في أي الصناعات يعتبر الجرافيت مادة المبادل الحراري الافتراضية ولماذا؟
ترك رسالة
في بعض القطاعات، يعد تحديد مبادل حراري من الجرافيت أمرًا بديهيًا-. لقد كان الجرافيت بمثابة العمود الفقري لعقود من الزمن وهو المادة المفضلة حيث تفشل المواد الأخرى بسرعة أو تكون باهظة الثمن بحيث لا تكون عملية. عندما تصدأ المعادن والبوليمرات تضعف أو تفقد كفاءتها الحرارية، فإن الجرافيت غير المنفذ (المشرب براتنج الفينول أو الفوران) يوفر مزيجًا فريدًا من الموصلية الحرارية العالية، ومقاومة التآكل الاستثنائية لمختلف الظروف القاسية، وقابلية الخدمة حتى 200 درجة وما بعدها. نحن بحاجة إلى معرفة العمليات الدقيقة التي يعمل فيها الجرافيت بشكل أفضل من أي مادة أخرى لمعرفة التطبيقات الصناعية الافتراضية للمبادلات الحرارية للجرافيت.
الصناعات الرئيسية الرائدة
تختار ثلاثة قطاعات صناعية رئيسية باستمرار المبادل الحراري للجرافيت كخيار افتراضي. تخليل الصلب (حمض الهيدروكلوريك)، تركيز حمض الفوسفوريك، تجفيف الكلور. في كل حالة، يكون الحل الأفضل والأكثر اقتصادا هو الجرافيت بسبب الطبيعة المسببة للتآكل للسائل، ودرجة الحرارة المرتفعة ومتطلبات نقل الحرارة المضغوط والفعال.
ظروف فشل التشغيل الحرجة للصناعة نتيجة المواد دون المستوى المطلوب
تخليل الصلب (حمض الهيدروكلوريك) حمض الهيدروكلوريك الساخن 80-95 درجة، ما يصل إلى 18٪ حمض الهيدروكلوريك في كثير من الأحيان مع FeCl 2المبادلات المعدنية (التيتانيوم، التنتالوم) تتآكل بسرعة PTFE تلين؛ يتطلب وحدات أكبر
تركيز حمض الفوسفوريك-معالجة حمض الفوسفوريك الرطب مع الفلوريدات والكلوريدات والسيليكا 100-160 درجة، 40-54% P2O5، وجود HF وH2SiF6 الفولاذ المبطن بالزجاج المعرض للهجوم بالفلورايد؛ تتآكل المعادن ذات السبائك العالية (Hastelloy) أو تكون باهظة الثمن
غاز الكلور الرطب + حمض الكبريتيك المركز 10-40 درجة (وظيفة التبريد)، مؤكسد بقوة، مكثفات حمضية، الأكسدة السريعة للمعادن (النيكل، النحاس، الفولاذ)؛ لا تحتوي الاختيارات غير المعدنية (PTFE) على موصلية حرارية لمبردات التجفيف المدمجة
تخليل الصلب - خدمة حمض الهيدروكلوريك الساخن
تخليل شرائح الصلب والأسلاك يستخدم حمض الهيدروكلوريك الساخن (عادة 10-18% حمض الهيدروكلوريك عند 80-95 درجة) لإزالة مقياس أكسيد الحديد. يتم تحميل الحمض بكلوريد الحديدوز (FeCl2) ويجب تسخينه باستمرار لجعل العملية فعالة بالإضافة إلى تبريده في حلقات تجديد الحمض. تعاني المبادلات الحرارية المعدنية مثل تلك المصنوعة من التيتانيوم والتنتالوم والزركونيوم من التنقر السريع أو تآكل الشقوق أو التقصف الهيدروجيني الناجم عن حمض الهيدروكلوريك الساخن. انهيار السبائك القائمة على النيكل-في أسابيع. تتميز المبادلات الأنبوبية والقشرية من مادة PTFE بأنها مقاومة للهجوم الكيميائي، لكن لها عيبين خطيرين:
الموصلية الحرارية المنخفضة (0.2 واط/م·ك مقابل . 100–120 واط/م·ك للجرافيت) تعني أن الوحدات كبيرة وتستهلك مساحة-.
الحد من درجة الحرارة: يلين PTFE ويزحف إلى حوالي 110 درجة، وبالتالي فهو غير مناسب لأنشطة الغلايات ذات درجات الحرارة العالية أو التجديد.
قد تعمل المبادلات الحرارية لكتلة الجرافيت أو الغلاف والأنبوب بأمان عند درجة حرارة 95 درجة ويمكنها تحمل الرحلات القصيرة إلى 120-130 درجة. الحجم الصغير يجعل من السهل دمج الوحدات في خطوط التخليل الموجودة. تتراوح مدة الخدمة في خدمة حمض الهيدروكلوريك من 10 إلى 20 عامًا لمئات المنشآت حول العالم. وبالتالي فإن الجرافيت هو المادة القياسية لسخانات حمض التخليل والمبردات والمبادلات الحرارية لنظام التجديد. عندما يمكن أن يعمل PTFE نظريًا، فإن الحجم الأكبر والتكلفة المثبتة الأعلى لوحدة PTFE غالبًا ما تفضل الجرافيت.
تركيز حمض الفوسفوريك: العمل مع درجات الحرارة العالية والفلوريدات
يتم تصنيع حمض الفوسفوريك -الرطب (WPA) عن طريق تفاعل صخر الفوسفات مع حمض الكبريتيك. يحتوي الحمض الناتج على كميات كبيرة من الشوائب: الفلوريدات (مثل HF وH2SiF6)، والكلوريدات والكبريتات المعدنية. يتم التركيز من حوالي 28% P₂O₅ إلى درجة التاجر - 54% P₂O₅ تحت فراغ أو ضغط جوي عند درجات حرارة تصل إلى 160 درجة. سوف يهاجم محتوى الفلوريد بقوة السيليكون-المحتوي على المواد (الزجاج والفولاذ-المبطن بالزجاج) والعديد من السبائك الخاصة.
يتم استخدام المبادلات الحرارية الجرافيتية على نطاق واسع كسخانات ومبخر ومبردات مكثفة في منشآت حمض الفوسفوريك. أصبح الجرافيت هو الخيار الافتراضي لما يلي: الأسباب تشمل:
مقاومة الفلورايد: لا يتأثر الجرافيت بـ HF أو حمض الفلوسيليك في التركيزات ودرجات الحرارة التي يتم اختبارها في تركيز WPA.
مقاومة درجات الحرارة العالية: يحتفظ الجرافيت بقوته الميكانيكية ومقاومته للتآكل حتى 170-200 درجة، ويغطي جميع تطبيقات تركيز حمض الفوسفوريك.
ميزة التوصيل الحراري: الجرافيت هو موصل جيد للحرارة وهذا يعد ميزة إضافية لتصميمات المبخر حيث أنه يعني مساحة سطح أقل وأحجام أوعية أصغر.
يقاوم PTFE أيضًا الفلوريدات، ولكن نادرًا ما يتم طلب المبادلات الحرارية PTFE في هذا العمل. المشكلة الرئيسية هي البصمة الأكبر لنفس المهمة. بالنسبة لمرافق حمض الفوسفوريك واسعة النطاق (مئات الآلاف من الأطنان سنويًا) تكون المساحة محدودة والهياكل الداعمة لمبادلات PTFE الضخمة ليست جذابة اقتصاديًا. يحتوي PTFE أيضًا على حد أقصى لدرجة الحرارة يصل إلى 180 درجة تقريبًا، مما يوفر هامشًا ضئيلًا للحالات المضطربة. يقع الجرافيت بين المعادن الغريبة (التي تتآكل بسرعة كبيرة جدًا) والبوليمرات ذات درجة الحرارة المنخفضة (التي تتطلب مساحة كبيرة جدًا).
تجفيف الكلور: مقاوم للتبريد ضد الأكسدة
في مصانع الكلور القلوي، يكون غاز الكلور الناتج عن التحليل الكهربائي الغشائي أو الحجابي مشبعًا ببخار الماء. الكلور الرطب مادة أكالة للغاية، ويشكل حمض الهيبوكلوروس والهيدروكلوريك. يتم تجفيف الكلور الرطب في أبراج معبأة عن طريق ملامسة حمض الكبريتيك القوي (98-99%). يجب تبريد غاز الكلور الجاف الناتج (مع رذاذ الحمض النزر) قبل الضغط أو المعالجة الإضافية. مبردات الكلور أسفل أبراج التجفيف عبارة عن مبادلات حرارية ذات غلاف وأنبوب من الجرافيت.
لماذا الجرافيت في المقام الأول؟ يشتمل الغاز المبرد على الكلور الجاف وبخار ومكثفات حمض الكبريتيك المتبقي. هذا الخليط هو مؤكسد قوي وسوف يهاجم معظم المعادن. يتآكل النحاس والصلب والنيكل بسرعة. التنتالوم مقاوم ولكنه مكلف للغاية بالنسبة لأسطح نقل الحرارة الكبيرة. لا يمكن لـ PTFE، المقاوم كيميائيًا، توفير التبريد المضغوط عالي الكفاءة اللازم لتكثيف الرذاذ الحمضي والتحكم في درجة حرارة الغاز. تتيح الموصلية الحرارية العالية للجرافيت مبردات مدمجة وغير مكلفة يمكن إضافتها بسهولة إلى قطار تجفيف الكلور.
كانت خدمة الكلور أيضًا أحد المجالات التي يتم فيها استخدام المبادلات الحرارية من الجرافيت لأكثر من 50 عامًا، مع وجود-سجل راسخ للسلامة والموثوقية. في قطاع الكلور- القلوي، يحدد مهندسو العمليات عادةً مبردات الجرافيت كأمر طبيعي، ونادرا ما يفكرون في خيارات المواد البديلة.
لماذا PTFE ليس هو الافتراضي
يتمتع PTFE بمقاومة كيميائية استثنائية، فلماذا لا يزال الجرافيت هو الاختيار المعتاد في هذه الصناعات؟ لماذا لا PTFE؟ يعود التفسير إلى ثلاثة قيود PTFE:
سقف درجة الحرارة: سوف يلين PTFE ويبدأ في الانزلاق تحت ضغط أعلى من حوالي 110-120 درجة مئوية، ولا يمكن تصور التشغيل المستمر عند 150 درجة. الجرافيت مستقر عند درجة حرارة تصل إلى 200 درجة مئوية على الأقل.
الموصلية الحرارية: الموصلية الحرارية المنخفضة جدًا لـ PTFE تتطلب مناطق ضخمة لنقل الحرارة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مئات الأمتار المربعة، تصبح وحدة PTFE كبيرة جدًا وثقيلة ومكلفة التركيب.
المتانة الميكانيكية: توفر كتل الجرافيت والهيكل-و-وحدات الأنبوب دعمًا ثابتًا وموثوقًا لألواح وحشايا الأنابيب. يعد الشد الدقيق لأنابيب PTFE ضروريًا لأنها أكثر عرضة للتلف الميكانيكي أثناء التنظيف.
إذا لم يتم تجاوز حد درجة الحرارة لـ PTFE بواسطة التطبيق ولم تكن المساحة مثيرة للقلق، فيمكن تحديد PTFE. ومع ذلك، في القطاعات الثلاثة المشار إليها، تخليل الفولاذ، وتركيز حمض الفوسفوريك، وتجفيف الكلور، فإن الجمع بين درجة الحرارة العالية والتآكل العالي والضرورة الاقتصادية للتصميم المدمج يجعل الجرافيت هو الاختيار الافتراضي.
دور النجاح الميداني التاريخي
يرجع الدور الرائد للجرافيت إلى عقود من الخبرة الميدانية الراسخة. وفي مثل هذه الظروف العملية الشاقة، أثبت الجرافيت أنه أكثر موثوقية بشكل ملحوظ من أي مادة بديلة. غالبًا ما تكون البيانات المخبرية هي الدافع وراء اختيار المواد، ولكن الأمر كذلك بالنسبة للخبرة الميدانية السابقة. المهندسون الذين يحددون المعدات اللازمة لخط مخلل جديد، أو مبخر حمض الفوسفوريك، أو مجموعة تبريد الكلور يلتزمون عمومًا بمعايير الصناعة الخاصة بالجرافيت، نظرًا لأن أي انحراف عن هذا المستوى يمثل مخاطرة غير ضرورية.
ملخص الاستنتاج
المبادلات الحرارية الجرافيتية هي المادة المعتادة في تخليل الفولاذ (حمض الهيدروكلوريك الساخن)، وتركيز حمض الفوسفوريك (حامض ساخن يحتوي على الفلورايد) وتجفيف الكلور (الكلور الرطب مع حمض الكبريتيك). يوفر الجرافيت مزيجًا من المقاومة الكيميائية، والتوصيل الحراري العالي والقدرة على درجة الحرارة التي لا يمكن مطابقتها بمواد أخرى (المعادن، PTFE، الزجاج) على نطاق كامل من ظروف العملية في كل حالة. يعتبر PTFE أفضل في الخمول الكيميائي عند درجات الحرارة المنخفضة، لكن موصليته الحرارية الضعيفة وحدود درجة الحرارة تجعله غير مناسب كبديل للجرافيت في هذه التطبيقات الصعبة. إن الحالة الافتراضية لصناعة المبادل الحراري الجرافيتي ليست مجرد حادث-إنها تعتمد على عقود من الخدمة الموثوقة والفعالة من حيث التكلفة-حيث فشلت البدائل بشكل متكرر في تقديمها.
