mun ráðast harkalega á efni sem innihalda kísil- (gler, gler-fóðrað stál) og margar sérstakar málmblöndur.

Grafítvarmaskiptir eru mikið notaðir sem hitarar, uppgufunarkalandria og eimsvalakælarar í fosfórsýruaðstöðu. Grafít er orðið sjálfgefið af: Ástæður eru ma:

Flúorviðnám: Grafít er ekki fyrir áhrifum af HF eða flúkísilsýru í styrk og hitastigi sem er í WPA styrk.

Háhitaþol: Grafít heldur vélrænni styrk og tæringarþol allt að 170-200 gráður, sem nær yfir alla notkun fosfórsýrustyrks.

Kostur við hitaleiðni: Grafít er góður hitaleiðari og þetta er plús fyrir uppgufunarhönnun þar sem það þýðir minna yfirborð og minni skipastærðir.

PTFE þolir einnig flúoríð, hins vegar er sjaldan beðið um PTFE varmaskipti í þessum viðskiptum. Aðalatriðið er umtalsvert meira fótspor fyrir sama verkefni. Fyrir fosfórsýruaðstöðu í stórum stíl (hundruð þúsunda tonna á ári) er pláss takmarkað og burðarvirki fyrir risastóra PTFE skiptara eru ekki efnahagslega aðlaðandi. PTFE hefur einnig hámarkshitastig upp á ~180 gráður, sem býður upp á litla framlegð fyrir truflaðar aðstæður. Grafít situr á milli framandi málma (sem tærast of hratt) og fjölliða með lægri hita (sem krefjast of mikið svæði).

Klórþurrkun: kælingarþolin gegn oxun
Í klóralkalíverksmiðjum er klórgasið sem framleitt er með himnu- eða þind rafgreiningu mettað með vatnsgufu. Blautur klór er frekar ætandi og myndar hýpklór og saltsýru. Blautur klórinn er þurrkaður í pakkaðri turnum með snertingu við sterka brennisteinssýru (98-99%). Þurrt klórgasið sem myndast (með snefilsýruúða) verður að kæla fyrir þjöppun eða frekari vinnslu. Klórkælarar neðan við þurrkturnana eru grafítskeljar-og rörhitaskiptarar.

Af hverju grafít í fyrsta lagi? Kælda gasið samanstendur af þurru klór og leifar brennisteinssýrugufu og þéttivatni. Þessi blanda er öflugt oxunarefni og ræðst á flesta málma. Kopar, stál og nikkel tærast hratt. Tantal er ónæmt en samt of dýrt fyrir verulega hitaflutningsfleti. Efnafræðilega ónæmur, PTFE getur ekki veitt fyrirferðarlítið, afkastamikill kælingu sem þarf til að þétta sýru mist og stjórna gashita. Hátt hitaleiðni grafíts gerir kleift að fá fyrirferðarlítið ódýrt kælitæki sem auðvelt er að bæta við klórþurrkunarlestina.

Klórþjónusta hefur einnig verið svið þar sem grafítvarmaskiptir hafa verið notaðir í yfir 50 ár, með vel-staðfestu öryggis- og áreiðanleikastarfi. Í klór-alkalígeiranum tilgreina ferliverkfræðingar venjulega grafítkælara sem sjálfsagðan hlut og hugsa sjaldan um aðra efnisvalkosti.

Af hverju PTFE er ekki sjálfgefið
PTFE hefur óvenjulega efnaþol, svo hvers vegna er grafít enn venjulegur kostur í þessum atvinnugreinum? Af hverju ekki PTFE? Skýringin kemur niður á þremur PTFE takmörkunum:

Hitaloft: PTFE mun mýkjast og byrja að renna undir þrýstingi yfir um það bil 110-120 C Ekki er hægt að hugsa sér samfellda notkun við 150 gráður. Grafít er stöðugt að minnsta kosti allt að 200 C.

Varmaleiðni: Mjög lág hitaleiðni PTFE krefst mikils svæðis fyrir hitaflutning. Fyrir forrit þar sem þörf er á hundruðum fermetra, verður PTFE eining nokkuð stór, þung og dýr í uppsetningu.

Vélrænn styrkleiki: Grafítkubbarnir og skel-og-röraeiningarnar bjóða upp á traustan, áreiðanlegan stuðning fyrir rörplötur og þéttingar. Nauðsynlegt er að spenna PTFE slöngurnar vandlega vegna þess að þeim er hættara við vélrænni skemmdum við hreinsun.

Ef forritið fer ekki yfir hitastigsmörk PTFE og plássið er ekki áhyggjuefni, þá er hægt að velja PTFE. Hins vegar, í þeim þremur geirum sem tilgreindir eru, stál súrsun, styrkur fosfórsýru og klórþurrkun, gerir samsetningin af háum hita, mikilli ætandi virkni og efnahagslegri nauðsyn fyrir þétta hönnun grafít að sjálfgefnu vali.

Hlutverk sögulegrar velgengni á sviði
Leiðandi hlutverk Graphite er vegna áratuga langrar reynslu á sviði. Við slíkar erfiðar vinnsluaðstæður hefur grafít reynst verulega áreiðanlegra en nokkurt annað efni. Rannsóknarstofugögn knýja oft á efnisvali, en það gerir fyrri reynsla á vettvangi líka. Verkfræðingar sem tilgreina búnað fyrir nýja súrsuðulínu, fosfórsýru uppgufunartæki eða klórkælilest halda sig almennt við iðnaðarnorm grafíts, þar sem hvers kyns frávik frá því stigi er óþarfa áhætta.

Samantekt Niðurstaða
Grafítvarmaskiptar er venjulegt efni í stálsýringu (heitt HCl), fosfórsýrustyrk (heitt, sýru sem inniheldur flúor) og klórþurrkun (blautur klór með brennisteinssýru). Grafít býður upp á blöndu af efnaþoli, mikilli hitaleiðni og hitastigsgetu sem ekki er hægt að samræma við önnur efni (málmar, PTFE, gler) yfir allt svið vinnsluaðstæðna við hverja aðstæður. PTFE er betra í efnaleysi við lægra hitastig, en léleg hitaleiðni þess og hitamörk gera það óhentugt sem staðgengill fyrir grafít í þessum krefjandi notkun. Sjálfgefin iðnaðarstaða grafítvarmaskiptar er ekki tilviljun-það byggist á áratuga áreiðanlegri,-hagkvæmri þjónustu þar sem valkostir hafa ítrekað mistekist.