Proceso srautas yra bjaurus sieros, fosforo ir azoto rūgšties pėdsakų mišinys, veikiantis 130 laipsnių. PTFE negali atlaikyti tokios temperatūros, o dauguma metalų ištirptų. Pasirinkimas apsiriboja dviem nemetaliniais čempionais: nepralaidaus grafito bloko šilumokaičio arba apvalkalo-ir -vamzdžių PTFE bloko, tačiau kiekvienas iš jų suteikia iš esmės skirtingų stipriųjų ir silpnųjų pusių. Suprasdamas,blokinis grafitas prieš PTFE apvalkalą ir vamzdžių mišrią rūgštįkompromisui reikia aiškiai įvertinti temperatūros ribas, cheminį suderinamumą, mechaninį tvirtumą ir kainą.
Du varžovai: skirtingos filosofijos
A blokinis grafito keitiklisyra monolitinis, kietas nepralaidaus grafito (derva-įmirkytos anglies) blokas su tiksliai-išgręžtais kanalais tiek koroziniam proceso skysčiui, tiek eksploataciniam skysčiui (aušinimo vandeniui arba šildymo terpei). Jis yra neįtikėtinai kompaktiškas, turi labai aukštą šilumos laidumą (apie 80–120 W/m·K) ir gali veikti iki 200 laipsnių temperatūroje su atitinkama dervos sistema. Struktūra yra standi ir trapi, o medžiaga puikiai atlaiko daugumą sumaišytų mineralinių rūgščių.
A apvalkalo-ir-vamzdžių PTFE šilumokaitįsusideda iš daugybės mažų{0}}skersmens PTFE vamzdelių, sumontuotų metaliniame arba fluorpolimeriniame apvalkale. Proceso skystis paprastai teka per vamzdelius (arba kartais korpusą), o eksploatavimo skystis teka priešingoje pusėje. PTFE yra chemiškai inertiškas praktiškai visoms mineralinėms rūgštims, tačiau jo šilumos laidumas yra labai mažas (apie 0,25 W/m·K). Šilumokaitis yra lankstus, toleruoja vibraciją ir šiluminį ciklą, bet ribojamas iki maksimalios nepertraukiamos PTFE temperatūros 110 laipsnių (130 laipsnių PFA).
Temperatūra: pirmasis lemiamas veiksnys
Darbinė temperatūra yra pats greitiausias skirtumas. PTFE nėra tinkamas pasirinkimas mišriai rūgšties srautui, kurio temperatūra yra 130 laipsnių. Esant pastoviai aukštesnei nei 110 laipsnių temperatūrai, PTFE pradeda minkštėti, šliaužia veikiamas slėgio ir praranda mechaninį stiprumą. Nors trumpalaikiai 120–125 laipsnių pokyčiai gali būti toleruojami, nuolatinis veikimas 130 laipsnių kampu sukels PTFE vamzdelių deformaciją, dėl ko vamzdis gali sugriūti, nutekėti vamzdelio lakštuose arba visiškai sugesti.
Grafitas, priešingai, klesti 130 laipsnių kampu. Nepralaidūs grafito šilumokaičiai paprastai yra naudojami iki 170–200 laipsnių, jei cheminė aplinka yra suderinama su dervos impregnantu (paprastai fenolio arba furano derva, skirta rūgščiai naudoti). Mišrioms rūgštims, kuriose yra sieros ir fosforo rūgšties, grafitas yra puikus pasirinkimas.
Sprendimo taisyklė:Jei darbinė temperatūra nuolat viršija 110 laipsnių, grafitas yra vienintelė ne-metalinė parinktis. PTFE pašalinamas vien dėl temperatūros.
Oksiduojančios rūgštys: mirtinas grafito trūkumas
Grafitas yra anglies forma. Esant stiprioms oksidacinėms medžiagoms,{1}}tokioms kaip azoto rūgštis, chromo rūgštis, chloratai arba koncentruota karšta sieros rūgštis, esant tam tikroms sąlygoms, grafitas gali oksiduotis iki anglies dioksido. Tai mirtina, negrįžtama cheminė ataka. Oksidacijos riba yra kieta cheminė riba: anglies struktūra tiesiog virsta dujomis, paliekant tuštumus ir galiausiai sunaikinant šilumokaičio bloką.
Pavyzdyje mišrios rūgšties sraute, kuriame yra azoto rūgšties pėdsakų, grafitui kyla pavojus. Net nedidelė koncentracija (pvz., 1–5% azoto rūgšties) aukštesnėje temperatūroje (virš 80 laipsnių) gali lėtai oksiduoti grafitą. Greitis priklauso nuo koncentracijos ir temperatūros, tačiau žala yra kumuliacinė ir galiausiai sukelia gedimą.
Tačiau PTFE yra visiškai atsparus visoms mineralinėms rūgštims, įskaitant stipriausius oksidatorius. Azoto rūgštis, net koncentruota ir karšta, nepuola PTFE. Polimero anglies -fluoro jungtys jau yra visiškai oksiduotos. Mišrioms rūgštims, kuriose yra azoto, chromo ar bet kokio kito oksiduojančio agento, PTFE yra chemiškai saugus pasirinkimas, -jei temperatūra neviršija leistinos ribos.
Sprendimo taisyklė:Jei mišrioje rūgštyje yra kokių nors oksiduojančių komponentų (azoto, chromo, perchlorido ir kt.), o temperatūra yra mažesnė arba lygi 110 laipsnių, PTFE yra geriausias ir dažnai vienintelis saugus pasirinkimas. Reikėtų vengti grafito.
Mechaninės savybės: trapus ir lankstus
Grafitas yra standus ir trapus. Blokinis grafito šilumokaitis gali įtrūkti dėl šiluminio smūgio, mechaninės vibracijos ar staigių slėgio šuolių. Reikia kruopštaus montavimo naudojant vamzdynus be įtempimo-, laipsniško šildymo ir vėsinimo rampos (pvz., 10–15 laipsnių per minutę) ir apsaugą nuo vandens plaktuko. Įtrūkęs grafito blokas paprastai yra nepataisomas ir turi būti pakeistas.
PTFE yra lankstus ir elastingas. Korpuso-ir Vamzdžiai gali lankstytis ir judėti, nepažeisdami sugerdami diferencinį išsiplėtimą. Serijiniams procesams arba gamykloms, kurios dažnai paleidžiamos{5}}ir išjungiamos, PTFE užtikrina puikų mechaninį patikimumą.
Sprendimo taisyklė:Tais atvejais, kai dažnai keičiasi šiluminis ciklas, atsiranda vibracija arba kyla mechaninio smūgio rizika, PTFE vėlgi yra patikimesnis pasirinkimas-, jei laikomasi temperatūros ribos.
Šiluminis efektyvumas ir kompaktiškumas
Grafitas pasižymi išskirtiniu šilumos laidumu (80–120 W/m·K). Blokinis grafito keitiklis gali būti labai kompaktiškas, todėl pasiekiamas didelis šilumos perdavimo greitis nedideliu plotu. Išgręžti kanalai leidžia atlikti kelis praėjimus ir aukštą slėgį (iki 10 barų ar daugiau, priklausomai nuo konstrukcijos).
PTFE turi labai mažą šilumos laidumą (apie 0,25 W/m·K). Norint pasiekti tą patį šiluminį pajėgumą, PTFE apvalkalo-ir Taip gaunamas didesnis ir sunkesnis šilumokaitis. Tačiau maža PTFE vamzdžių kaina ir korpuso konstrukcijos paprastumas dažnai kompensuoja dydžio baudą.
Sprendimo taisyklė:Jei erdvė yra ribota (pvz., permontuojant į esamą gamyklos išdėstymą), grafitas gali būti vienintelis praktiškas pasirinkimas. Jei plotas nėra ribojamas, gali būti priimtinas didesnis PTFE keitiklis.
Išlaidų palyginimas
Tam tikroms šilumos reikmėms pradinės blokinio grafito keitiklio kapitalo sąnaudos dažnai būna didesnės nei PTFE apvalkalo{0}}ir Grafitui reikalingas tikslus vientiso bloko apdirbimas, o tai brangu. PTFE vamzdžių kaina yra palyginti maža, o korpusas gali būti pagamintas iš anglinio plieno (jei eksploatavimo skystis yra ne-ėsdinantis) arba išklotas fluoropolimeru.
Tačiau dėl didesnio grafito šilumos laidumo gali pakakti mažesnio vieneto, todėl gali sumažėti įrengimo išlaidos (vamzdynai, atramos, izoliacija). Taip pat skiriasi gyvavimo ciklo sąnaudos: grafito šilumokaitį, sugedusį dėl oksidatoriaus atakos, reikia visiškai pakeisti; PTFE šilumokaitis, veikiantis savo temperatūros ribose, su minimalia priežiūra gali tarnauti 15–20 metų.
Sprendimo taisyklė: For mixed acid service without oxidizers and with temperatures >110 laipsnių, grafitas yra vienintelė galimybė, nepaisant didesnės kainos. Mišrioms rūgštims su oksidatoriais, kurių temperatūra yra mažesnė arba lygi 110 laipsnių, PTFE yra pigesnis ir saugesnis.
Mišrių rūgščių tarnybos sprendimų medis
Paprastas sprendimų medis gali padėti pasirinkti:
Is the operating temperature >110 laipsnių?
Yes → Graphite (or PFA if temperature is 110–130°C? but PFA is still limited to ~130°C continuous; for true >110°C with oxidizers, no fluoropolymer works. Actually PFA can go to 130°C, but for mixed acid at 130°C, PFA may be marginal. Typically, for >110°C, graphite is chosen if no oxidizers. If oxidizers present at >110 laipsnių, neveikia nei viena medžiaga; apsvarstykite silicio karbidą arba stiklą.)
Ne → Pereikite prie kito klausimo.
Ar mišrioje rūgštyje yra stiprių oksidatorių (pvz., azoto, chromo, perchloro rūgščių)?
Taip → PTFE (arba PFA) yra vienintelis saugus ne{0}}metalinis pasirinkimas. Grafitas oksiduosis.
Ne → Abi medžiagos yra chemiškai suderinamos. Tada apsvarstykite:
Mechaninis įtempis / terminis ciklas?PTFE yra tvirtesnis.
Erdvės apribojimai?Grafitas yra kompaktiškesnis.
Kaina?PTFE paprastai yra mažesnis.
Konkrečiu paminėtu atveju (sieros + fosforo + azoto pėdsakai 130 laipsnių temperatūroje): temperatūra (130 laipsnių) viršija PTFE ribą, tačiau azoto rūgšties buvimas reiškia, kad bus užpultas grafitas. Tai sunkus atvejis. Sprendimai gali apimti silicio karbido keitiklį, stiklo keitiklį arba temperatūros sumažinimą prieš aušinimą. Tačiau iš dviejų variantų nė vienas nėra tobulas. Straipsnyje reikėtų atkreipti dėmesį į šią ribinę sąlygą.
Ribinės bylos nagrinėjimas
Kai yra ir temperatūra, ir oksidatoriai, nei standartinis grafitas, nei PTFE šilumokaičiai nėra visiškai tinkami. Grafitas būtų oksiduojamas; PTFE nukentėtų temperatūros{1}}sukeltas šliaužimas. Tokios ekstremalios paslaugos alternatyvos yra:
Silicio karbido (SiC) plokšteliniai arba blokiniai šilumokaičiai:Chemiškai atsparus beveik visoms rūgštims, įskaitant oksidatorius, ir gali veikti iki 200–300 laipsnių. Tačiau jie yra brangūs.
Stiklo apvalkalo{0}}ir-vamzdiniai šilumokaičiai:Atsparus daugumai rūgščių, išskyrus HF, bet trapus ir pažeidžiamas šiluminiam šokui.
PFA (perfluoralkoksi) keitikliai:PFA turi aukštesnę nuolatinio eksploatavimo temperatūrą (iki 130 laipsnių) nei PTFE. 130 laipsnių sumaišytos rūgšties su oksidatoriais atveju PFA keitiklis gali išlikti, tačiau pakraščiai yra ploni. Dizainui reikės labai mažo vatų tankio ir kruopštaus temperatūros kontrolės.
Šio palyginimo tikslais (blokinis grafitas vs. PTFE apvalkalas-ir Aukščiau pateiktas sprendimų medis taikomas esant palankioms sąlygoms.
Stiprybių ir silpnybių santrauka
| Funkcija | Grafito blokas | Shell{0}}ir-Tube PTFE |
|---|---|---|
| Maksimali nuolatinė temperatūra | 170–200 laipsnių (priklausomai nuo dervos) | 110 laipsnių (PTFE), 130 laipsnių (PFA) |
| Atsparumas oksiduojančioms rūgštims | Prastas (oksiduoja iki CO₂) | Puikus (imunitetas) |
| Atsparumas ne-oksiduojančioms mineralinėms rūgštims (H2SO4, H3PO4, HCl) | Puikiai | Puikiai |
| Šilumos laidumas | Labai didelis (80–120 W/m·K) | Labai žemas (0,25 W/m·K) |
| Mechaninis tvirtumas | Trapus, jautrus šiluminiam šokui ir vibracijai | Lankstus, tolerantiškas važiavimui dviračiu ir smūgiams |
| Kompaktiškumas | Labai kompaktiškas | Reikalingas didelis plotas |
| Santykinė kaina (pradinė) | Nuo vidutinio iki aukšto | Nuo žemo iki vidutinio |
| Jautrumas užsiteršimui | Žemas arba vidutinis (lygus grafitas) | Labai žemas (nelipnus{0}}PTFE) |
Išvada: klasikinis inžinerinis sprendimas
Pasirinkimas tarp blokinio grafito ir apvalkalo-ir Grafitas yra aukštos-temperatūros, ne-oksiduojantis čempionas; PTFE yra universalus, išgyvenantis žemoje temperatūroje{5}}. Jei procesas viršija 110 laipsnių ir jame nėra oksidatorių, grafitas yra aiškus nugalėtojas. Jei procesas yra žemesnis nei 110 laipsnių ir jame yra oksiduojančių rūgščių, PTFE yra saugesnis, tvirtesnis ir paprastai ekonomiškesnis pasirinkimas. Konstravimo medžiagos pasirinkimas dažnai yra procesas, kurio metu pašalinamos medžiagos, kurios pirmiausia miršta,{11}}o naudojant mišrią rūgštį, pašalinimas prasideda nuo temperatūros ir chemijos.
