เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกราไฟท์แบบบล็อก-เปรียบเทียบกับชุดเปลือก PTFE-และ-ท่ออย่างไร

เมื่อกำหนดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับการใช้งานกรดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง ตัวเลือกที่ไม่ใช่-โลหะมักจะเข้ามามีบทบาท: ตัวแลกเปลี่ยนบล็อกกราไฟท์และตัวแลกเปลี่ยนเปลือก PTFE-และ- ทั้งสองมีความทนทานต่อการกัดกร่อน แต่คุณสมบัติทางความร้อนและทางกลทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย การทำความเข้าใจถึงข้อเสีย-ในแง่ของความกะทัดรัด ประสิทธิภาพเชิงความร้อน ความเข้ากันได้ทางเคมี และความทนทานเชิงกลเป็นประเด็นสำคัญสำหรับการเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสม

ภาพรวมการออกแบบ: บล็อกกราไฟท์เทียบกับเปลือกและท่อ PTFE
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบล็อกกราไฟท์ทำจากกราไฟท์ที่ผ่านไม่ได้หนึ่งบล็อกขึ้นไป (กราไฟท์ที่ชุบด้วยเรซิน) แต่ละบล็อกจะถูกเจาะด้วยทางเดินสองชุด ชุดแรกสำหรับของเหลวในกระบวนการที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และอีกชุดหนึ่งสำหรับของเหลวบริการ (น้ำหล่อเย็น ไอน้ำ หรือตัวกลางทำความร้อน) บล็อกถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันโดยใช้กาวกราไฟท์- หรือด้วยข้อต่อแบบปะเก็น ขึ้นอยู่กับรูปแบบการเจาะ ของไหลไหลผ่านท่อในรูปแบบการไหลข้ามหรือไหลสวนทาง-

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือก PTFE-และ-แบบท่อประกอบด้วย-ท่อ PTFE (โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน) แบบมีผนังบาง ซึ่งบรรจุอยู่ในเปลือกโลหะหรือพลาสติก ของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเดินทางผ่านท่อ PTFE (หรือรอบๆ ท่อ) ในขณะที่ของเหลวบริการไหลไปอีกด้านหนึ่ง โดยปกติแล้วแผ่นกั้นระดับกลางจะใช้เพื่อรองรับท่อ PTFE มัดท่อถูกผนึกไว้ที่แผ่นท่อด้วยข้อต่อท่อแบบขยายหรืออุปกรณ์อัด

การออกแบบทั้งสองมีความแตกต่างกันในเรื่องสำคัญประการหนึ่ง นั่นก็คือความยืดหยุ่นทางกล บล็อกกราไฟท์มีความแข็งและไม่ยอมแพ้ ท่อ PTFE มีความยืดหยุ่นและสามารถทนต่อการสั่นสะเทือนเล็กน้อยและการขยายตัวทางความร้อนได้โดยไม่เกิดความเสียหาย

Big Plus ของกราไฟท์: การนำความร้อน
ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดคือค่าการนำความร้อน กราไฟท์มีค่าการนำความร้อนประมาณ 80-120W/mK (ตามเกรดกราไฟท์และเรซินเคลือบ) อย่างไรก็ตาม PTFE มีค่าการนำความร้อนประมาณ 0.25 W/m K ซึ่งต่ำกว่ากราไฟท์ประมาณ 300 ถึง 400 เท่า

ความแตกต่างอย่างมากนี้หมายความว่าตัวแลกเปลี่ยนบล็อกกราไฟท์สามารถมีขนาดกะทัดรัดอย่างน่าทึ่งสำหรับงานถ่ายเทความร้อนที่เท่ากัน หน่วยกราไฟท์คือหนึ่งใน-ปริมาตรของหน่วย PTFE ชนิดเปลือกและท่อที่มีประสิทธิภาพทางความร้อนเท่ากัน บล็อกกราไฟท์มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในสถานการณ์ที่มีพื้นที่จำกัด เช่น การติดตั้งเพิ่มเติมกับโครงร่างอุปกรณ์ที่มีอยู่ หรือการติดตั้งบนรางไถลที่แออัด

ในทางกลับกัน ค่าการนำความร้อนต่ำของ PTFE หมายความว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือก-และ-ท่อที่มีท่อ PTFE ต้องการพื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อนที่ค่อนข้างสูง สิ่งนี้นำไปสู่พื้นที่ฐานที่ใหญ่ขึ้น มัดท่อที่ยาวขึ้น และเส้นผ่านศูนย์กลางของเปลือกที่ใหญ่ขึ้น ในทางปฏิบัติ โดยปกติแล้วตัวแลกเปลี่ยน PTFE จำเป็นต้องใช้เฉพาะในกรณีที่ความทนทานต่อสารเคมีพิเศษของตัวแลกเปลี่ยนนั้นชดเชยกับขนาดที่ลดลง

คุณสมบัติทางกล: เปราะหรือยืดหยุ่น
กราไฟท์เป็นสารที่เปราะ กราไฟท์ที่ไม่ซึมผ่านจะแข็งแกร่งกว่ากราไฟท์ดิบ แต่ยังสามารถแตกหักได้โดย:

การกระแทกทางกล (เช่น เครื่องมือสูญหาย การเคลื่อนท่ออย่างรวดเร็ว)

ค้อนน้ำในสายบริการของเหลว

การหมุนเวียนความร้อนสูงเกินไป (การให้ความร้อนหรือความเย็นอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากกว่าขีดจำกัดที่ผู้ผลิตกำหนด)

แรงบิดของโบลต์ไม่สม่ำเสมอในหน้าแปลนหรือส่วนหัว

หากบล็อกกราไฟท์แตก โดยปกติแล้วตัวแลกเปลี่ยนจะไม่สามารถซ่อมแซมได้ การแตกร้าวอาจทำให้เกิด-การรั่วไหลข้ามระหว่างกระบวนการและวงจรของเหลวบริการ หรือการรั่วไหลภายนอก วิธีเดียวที่จะแก้ไขได้คือเปลี่ยนบล็อกสแต็กทั้งหมด นี่มักเป็นการลงทุนครั้งใหญ่

ในทางกลับกัน ท่อ PTFE มีความยืดหยุ่นและทนทาน ค้อนน้ำ การสั่นสะเทือน และการหมุนเวียนของความร้อนปานกลางสามารถทนได้โดยไม่เกิดความเสียหาย หากท่อ PTFE เส้นใดเส้นหนึ่งรั่ว (เนื่องจากการเสียดสีหรือการเจาะเชิงกล เป็นต้น) โดยทั่วไปสามารถปิดผนึกได้ที่แผ่นท่อทั้งสองแผ่น และท่อส่วนที่เหลือยังคงสามารถใช้งานได้ การออกแบบบางแบบอนุญาตให้เปลี่ยนท่อได้ แต่ต้องใช้แรงงานคนมาก ลักษณะทางกลที่ให้อภัยของ PTFE ทำให้ตัวแลกเปลี่ยนเหล่านี้เหมาะสำหรับพืชที่มีการควบคุมความเสถียรของการไหลหรือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เข้มงวดน้อยกว่า

ทนต่อสารเคมี : มี PTFE ให้เลือกหลากหลาย
ทั้งกราไฟท์และ PTFE ทนต่อกรดกัดกร่อนได้หลากหลาย แต่มีความแตกต่างที่สำคัญหลายประการ

เข้ากันได้กับ: กราไฟท์ (เกรดไม่ซึมผ่าน)

กรดไฮโดรคลอริก (ความเข้มข้นทั้งหมดจนถึงจุดเดือด)

กรดซัลฟิวริก (มากถึงประมาณ 80–85% ที่อุณหภูมิปานกลาง ปริมาณที่มากขึ้นต้องเลือกอย่างระมัดระวัง)

กรดฟอสฟอริก 12.

- กรดอินทรีย์

อย่างไรก็ตาม กราไฟท์ได้รับความเสียหายจากกรดออกซิไดซ์ที่แรง เช่น:

กรดไนตริก (โดยเฉพาะเข้มข้นหรือให้ความร้อน)

กรดโครมิก (กรดโครมิก)

ต้องการน้ำกัดทอง

กรดผสมกับคลอรีนหรือโบรมีนฟรี

สารเคมีออกซิไดซ์แทรกซึมเข้าไปในโครงสร้างกราไฟท์และทำให้เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรน ส่งผลให้เกิดความล้มเหลวอย่างรวดเร็ว ไม่ควรใช้เครื่องแลกเปลี่ยนกราไฟท์ในบริการดังกล่าว เว้นแต่จะได้รับการอนุมัติจากผู้ผลิตสำหรับเกรดกราไฟท์เฉพาะทาง (แบบเคลือบฟีนอลและฟูราน- โดยที่ยังคงมีข้อจำกัดอยู่)

PTFE ทนทานต่อสารทุกชนิดเกือบทั้งหมด ยกเว้นโลหะอัลคาไลหลอมเหลวและธาตุฟลูออรีนที่อุณหภูมิสูง PTFE สามารถทนต่อกรดไนตริก กรดโครมิก และกรดออกซิไดซ์อื่นๆ ในทางปฏิบัติที่ความเข้มข้นทุกระดับ นอกจากนี้ยังต้านทานตัวทำละลายอินทรีย์ คลอรีน และของเหลวในกระบวนการส่วนใหญ่ที่พบในการตกแต่งพื้นผิวและการแปรรูปทางเคมี สำหรับส่วนผสมที่ไม่เป็นมิตรสูง (เช่น น้ำกัดกรด กรดไนตริกเข้มข้นแบบร้อน หรือสารละลายกรดผสม) บางครั้ง PTFE ก็เป็นทางเลือกเดียวที่ไม่ใช่-โลหะ

คุณสมบัติ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบล็อกกราไฟท์ เปลือก PTFE -และ-เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ
ค่าการนำความร้อน (W/mK) 80 –120 0.25
ขนาดสัมพัทธ์สำหรับ Same Duty Compact (พื้นฐาน 1x) ขนาดใหญ่ (ใหญ่กว่า 10-15 เท่า)
อุณหภูมิต่อเนื่องสูงสุด 180–200 องศา (ขึ้นอยู่กับเรซิน) ~110 องศา (การคืบของ PTFE จำกัด)
พฤติกรรมทางกล เปราะ แตกหักด้วยแรงกระแทกหรือค้อนน้ำ ยืดหยุ่น ทนทานต่อการสั่นสะเทือนและการหมุนเวียนด้วยความร้อน
ความสามารถในการซ่อมแซม โดยทั่วไปไม่สามารถซ่อมแซมได้หากรอยแตกร้าวของท่อสามารถปิดกั้นหรือเปลี่ยนได้ทีละชิ้น
ความต้านทานต่อกรดออกซิไดซ์ (ไนตริก, โครมิก) แย่ ไม่แนะนำดี; ทนทานโดยสิ้นเชิง
การใช้งานทั่วไป การทำความเย็นด้วย H2SO4 การทำความร้อน/ความเย็น HCl บริการกรดอินทรีย์ การดองกรดผสม น้ำกัดกรด คลอรีน-สารละลายที่ประกอบด้วย อ่างชุบ
ต้นทุนเริ่มต้น (สัมพันธ์) สูงกว่า (การผลิตเฉพาะทาง) ปานกลางถึงต่ำ
ข้อจำกัดด้านอุณหภูมิ
เครื่องแลกเปลี่ยนบล็อกกราไฟท์ เมื่อชุบด้วยเรซินอย่างเหมาะสม (โดยปกติคือฟีนอลหรือฟูแรน) สามารถทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงถึง 180–200 องศา เกรดพิเศษบางเกรดได้รับการจัดอันดับที่สูงถึง 220 องศา ทำให้กราไฟท์เหมาะสำหรับการทำความร้อนหรือทำความเย็นให้กับกรดซัลฟิวริกเข้มข้น ไอกรดไฮโดรคลอริกร้อน และกระแสที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง-อื่นๆ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ PTFE ถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 110 องศา เพื่อการใช้งานต่อเนื่อง เมื่อสูงกว่าอุณหภูมินี้ PTFE จะเริ่มอ่อนตัวลงและคืบคลานภายใต้ความแตกต่างของแรงดันที่พาดผ่านผนังท่อ สามารถทนต่อการบิดงอระยะสั้นถึง 120-130 องศาได้ แต่การสัมผัสกับอุณหภูมิสูงเป็นเวลานานส่งผลให้เกิดการเสียรูปของท่อ การรั่วไหลที่ข้อต่อของท่อ และความล้มเหลวขั้นสุดท้าย สำหรับการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 110 องศา โดยทั่วไปกราไฟท์เป็นทางเลือกเดียวที่ไม่ใช่โลหะ หรือต้องใช้ตัวแลกเปลี่ยนโลหะที่มีซับในโลหะผสมที่ไม่ธรรมดา

ปัญหาด้านต้นทุนและการบำรุงรักษา
โดยทั่วไปต้นทุนแรกของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบล็อกกราไฟท์จะมากกว่าราคาของหน่วยเปลือกและท่อ PTFE ที่มีค่าความร้อนเท่ากัน บล็อกกราไฟท์ต้องใช้การเจาะที่แม่นยำ เทคนิคการติดพิเศษ และการควบคุมคุณภาพอย่างระมัดระวัง มัดท่อ PTFE ผลิตขึ้นจำนวนมากโดยมีต้นทุนวัสดุและการผลิตน้อยลง

แต่ต้นทุนการเป็นเจ้าของโดยรวมค่อนข้างขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน เครื่องแลกเปลี่ยนกราไฟท์อาจใช้งานได้นานหลายทศวรรษโดยไม่มีปัญหาในการให้บริการกรดที่สะอาดและเสถียร โดยไม่มีแรงกระแทกทางกลหรือสารเคมีออกซิไดซ์ ต้นทุนเริ่มต้นที่สูงกว่านั้นได้รับการพิสูจน์ด้วยขนาดที่กะทัดรัดและประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูง ในบริการที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่น้ำจะไหลหรือหมุนเวียนด้วยความร้อน อันตรายจากการแตกร้าวของกราไฟท์อาจทำให้โครงสร้าง PTFE ชดเชยความผิดพลาดได้มากกว่า แม้ว่าจะต้องใช้ตัวแลกเปลี่ยนที่ใหญ่กว่าก็ตาม

เทคนิคการบำรุงรักษาจะแตกต่างกันบ้าง อุปกรณ์กราไฟท์ต้องใช้กระบวนการ-เริ่มต้นและปิดเครื่อง-ที่ละเอียดอ่อนเพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน โดยทั่วไปแนะนำให้ใช้ตัวกรองที่ด้านของเหลวซ่อมบำรุงเพื่อป้องกันไม่ให้เศษสกปรกบนผิวหน้าของบล็อก ตัวแลกเปลี่ยน PTFE มีความไวต่อการรบกวนการไหลน้อยกว่า แต่จะต้องทำความสะอาดเป็นระยะๆ หากเส้นผ่านศูนย์กลางท่อขนาดเล็กเหม็น พลังงานพื้นผิวที่ต่ำของ PTFE (อธิบายไว้ในส่วนก่อนหน้า) เป็นข้อได้เปรียบในการลดการเกิดตะกรัน อย่างไรก็ตาม ท่อ PTFE สามารถทำความสะอาดด้วยเครื่องจักรได้

คู่มือการตัดสินใจ: การเลือกตัวแลกเปลี่ยนที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน?
การตัดสินใจระหว่างบล็อกกราไฟท์กับเปลือก PTFE-และ-ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อนั้นขึ้นอยู่กับ-เกณฑ์เฉพาะการใช้งานหลายประการ

พิจารณาเครื่องแลกเปลี่ยนบล็อกกราไฟท์ในกรณี:

ต้องมีขนาดกะทัดรัดเนื่องจากข้อจำกัดด้านพื้นที่

อุณหภูมิกระบวนการสูงกว่า 110 องศาและต่ำกว่า 200 องศา

ของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนคือกรดซัลฟิวริก กรดไฮโดรคลอริก หรือกรดอินทรีย์ที่ไม่{0}}ออกซิไดซ์

น้ำยาบริการมีความบริสุทธิ์และปราศจากค้อนน้ำและเศษซาก

การออกแบบระบบที่เหมาะสมสามารถป้องกันการกระแทกทางกลและการหมุนเวียนความร้อนอย่างรวดเร็ว

หน่วยที่มีขนาดเล็กกว่าและมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนมากกว่าเป็นที่ยอมรับได้หากจำเป็นต้องมีการลงทุนล่วงหน้าจำนวนมาก

เลือกตัวแลกเปลี่ยนเปลือกและท่อ PTFE เมื่อ:

ของเหลวมีสารออกซิไดซ์ที่ทรงพลัง (กรดไนตริก, กรดโครมิก, อควากัดทอง, กรดผสม)

อุณหภูมิกระบวนการน้อยกว่า 110 องศา

ระบบท่ออาจทนต่อค้อนน้ำ การสั่นสะเทือน หรือวงจรความร้อนบ่อยครั้ง

ความทนทานทางกลไกและการชดเชยความเสียหายมีความสำคัญมากกว่าความกะทัดรัด

สิ่งที่พึงประสงค์คือต้นทุนเริ่มต้นที่ต่ำกว่าและความเป็นไปได้ที่จะเสียบหรือเปลี่ยนหลอดแต่ละหลอด

มีพื้นที่เพียงพอสำหรับพื้นที่เครื่องแลกเปลี่ยนที่ใหญ่ขึ้น

ในทางปฏิบัติ โรงงานกระบวนการทางเคมีหลายแห่งดำเนินการทั้งสองประเภท เครื่องแลกเปลี่ยนกราไฟท์ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในบริการทำความเย็นด้วยกรดซัลฟิวริกและวงจรทำความร้อนด้วยกรดไฮโดรคลอริก ตัวแลกเปลี่ยน PTFE เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับสายการดองด้วยกรดแบบผสม การทำความร้อน/ทำความเย็นด้วยการชุบด้วยไฟฟ้า และการบำบัดกรดของเสียที่มีสายพันธุ์ออกซิไดซ์อยู่

สรุป: การตัดสินใจทางวิศวกรรมที่ยุ่งยาก
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกราไฟท์แบบบล็อกและชุดเปลือกและท่อ PTFE เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรมการถ่ายเทความร้อนที่มีฤทธิ์กัดกร่อน แต่โดยพื้นฐานแล้วจะมีความแตกต่างกันในเรื่องจุดแข็งและข้อบกพร่อง กราไฟท์นั้นดีต่อการนำความร้อนและขนาด แต่จะเปราะ มีค่าใช้จ่ายสูงในการเริ่มต้น และไวต่อกรดออกซิไดซ์ PTFE มีภูมิคุ้มกันทางเคมีและความยืดหยุ่นทางกลที่เหนือชั้นด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม มีขีดจำกัดอุณหภูมิอยู่ที่ 110 องศา และต้องการพื้นที่ผิวที่ใหญ่กว่ามาก

ตัวเลือกจะขึ้นอยู่กับกรดที่ใช้ อุณหภูมิในการทำงาน สภาพแวดล้อมทางกล และพื้นที่ว่าง การเลือกใช้วัสดุสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในบริการที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเป็น-ปัญหาทางวิศวกรรมหลายแง่มุม ซึ่งรวมถึง-ข้อเสียระหว่างประสิทธิภาพการระบายความร้อน ความเข้ากันได้ของสารเคมี ความทนทานทางกล และ-ต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน "เทคโนโลยีไม่สามารถเอาชนะเทคโนโลยีโดยรวมได้ แต่แต่ละเทคโนโลยีก็มีความเฉพาะเจาะจงของตัวเองซึ่งเหนือกว่า"