Kurās nozarēs grafīts ir noklusējuma siltummaiņa materiāls un kāpēc?

Noteiktās nozarēs grafīta siltummaiņa norādīšana ir jēga{0}}. Grafīts ir bijis darba zirgs gadu desmitiem un ir izvēlēts materiāls gadījumos, kad citi materiāli ātri sabojātos vai būtu pārāk dārgi, lai būtu praktiski. Ja metāli rūsa un polimēri mīkstina vai zaudē termisko efektivitāti, necaurlaidīgs grafīts (piesūcināts ar fenola vai furāna sveķiem) piedāvā unikālu kombināciju ar augstu siltumvadītspēju, izcilu izturību pret koroziju dažādos skarbos apstākļos un izmantojamību līdz 200 grādiem un augstāk. Mums ir jāzina precīzi procesi, kuros grafīts darbojas labāk nekā jebkurš cits materiāls, lai zinātu grafīta siltummaiņu noklusējuma pielietojumu nozarē.

Vadošās galvenās nozares
Trīs galvenās rūpniecības nozares konsekventi izvēlas grafīta siltummaini kā noklusējuma izvēli. Tērauda kodināšana (sālsskābe), fosforskābes koncentrēšana, hlora žāvēšana. Katrā gadījumā labākais un ekonomiskākais risinājums ir grafīts, jo šķidrumam ir korozija, augsta temperatūra un ir nepieciešama kompakta, efektīva siltuma pārnese.

Nozares kritisko šķidrumu darbības apstākļi, kas radušies kļūmeNestandarta materiāla rezultāts
Tērauda kodināšana (HCl) Karstā sālsskābe 80–95 grādi, līdz 18% HCl Bieži vien ar FeCl 2Metālu apmainītāji (titāns, tantals) ātri korodē PTFE mīkstina; nepieciešamas lielākas vienības
Fosforskābes koncentrācija Slapjā-apstrādes fosforskābe ar fluorīdiem, hlorīdiem, silīcija dioksīdu 100-160 grādi, 40-54% P2O5, HF un H2SiF6 ar stiklu pārklāts tērauds, kas pakļauts fluorīda iedarbībai; augsti leģētie metāli (Hastelloy) korodē vai ir pārāk dārgi
Slapjā hlora gāze + koncentrēta sērskābe 10–40 grādi (dzesēšanas jauda), stipri oksidējošs, skābs kondensāts Ātra metālu (niķeļa, vara, tērauda) oksidēšanās; nem-metāla izvēlei (PTFE) nav siltuma vadītspējas kompaktiem žāvēšanas dzesētājiem
Tērauda kodināšanas - karstās sālsskābes pakalpojums
Tērauda sloksņu un stiepļu kodināšana Dzelzs oksīda nogulšņu noņemšanai izmanto karstu sālsskābi (parasti 10–18% HCl 80–95 grādu temperatūrā). Skābe ir iepildīta ar dzelzs hlorīdu (FeCl2), un tā ir pastāvīgi jāuzsilda, lai process būtu efektīvs, kā arī jādzesē skābes reģenerācijas cilpās. Metāliskie siltummaiņi, piemēram, titāna, tantala un cirkonija siltummaiņi, cieš no ātras punktveida veidošanās, plaisu korozijas vai ūdeņraža trausluma, ko izraisa karstā HCl. Niķeļa{8}}sakausējumu sadalījums nedēļās. PTFE apvalka un cauruļu siltummaiņi ir izturīgi pret ķīmisko iedarbību, taču tiem ir divi nopietni trūkumi:

Zemā siltumvadītspēja (0,2 W/m·K salīdzinājumā ar . 100–120 W/m·K grafītam) nozīmē, ka ierīces ir lielas un aizņem daudz vietas.

Temperatūras ierobežojums: PTFE mīkstina un slīd virs aptuveni 110 grādiem, tāpēc nav piemērots kodināšanai vai reģenerācijas katla darbībām augstā temperatūrā.

Grafīta bloku vai apvalka un cauruļu siltummaiņi var droši strādāt 95 grādu leņķī un iztur īsas novirzes līdz 120-130 grādiem. Kompaktais izmērs ļauj viegli integrēt vienības esošajās kodināšanas līnijās. Kalpošanas laiks HCl servisā ir 10-20 gadi simtiem iekārtu visā pasaulē. Tādējādi grafīts ir standarta materiāls skābju sildītāju, dzesētāju un reģenerācijas sistēmu siltummaiņu kodināšanai. Ja PTFE teorētiski varētu darboties, PTFE vienības lielāks izmērs un augstākas uzstādītās izmaksas bieži dod priekšroku grafītam.

Fosforskābes koncentrācija: darbs ar augstu temperatūru un fluorīdiem
Slapjā{0}}procesa fosforskābe (WPA) tiek iegūta, fosfātu iežiem reaģējot ar sērskābi. Iegūtā skābe satur ievērojamu daudzumu piemaisījumu: fluorīdus (kā HF un H2SiF6), hlorīdus un metālu sulfātus. Koncentrāciju no aptuveni 28% P₂O₅ līdz tirdzniecības pakāpei -54% P₂O₅ veic vakuumā vai atmosfēras spiedienā temperatūrā līdz 160 grādiem. Fluorīda saturs agresīvi iedarbosies uz silīciju saturošiem materiāliem (stiklu, ar stiklu{11}}oderētu tēraudu) un daudziem īpašiem sakausējumiem.

Grafīta siltummaiņi tiek plaši izmantoti kā sildītāji, iztvaicētāja kalandrijas un kondensatora dzesētāji fosforskābes iekārtās. Grafīts ir kļuvis par noklusējumu šādos gadījumos:

Izturība pret fluoru: HF vai fluosilīnskābe neietekmē grafītu tādās koncentrācijās un temperatūrās, kāda ir WPA koncentrācijā.

Augstas temperatūras izturība: Grafīts saglabā savu mehānisko izturību un izturību pret koroziju līdz 170-200 grādiem, aptverot visus fosforskābes koncentrācijas lietojumus.

Siltumvadītspējas priekšrocība: grafīts ir labs siltumvadītājs, un tas ir plus iztvaicētāja konstrukcijām, jo ​​tas nozīmē mazāku virsmas laukumu un mazāku trauku izmēru.

PTFE ir arī izturīgs pret fluorīdiem, tomēr PTFE siltummaiņi šajā biznesā ir reti pieprasīti. Galvenā problēma ir viena un tā paša uzdevuma ievērojami lielāks nospiedums. Liela mēroga fosforskābes iekārtām (simtiem tūkstošu tonnu gadā) vieta ir ierobežota, un atbalsta struktūras milzīgiem PTFE apmainītājiem nav ekonomiski pievilcīgas. PTFE ir arī maksimālā temperatūras robeža ~ 180 grādi, kas nodrošina nelielu rezervi traucētām situācijām. Grafīts atrodas starp eksotiskiem metāliem (kas korozējas pārāk ātri) un zemākas temperatūras polimēriem (kuriem ir nepieciešams pārāk liels laukums).

Hlora žāvēšana: dzesēšanas izturīgs pret oksidāciju
Hlora sārmu rūpnīcās membrānas vai diafragmas elektrolīzes rezultātā iegūtā hlora gāze ir piesātināta ar ūdens tvaikiem. Mitrs hlors ir diezgan kodīgs, veidojot hipohlorskābi un sālsskābi. Slapjo hloru žāvē iesaiņotos torņos, saskaroties ar stipru sērskābi (98-99%). Iegūtā sausā hlora gāze (ar skābes miglu) pirms saspiešanas vai tālākas apstrādes ir jāatdzesē. Hlora dzesētāji lejpus žāvēšanas torņiem ir grafīta apvalka{6}} un cauruļu siltummaiņi.

Kāpēc vispirms grafīts? Atdzesētā gāze satur sausu hloru un atlikušos sērskābes tvaikus un kondensātu. Šis maisījums ir spēcīgs oksidētājs un uzbruks lielākajai daļai metālu. Varš, tērauds un niķelis ātri korozējas. Tantals ir izturīgs, taču pārāk dārgs ievērojamām siltuma pārneses virsmām. Ķīmiski izturīgs PTFE nevar nodrošināt kompaktu, augstas efektivitātes dzesēšanu, kas nepieciešama skābes miglas kondensēšanai un gāzes temperatūras kontrolei. Grafīta augstā siltumvadītspēja ļauj izveidot kompaktus lētus dzesētājus, kurus var viegli pievienot hlora žāvēšanas vilcienam.

Hlora serviss ir arī joma, kurā grafīta siltummaiņi ir izmantoti vairāk nekā 50 gadus, un tiem ir labi-noteikti drošības un uzticamības rādītāji. Hlor-sārmu nozarē procesu inženieri parasti nosaka grafīta dzesētājus kā pašsaprotamu lietu, reti domājot par alternatīvām materiālu iespējām.

Kāpēc PTFE nav noklusējums
PTFE ir izcila ķīmiskā izturība, tad kāpēc grafīts joprojām ir ierastā izvēle šajās nozarēs? Kāpēc ne PTFE? Izskaidrojums ir saistīts ar trim PTFE ierobežojumiem:

Temperatūras griesti: PTFE mīkstinās un sāks slīdēt zem spiediena virs aptuveni 110-120 C Nepārtraukta darbība 150 grādu temperatūrā nav iedomājama. Grafīts ir stabils vismaz līdz 200 C.

Siltumvadītspēja: PTFE ļoti zemā siltumvadītspēja rada nepieciešamību pēc milzīgiem siltuma pārneses reģioniem. Lietojumprogrammām, kur nepieciešami simtiem kvadrātmetru, PTFE iekārta kļūst diezgan liela, smaga un dārga uzstādīšana.

Mehāniskā izturība: grafīta bloki un apvalka{0}}un-cauruļu vienības nodrošina stingru, uzticamu atbalstu cauruļu loksnēm un blīvēm. PTFE caurules ir rūpīgi jānospriego, jo tīrīšanas laikā tās ir vairāk pakļautas mehāniskiem bojājumiem.

Ja lietojumprogramma nepārsniedz PTFE temperatūras ierobežojumu un telpa nerada bažas, var izvēlēties PTFE. Tomēr trīs norādītajās nozarēs, tērauda kodināšana, fosforskābes koncentrācija un hlora žāvēšana, augstas temperatūras, augstas korozijas un ekonomiskās nepieciešamības pēc kompakta dizaina kombinācija padara grafītu par noklusējuma izvēli.

Vēsturiskā lauka panākumu loma
Grafīta vadošā loma ir saistīta ar gadu desmitiem ilgušo pieredzi. Šādos sarežģītos procesa apstākļos grafīts ir izrādījies ievērojami uzticamāks nekā jebkurš cits materiāls. Laboratorijas dati bieži vien veicina materiālu izvēli, taču to dara arī iepriekšējā lauka pieredze. Inženieri, kas nosaka aprīkojumu jaunai kodināšanas līnijai, fosforskābes iztvaicētājam vai hlora dzesēšanas sistēmai, parasti ievēro grafīta nozares normas, jo jebkura novirze no šī līmeņa ir nevajadzīgs risks.

Kopsavilkuma secinājums
Grafīta siltummaiņi ir parastais materiāls tērauda kodināšanā (karstā HCl), fosforskābes koncentrācijā (karsta, fluoru saturoša skābe) un hlora žāvēšanai (slapjš hlors ar sērskābi). Grafīts piedāvā ķīmiskās izturības, augstas siltumvadītspējas un temperatūras spēju kombināciju, ko nevar salīdzināt ar citiem materiāliem (metāliem, PTFE, stiklu) visā procesa apstākļu diapazonā katrā situācijā. PTFE ir labāka ķīmiskā inerce zemākās temperatūrās, taču tā sliktā siltumvadītspēja un temperatūras ierobežojumi padara to nepiemērotu kā grafīta aizstājēju šajos prasīgajos lietojumos. Grafīta siltummaiņa noklusējuma nozares statuss nav nejaušs,-tas ir balstīts uz gadu desmitiem ilgušu uzticamu,-ekonomisku pakalpojumu, kurā alternatīvas atkārtoti nav spējušas nodrošināt.