I vilka branscher är grafit standardvärmeväxlarmaterialet och varför?

Inom vissa sektorer är det ingen lätt sak att specificera en grafitvärmeväxlare. Grafit har varit en arbetshäst i decennier och är det valda materialet där andra material skulle misslyckas snabbt eller skulle vara för dyrt för att vara praktiskt. Där metaller rostar och polymerer mjuknar eller tappar termisk effektivitet, erbjuder ogenomtränglig grafit (fenol- eller furanhartsimpregnerad) en unik kombination av hög värmeledningsförmåga, exceptionell korrosionsbeständighet under olika svåra förhållanden och användbarhet upp till 200 grader och mer. Vi behöver känna till de exakta processerna där grafit fungerar bättre än något annat material för att känna till standardindustrins tillämpningar för grafitvärmeväxlare.

Ledande nyckelindustrier
Tre viktiga industrisektorer väljer konsekvent grafitvärmeväxlaren som standardval. Stålbetning (saltsyra), koncentration av fosforsyra, torkning av klor. I varje fall är den bästa och mest ekonomiska lösningen grafit på grund av vätskans korrosiva natur, den höga temperaturen och kravet på kompakt, effektiv värmeöverföring.

BranschKritisk vätska Driftsförhållanden FelResultat av undermåligt material
Stålbetning (HCl) Het saltsyra 80–95 grader , upp till 18% HCl Ofta med FeCl 2 Metallväxlare (titan, tantal) korroderar snabbt PTFE mjuknar; kräver större enheter
Koncentration av fosforsyra Fosforsyra i våt-process med fluorider, klorider, kiseldioxid 100-160 grader, 40-54 % P2O5, närvaro av HF och H2SiF6 Glasfodrat stål utsatt för angrepp av fluorid; höglegerade metaller (Hastelloy) korroderar eller är för dyra
Våt klorgas + koncentrerad svavelsyra 10–40 grader (kyleffekt), starkt oxiderande, surt kondensat Snabb oxidation av metaller (nickel, koppar, stål); icke-metalliska val (PTFE) har ingen värmeledningsförmåga för kompakta torkkylare
Steel Betning - varm saltsyraservice
Stålband och trådbetning Varm saltsyra (vanligtvis 10–18 % HCl vid 80–95 grader) används för att avlägsna järnoxidskal. Syran är laddad med järn(II)klorid (FeCl2) och måste ständigt värmas upp för att göra processen effektiv samt kylas i syraregenereringsslingor. Metalliska värmeväxlare som de av titan, tantal och zirkonium lider av snabb gropbildning, spaltkorrosion eller väteförsprödning orsakad av het HCl. Nickel-baserade legeringar uppdelning i veckor. PTFE-skal- och rörväxlare är resistenta mot kemisk attack, men de har två allvarliga nackdelar:

Den låga värmeledningsförmågan (0,2 W/m·K vs. 100–120 W/m·K för grafit) gör att enheterna är stora och utrymmeskrävande-.

Temperaturbegränsning: PTFE mjuknar och kryper över runt 110 grader och är därför inte lämpad för högtemperaturbetning eller regenerering av pannaktiviteter.

Grafitblock eller skal och rörvärmeväxlare kan säkert arbeta i 95 grader och tål korta rörelser till 120-130 grader. Den kompakta storleken gör det enkelt att integrera enheterna i befintliga betningslinjer. Livslängden i HCl-service är 10-20 år för hundratals installationer runt om i världen. Grafit är alltså standardmaterialet för betning av syravärmare, kylare och värmeväxlare för regenereringssystem. Där PTFE teoretiskt skulle kunna fungera, gynnar den större storleken och högre installationskostnaden för en PTFE-enhet ofta grafit.

Fosforsyrakoncentration: Arbeta med höga temperaturer och fluorider
Fosforsyra i våt-process (WPA) framställs genom att fosfatsten reagerar med svavelsyra. Den erhållna syran innehåller avsevärda mängder föroreningar: fluorider (som HF och H2SiF6), klorider och metallsulfater. Koncentration från cirka 28 % P₂O₅ till handels-kvalitet 54 % P₂O5 utförs under vakuum eller atmosfärstryck vid temperaturer upp till 160 grader. Fluoridhalten kommer aggressivt att angripa kiselinnehållande material (glas, glas-fodrat stål) och många speciallegeringar.

Grafitvärmeväxlare används i stor utsträckning som värmare, evaporator calandria och kondensorkylare i fosforsyraanläggningar. Grafit har blivit standard av: Skälen inkluderar:

Fluorresistens: Grafit påverkas inte av HF eller fluorkiselsyra i koncentrationer och temperaturer som upplevs i WPA-koncentration.

Hög temperaturbeständighet: Grafit behåller sin mekaniska hållfasthet och korrosionsbeständighet upp till 170-200 grader, vilket täcker alla applikationer med fosforsyrakoncentration.

Värmeledningsförmåga: Grafit är en bra värmeledare och detta är ett plus för förångares konstruktioner eftersom det innebär mindre yta och mindre kärlstorlekar.

PTFE motstår även fluorider, men PTFE-värmeväxlare efterfrågas sällan i denna verksamhet. Huvudfrågan är det väsentligt större fotavtrycket för samma uppgift. För storskaliga fosforsyraanläggningar (hundratusentals ton per år) är utrymmet begränsat och stödstrukturer för enorma PTFE-växlare är inte ekonomiskt attraktiva. PTFE har också en maximal temperaturgräns på ~180 grader, vilket ger liten marginal för störda situationer. Grafit sitter mellan exotiska metaller (som korroderar för snabbt) och polymerer med lägre temperatur (som kräver för mycket yta).

Klortorkning: kylningsbeständig mot oxidation
I kloralkalianläggningar är klorgasen som produceras genom membran- eller diafragmaelektrolys mättad med vattenånga. Vått klor är ganska frätande och bildar underklor och saltsyra. Det våta kloret torkas i packade torn genom kontakt med stark svavelsyra (98-99%). Den resulterande torra klorgasen (med spårsyradimma) måste kylas före komprimering eller vidare bearbetning. Klorkylare nedströms torktornen är grafitskal-och rörvärmeväxlare.

Varför grafit i första hand? Den kylda gasen består av torrt klor och kvarvarande svavelsyraånga och kondensat. Denna blandning är ett kraftfullt oxidationsmedel och angriper de flesta metaller. Koppar, stål och nickel korroderar snabbt. Tantal är resistent men ändå för dyrt för betydande värmeöverföringsytor. Kemiskt resistent, PTFE kan inte ge den kompakta, högeffektiva kylning som behövs för att kondensera sur dimma och kontrollera gastemperaturen. Den höga värmeledningsförmågan hos grafit tillåter kompakta billiga kylare som lätt kan läggas till klortorkningståget.

Klorservice har också varit ett område där grafitvärmeväxlare har använts i över 50 år, med en väl-etablerad säkerhet och tillförlitlighet. Inom klor-alkali-sektorn anger processingenjörer vanligtvis grafitkylare som en självklarhet, och tänker sällan på alternativa materialalternativ.

Varför PTFE inte är standard
PTFE har exceptionell kemikalieresistens, så varför är grafit fortfarande det vanliga valet i dessa industrier? Varför inte PTFE? Förklaringen kommer ner till tre PTFE-begränsningar:

Temperaturtak: PTFE kommer att mjukna och börja glida under tryck över ca 110-120 C Kontinuerlig drift vid 150 grader är inte tänkbar. Grafit är stabilt åtminstone upp till 200 C.

Värmeledningsförmåga: Den mycket låga värmeledningsförmågan hos PTFE kräver enorma områden för värmeöverföring. För applikationer där det behövs hundratals kvadratmeter blir en PTFE-enhet ganska stor, tung och dyr att installera.

Mekanisk robusthet: Grafitblocken och skal-och-rörenheterna ger ett stadigt, pålitligt stöd för tubplåtar och packningar. Noggrann spänning av PTFE-rören är nödvändig eftersom de är mer benägna att få mekanisk skada under rengöring.

Om temperaturgränsen för PTFE inte överskrids av applikationen och utrymmet inte är ett problem, kan PTFE väljas. Men i de tre angivna sektorerna, stålbetning, fosforsyrakoncentration och klortorkning, gör kombinationen av hög temperatur, hög korrosivitet och ekonomisk nödvändighet för kompakt design grafit till standardvalet.

Roll av historisk fältframgång
Graphites ledande roll beror på årtionden av etablerad fälterfarenhet. Under sådana svåra processförhållanden har grafit visat sig vara betydligt mer tillförlitlig än något alternativt material. Laboratoriedata driver ofta materialval, men det gör även tidigare erfarenhet från fältet. Ingenjörer som specificerar utrustning för en ny inläggningslinje, fosforsyraindunstare eller klorkylningståg håller i allmänhet fast vid industrinormen för grafit, eftersom varje avvikelse från den nivån är en onödig risk.

Sammanfattning slutsats
Grafitvärmeväxlare är det vanliga materialet i stålbetning (varm HCl), fosforsyrakoncentration (het, fluorhaltig syra) och klortorkning (våt klor med svavelsyra). Grafit erbjuder en kombination av kemisk beständighet, hög värmeledningsförmåga och temperaturförmåga som inte kan matchas av andra material (metaller, PTFE, glas) över hela spektrumet av processförhållanden i varje situation. PTFE är bättre i kemisk tröghet vid lägre temperaturer, men dess dåliga värmeledningsförmåga och temperaturgränser gör den olämplig som ersättning för grafit i dessa krävande applikationer. Grafitvärmeväxlarens standardindustristatus är inte en olycka-den är baserad på årtionden av pålitlig, kostnadseffektiv-service där alternativen upprepade gånger har misslyckats.