Millistes tööstusharudes on grafiit soojusvaheti vaikematerjal ja miks?

Teatud sektorites on grafiitsoojusvaheti määramine mõttetu{0}}. Grafiit on olnud tööhobune aastakümneid ja see on materjal, kus muud materjalid kiiresti ebaõnnestuvad või oleksid praktilisuseks liiga kallid. Kui metallid roostetavad ja polümeerid pehmenevad või kaotavad termilise efektiivsuse, pakub mitteläbilaskev grafiit (fenool- või furaanvaiguga immutatud) ainulaadset kombinatsiooni kõrgest soojusjuhtivusest, erakordsest korrosioonikindlusest erinevates karmides tingimustes ja töökindlusest kuni 200 kraadini ja kõrgemal. Peame teadma täpseid protsesse, kus grafiit töötab paremini kui mis tahes muu materjal, et teada saada grafiitsoojusvahetite vaikerakendusi tööstuses.

Juhtivad võtmetööstused
Kolm peamist tööstussektorit valivad järjekindlalt vaikevalikuks grafiitsoojusvaheti. Terase peitsimine (vesinikkloriidhape), fosforhappe kontsentreerimine, kloori kuivatamine. Igal juhul on parim ja ökonoomsem lahendus grafiit vedeliku söövitava iseloomu, kõrge temperatuuri ja kompaktse ja tõhusa soojusülekande nõude tõttu.

Tööstusharu kriitilise vedeliku töötingimuste rike. Mittestandardse materjali tulemus
Terase marineerimine (HCl) Kuum vesinikkloriidhape 80–95 kraadi, kuni 18% HCl Sageli koos FeCl 2Metallivahetitega (titaan, tantaal) korrodeeruvad kiiresti PTFE pehmeneb; nõuab suuremaid üksusi
Fosforhappe kontsentratsioon Fosforhappe märg-töötlemine fluoriidide, kloriidide, ränidioksiidiga 100-160 kraadi, 40-54% P2O5, HF ja H2SiF6 olemasolu Klaasvooderdatud teras, mida mõjutab fluoriid; kõrglegeeritud metallid (Hastelloy) korrodeeruvad või on liiga kallid
Märg kloorgaas + kontsentreeritud väävelhape 10–40 kraadi (jahutus), tugevalt oksüdeeriv, happeline kondensaat Metallide (nikkel, vask, teras) kiire oksüdatsioon; mittemetallilistel valikutel (PTFE) pole kompaktsete kuivatusjahutite puhul soojusjuhtivust
Terase marineerimine - Kuuma vesinikkloriidhappe teenus
Terasribade ja traadi marineerimine Raudoksiidi katlakivi eemaldamiseks kasutatakse kuuma soolhapet (tavaliselt 10–18% HCl 80–95 kraadi juures). Hape on koormatud raudkloriidiga (FeCl2) ja seda tuleb protsessi tõhusaks muutmiseks pidevalt kuumutada, samuti jahutada happe regenereerimise ahelates. Metallist soojusvahetid, nagu titaanist, tantaalist ja tsirkooniumist valmistatud soojusvahetid, kannatavad kuuma HCl-i poolt põhjustatud kiire punktkorrosiooni, pragude korrosiooni või vesiniku rabestumise tõttu. Nikli{8}}põhiste sulamite jaotus nädalates. PTFE kesta- ja toruvahetid on keemilisele rünnakule vastupidavad, kuid neil on kaks tõsist puudust:

Madal soojusjuhtivus (0,2 W/m·K vs . 100–120 W/m·K grafiidi puhul) tähendab, et seadmed on suured ja -ruuminõudvad.

Temperatuuripiirang: PTFE pehmendab ja roomab üle umbes 110 kraadi ning ei sobi seetõttu kõrgel temperatuuril peitsimiseks ega regenereerimiseks.

Grafiitplokist või korpusest ja torust soojusvahetid võivad ohutult töötada 95 kraadi juures ja taluvad lühikesi pöördeid 120-130 kraadini. Kompaktne suurus muudab seadmete integreerimise olemasolevatesse peitsiliinidesse lihtsaks. HCl-teenuse kasutusiga on 10-20 aastat sadade paigalduste puhul üle maailma. Grafiit on seega standardmaterjal happekütteseadmete, jahutite ja regenereerimissüsteemide soojusvahetite peitsimisel. Kui PTFE võiks teoreetiliselt töötada, eelistavad PTFE-seadme suurem suurus ja kõrgemad paigalduskulud sageli grafiiti.

Fosforhappe kontsentratsioon: töötamine kõrgete temperatuuride ja fluoriididega
Märg{0}}fosforhape (WPA) saadakse fosfaatkivimi reageerimisel väävelhappega. Saadud hape sisaldab märkimisväärses koguses lisandeid: fluoriide (nagu HF ja H2SiF6), kloriide ja metallsulfaate. Kontsentreerimine umbes 28% P₂O₅-lt kaubandusliku -klassi 54% P2O5-ni toimub vaakumis või atmosfäärirõhul temperatuuril kuni 160 kraadi. Fluoriidisisaldus ründab agressiivselt räni{10}}sisaldavaid materjale (klaas, klaasiga{11}}vooderdatud teras) ja paljusid erisulameid.

Grafiitsoojusvahetiid kasutatakse laialdaselt soojenditena, aurusti kalandria ja kondensaatorjahutitena fosforhappeseadmetes. Grafiit on muutunud vaikeseadeks järgmistel põhjustel:

Fluoriidiresistentsus: HF ega fluosilihape ei mõjuta grafiiti WPA kontsentratsiooni kontsentratsioonides ja temperatuurides.

Kõrge temperatuuritaluvus: Grafiit säilitab oma mehaanilise tugevuse ja korrosioonikindluse kuni 170-200 kraadini, hõlmates kõiki fosforhappe kontsentratsiooni rakendusi.

Soojusjuhtivuse eelis: Grafiit on hea soojusjuht ja see on aurusti konstruktsioonide jaoks pluss, kuna see tähendab väiksemat pinda ja väiksemaid anuma suurusi.

PTFE on ka fluoriidide suhtes vastupidav, kuid PTFE soojusvahetit nõutakse selles äris harva. Peamine probleem on sama ülesande oluliselt suurem jalajälg. Suuremahuliste fosforhapperajatiste jaoks (sadu tuhandeid tonne aastas) on ruum piiratud ja tohutute PTFE soojusvahetite tugistruktuurid ei ole majanduslikult atraktiivsed. PTFE-l on ka maksimaalne temperatuuripiirang ~180 kraadi, mis pakub häiritud olukordade jaoks vähe varu. Grafiit asub eksootiliste metallide (mis korrodeeruvad liiga kiiresti) ja madalama temperatuuriga polümeeride (mis nõuavad liiga palju pinda) vahel.

Klooriga kuivatamine: oksüdatsioonikindel jahutus
Kloorleeliste tehastes küllastatakse membraan- või diafragmaelektrolüüsil tekkiv kloorgaas veeauruga. Märg kloor on üsna söövitav, moodustades hüpokloor- ja vesinikkloriidhapet. Märg kloor kuivatatakse pakitud tornides kokkupuutel tugeva väävelhappega (98-99%). Saadud kuiv kloorigaas (koos happeudu jäljega) tuleb enne kokkupressimist või edasist töötlemist jahutada. Kuivatustornidest allavoolu asuvad kloorijahutid on grafiitkest{6}}ja toruga soojusvahetid.

Miks üldse grafiit? Jahutatud gaas koosneb kuivast kloorist ning väävelhappe aurudest ja kondensaadist. See segu on tugev oksüdeerija ja ründab enamikku metalle. Vask, teras ja nikkel korrodeeruvad kiiresti. Tantaal on vastupidav, kuid liiga kallis oluliste soojusülekandepindade jaoks. Keemiliselt vastupidav PTFE ei suuda pakkuda kompaktset ja tõhusat jahutust, mis on vajalik happeudu kondenseerimiseks ja gaasi temperatuuri reguleerimiseks. Grafiidi kõrge soojusjuhtivus võimaldab kompaktseid odavaid jahuteid, mida saab hõlpsasti kloorikuivatussüsteemi lisada.

Klooriteenus on olnud ka valdkond, kus grafiitsoojusvahetiid on kasutatud juba üle 50 aasta ning millel on väljakujunenud ohutus- ja töökindlusrekord. Kloor-leeliste sektoris määravad protsessiinsenerid grafiitjahuteid tavaliselt enesestmõistetavaks, mõeldes harva alternatiivsetele materjalidele.

Miks PTFE ei ole vaikeseade?
PTFE-l on erakordne keemiline vastupidavus, miks on grafiit nendes tööstusharudes endiselt tavaline valik? Miks mitte PTFE? Seletus taandub kolmele PTFE piirangule:

Temperatuuri ülemmäär: PTFE pehmeneb ja hakkab libisema rõhu all, mis on üle 110–120 C. Pidev töötamine 150 kraadi juures ei ole mõeldav. Grafiit on stabiilne vähemalt kuni 200 C.

Soojusjuhtivus: PTFE väga madal soojusjuhtivus nõuab soojusülekande jaoks suuri piirkondi. Rakenduste jaoks, kus on vaja sadu ruutmeetreid, muutub PTFE-seade üsna suureks, raskeks ja kulukaks paigaldada.

Mehaaniline vastupidavus: grafiitplokid ning kesta{0}}ja-toruüksused pakuvad torulehtedele ja tihenditele kindlat ja usaldusväärset tuge. PTFE torude hoolikas pingutamine on vajalik, kuna need on puhastamise ajal mehaaniliste vigastuste suhtes altid.

Kui rakendus ei ületa PTFE temperatuuripiirangut ja ruum ei ole probleemiks, saab valida PTFE. Kuid kolmes näidatud sektoris, terase peitsimises, fosforhappe kontsentreerimises ja kloori kuivatamises, on kõrge temperatuuri, kõrge korrodiivsuse ja kompaktse disaini majandusliku vajaduse kombinatsiooni tõttu vaikimisi valitud grafiit.

Ajaloolise valdkonna edu roll
Grafiidi juhtiv roll tuleneb aastakümnete pikkusest väljakujunenud kogemusest. Sellistes rasketes protsessitingimustes on grafiit osutunud oluliselt usaldusväärsemaks kui mis tahes alternatiivne materjal. Laboratoorsed andmed juhivad sageli materjali valimist, kuid sama teevad ka varasemad välikogemused. Uue marineerimisliini, fosforhappeaurusti või kloorijahutussüsteemi jaoks seadmeid määravad insenerid järgivad üldiselt grafiiditööstuse norme, kuna kõik kõrvalekalded sellest tasemest on tarbetu risk.

Kokkuvõttev järeldus
Grafiitsoojusvahetid on tavaline materjal terase peitsimisel (kuum HCl), fosforhappe kontsentreerimisel (kuum, fluoriidi sisaldav hape) ja kloori kuivatamisel (märg kloor väävelhappega). Grafiit pakub kombinatsiooni keemilisest vastupidavusest, kõrgest soojusjuhtivusest ja temperatuurivõimest, mida ei saa võrrelda teiste materjalidega (metallid, PTFE, klaas) kõigis protsessitingimustes igas olukorras. PTFE on keemiliselt inertsem madalamatel temperatuuridel, kuid selle halb soojusjuhtivus ja temperatuuripiirangud muudavad selle nendes nõudlikes rakendustes grafiidi asendajaks kõlbmatuks. Grafiitsoojusvaheti tööstusharu vaikestaatus ei ole juhus,-see põhineb aastakümnete pikkusel usaldusväärsel,-kulutõhusal teenusel, mille puhul alternatiivid on korduvalt ebaõnnestunud.