Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm{0}}và-khung có miếng đệm PTFE so sánh với bộ trao đổi nhiệt dạng tấm-và-ống PTFE như thế nào?

Bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ-và-ống chiếm ưu thế trong dịch vụ ăn mòn, nhưng bộ trao đổi dạng tấm-và-khung với các miếng đệm fluoropolymer mang lại giải pháp thay thế hấp dẫn. Hình dạng cơ bản của chúng dẫn đến các đặc tính hiệu suất riêng biệt có thể hữu ích trong một số ứng dụng. Đối với chất lỏng xử lý sạch, có áp suất vừa phải, thiết kế khung-và-với các miếng đệm PTFE có thể mang lại hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn và chiếm ít diện tích hơn đáng kể so với bộ trao đổi ống-và{9}}ống PTFE tiêu chuẩn.

Tổng quan về thiết kế tấm và khung so với thiết kế vỏ và ống
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm-và-khung được tạo thành từ các tấm kim loại lượn sóng nối tiếp nhau được ép lại với nhau thành một khung. Mỗi tấm có một miếng đệm (trong trường hợp này là PTFE hoặc bất kỳ chất fluoropolymer nào khác) để bịt kín các kênh dòng chảy và dẫn chất lỏng nóng và lạnh vào các tuyến thay thế. Chất lỏng chảy qua các khoảng không gian quanh co mỏng giữa các tấm theo hướng-dòng chảy ngược hoặc hướng-chéo. Các nếp gấp khuyến khích sự nhiễu loạn ngay cả ở tốc độ dòng chảy thấp, giúp cải thiện đáng kể việc truyền nhiệt.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống-và-ống PTFE (như được trình bày chi tiết trong các bài viết khác) được làm từ một bó ống PTFE đặt trong vỏ kim loại hoặc nhựa. Chất lỏng dịch vụ chảy ở phía bên kia và chất lỏng ăn mòn chảy qua các ống (hoặc xung quanh chúng). Thành ống PTFE hơi dày nên nhiệt được truyền bằng dẫn nhiệt. Dòng chảy thường có dạng tầng hoặc nhiễu loạn-thấp trừ khi sử dụng vận tốc cao .

Sự khác biệt chính là chất của bề mặt truyền nhiệt. Trong kết cấu tấm-và-khung, các tấm này là kim loại (thường là thép không gỉ, Hastelloy, titan hoặc các hợp kim khác) và chỉ có các miếng đệm là PTFE. Chất lỏng xử lý tiếp xúc với các tấm kim loại và các miếng đệm PTFE. Bộ vỏ-và-ống PTFE có tất cả các bề mặt ướt được làm bằng PTFE, có khả năng chống ăn mòn phổ biến nhưng độ dẫn nhiệt kém hơn đáng kể.

Hiệu suất nhiệt: Đạt được giá trị U{0}}cao hơn nhờ hình dạng tấm
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và khung có lợi thế lớn nhất về hệ số truyền nhiệt tổng thể (giá trị U{0}}). Điều này là do một số nguyên nhân.

Tấm kim loại mỏng - Độ dày của tấm thường là 0,5 đến 1,0 mm so với thành ống PTFE từ 1,0 đến 2,0 mm. Kim loại (thép không gỉ ~15 W/m·K, titan ~17 W/m·K, Hastelloy ~10 W/m·K) truyền các bậc nhiệt có cường độ tốt hơn PTFE (~0,25 W/m·K). Tấm kim loại là chất dẫn nhiệt tốt hơn nhiều, thậm chí có tính đến điện trở của các vòng đệm kín PTFE (chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng diện tích).

Độ nhiễu loạn cao - Thiết kế của tấm tôn gây ra nhiễu loạn cục bộ cao. Điều này phá vỡ các lớp ranh giới và làm giảm đáng kể lực cản đối lưu ở cả hai phía của chất lỏng. Trong hệ thống PTFE dạng vỏ{3}}và-ống, dòng chảy trong các ống PTFE có đường kính- nhỏ thường là dòng chảy tầng trừ khi sử dụng công suất bơm đáng kể và dòng chảy bên vỏ-cũng tương đối nhẹ.

Các hệ thống khung-dòng chảy - - và khung{2}}và{3}}bộ đếm thực sự có thể tạo ra dòng điện-bộ đếm hoàn hảo, tối đa hóa chênh lệch nhiệt độ trung bình log (LMTD). Bộ trao đổi PTFE dạng vỏ và ống thường được thiết lập theo cấu hình dòng chảy chéo hoặc dòng hỗn hợp ít hiệu quả về mặt nhiệt động.

Trong thực tế, đối với cùng một cặp chất lỏng, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm-và-có đệm PTFE có thể có giá trị U-tổng thể cao hơn từ ba đến năm lần so với giá trị U-của bộ trao đổi nhiệt-và{4}}ống PTFE. Trong dịch vụ cấp nước{6}}nước, bộ trao đổi dạng tấm có thể đạt được 3.000-5.000 W/m²·K, trong khi bộ phận vỏ và ống-PTFE chỉ có thể đạt 200-400 W/m²·K. Trong các dịch vụ hóa chất ăn mòn, lợi ích vẫn còn lớn nhưng giá trị tuyệt đối phụ thuộc vào chất lượng của chất lỏng và xu hướng bám bẩn.

Dấu chân & Trọng lượng: Thiết kế tấm nhỏ gọn
Giá trị U{0}}lớn hơn nhiều, do đó, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm-và-khung yêu cầu diện tích bề mặt ít hơn nhiều để truyền tải nhiệt nhất định. Dấu chân thu được thường bằng một-một phần ba đến một-một phần năm so với bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ PTFE có cùng hiệu suất nhiệt. Trọng lượng cũng giảm đáng kể do gói dạng tấm nhẹ hơn nhiều so với bó ống PTFE có vỏ kim loại.

Tính nhỏ gọn của thiết kế tấm-và-khung là một lợi ích khác biệt cho các ứng dụng đòi hỏi không gian hạn chế, chẳng hạn như trang bị thêm vào các khung trượt quy trình hiện có, giàn khoan ngoài khơi hoặc cơ sở hóa học mô-đun. Bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ-và-ống PTFE có nhiệm vụ tương tự có thể dài vài mét và chiếm một diện tích sàn đáng kể, trong khi đó bộ trao đổi dạng tấm có thể được lắp đặt theo chiều dọc hoặc chiều ngang trong một phần không gian này.

Hạn chế về áp suất và nhiệt độ
Các bộ phận vỏ và ống (vỏ kim loại) làm bằng PTFE có thể được sử dụng ở áp suất từ ​​trung bình đến cao, thường là 6-10 bar ở phía ống, 10-20 bar ở phía vỏ, tùy thuộc vào thiết kế. Các ống PTFE bị giới hạn áp suất nhưng vỏ kim loại được chứa chắc chắn. Ống PTFE có thể chịu được nhiệt độ từ 110 đến 120 độ; Ống PFA, 150 đến 180 độ.

Các giới hạn nghiêm ngặt hơn áp dụng cho bộ trao đổi tấm-và-khung có miếng đệm PTFE:

Áp suất – Các miếng đệm phải được ép đủ để bịt kín vào các tấm. Lực kẹp cần thiết tăng lên khi áp suất bên trong tăng lên và khả năng miếng đệm bị đùn hoặc rò rỉ cũng tăng lên. Áp suất làm việc tối đa điển hình cho bộ trao đổi tấm đệm-PTFE là 6-10 bar (85-145 psi), với một số hệ thống được định mức là 15 bar. Áp suất cao hơn cần tấm dày hơn, khung nặng hơn và hình dạng đệm cụ thể, làm tăng thêm chi phí.

Nhiệt độ - Các miếng đệm PTFE bắt đầu giãn ra và mất lực bịt kín khi vượt quá khoảng 150 đến 180 độ. Điều này phụ thuộc vào loại fluoropolymer được sử dụng (PTFE, PFA hoặc PTFE đã được sửa đổi). Hoạt động trên 160 độ thường không được khuyến nghị cho hoạt động liên tục. Một số thiết kế vỏ-và-ống PTFE (có ống PFA) có thể hoạt động ở nhiệt độ lên tới 180-200 độ nhưng giới hạn thực tế thường thấp hơn.

Đối với các dịch vụ ăn mòn ở áp suất cao hoặc nhiệt độ cao, bộ phận PTFE vỏ và ống có thể là lựa chọn duy nhất. Đối với điều kiện ôn hòa (ví dụ: thanh . 5 và 100 độ), bộ trao đổi dạng tấm hoàn toàn phù hợp.

Khả năng chống ăn mòn: Hợp kim so với tấm Fluoropolymer đầy đủ
Bộ trao đổi vỏ và ống PTFE có khả năng chống ăn mòn phổ biến. PTFE gần như trơ hoàn toàn với tất cả các chất ngoại trừ kim loại kiềm nóng chảy và nguyên tố flo ở nhiệt độ cao. Do đó, chúng phù hợp với các axit hỗn hợp có tính ăn mòn cao, nước cường toan, axit nitric mạnh và các chất lỏng khác có thể ăn mòn hầu hết các kim loại.

Bộ trao đổi khung-và-có miếng đệm PTFE phụ thuộc vào các tấm kim loại để bảo vệ chống ăn mòn sơ cấp. Các miếng đệm là bộ phận PTFE duy nhất. Do đó vật liệu tấm phải được chọn để chịu được chất lỏng xử lý cụ thể. Dưới đây là một số tùy chọn phổ biến:

Thép không gỉ (304/316) – Chỉ dùng cho axit nhẹ và dung dịch trung tính.

Hastelloy C-276 hoặc B-3 - Khả năng kháng axit clohydric, axit sulfuric và các điều kiện khử tuyệt vời. Bị tấn công bởi các axit oxy hóa mạnh.

Titan (Cấp 2, Cấp 7) - Khả năng kháng axit oxy hóa (nitric, cromic) và clorua tuyệt vời. Sẽ bị tấn công bởi axit hydrofluoric và một số axit khử.

Zirconium hoặc Tantalum - Hợp kim kỳ lạ dành cho những trường hợp khắc nghiệt nhưng rất đắt tiền.

Bộ trao đổi dạng tấm có thể là giải pháp tiết kiệm chi phí nếu chất lỏng xử lý tương thích với hợp kim dạng tấm có thể tiếp cận được (ví dụ: titan cho axit nitric, Hastelloy cho HCl). Tuy nhiên, khi chất lỏng bao gồm một số chất thù địch (ví dụ: hỗn hợp axit với cả thành phần oxy hóa và chất khử) thì không một kim loại nào có thể được chấp nhận. Trong những trường hợp như vậy, bộ vỏ-và-ống PTFE có điện trở đa năng là lựa chọn an toàn hơn.

Làm bẩn, làm sạch, bảo trì
Bộ trao đổi khung-và-có thể được tháo rời một cách đơn giản để vệ sinh. Các tấm có thể tháo rời từng tấm một và có thể được làm sạch bằng cơ học (chải, rửa áp lực) hoặc bằng hóa chất. Đây là một điểm cộng lớn cho các dịch vụ tạo ra cặn mềm hoặc dính. Tuy nhiên, các lỗ nhỏ giữa các tấm (thường là 2-5 mm) dễ bị lấp đầy bởi các hạt, sợi hoặc chất kết tinh. Bộ trao đổi dạng tấm cần có bộ lọc hoặc bộ lọc ngược dòng được chế tạo tốt để loại bỏ các hạt lớn hơn khoảng 1 mm.

Bộ trao đổi ống-và-ống PTFE cung cấp kênh dòng chảy lớn hơn (đường kính bên trong ống thường là 5–15 mm) và ít bị tắc hơn. Bề mặt PTFE mịn, ma sát thấp cũng ngăn chặn sự bám dính của nhiều cặn (xem bài viết về năng lượng bề mặt). Nhưng khó làm sạch hơn." Việc làm sạch bên trong ống được thực hiện bằng cơ học (dụng cụ đặc biệt - bàn chải ống) và thường bằng hóa chất. Không thể tháo từng ống một ra để kiểm tra mà phải lấy cả bó ra khỏi vỏ.

Một trong những ưu điểm lớn của bộ trao đổi dạng tấm là nếu miếng đệm bị hỏng hoặc tấm bị ăn mòn thì các tấm và miếng đệm riêng lẻ có thể được thay thế sau vài giờ. Trong bộ phận ống-và{2}}vỏ PTFE, nếu một ống bị hỏng thì ống đó có thể phải được bịt lại (giảm diện tích bề mặt) hoặc có thể phải thay thế toàn bộ bó ống, một công việc tốn kém và tốn nhiều thời gian-.

Ứng dụng điển hình cho từng kỹ thuật
Bộ trao đổi khung-và-có miếng đệm PTFE thường được sử dụng trong các dịch vụ tiện ích sạch (nước-nước, nước-glycol, hơi nước áp suất thấp) nơi chất lỏng không bị ăn mòn quá mức. Chúng được nhìn thấy trong các ứng dụng quy trình hóa học trong:

Làm mát axit loãng (ví dụ:. 10% axit sulfuric) phù hợp với titan hoặc thép không gỉ.

Bể mạ được sử dụng với khả năng lọc tốt và nhiệt độ vừa phải.

Thu hồi nhiệt từ dòng ăn mòn tương đối sạch.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống-và-ống PTFE là lựa chọn ưu tiên cho các dịch vụ chứa axit có tính ăn mòn, oxy hóa cao hoặc chứa nhiều hạt-axit như:

Dây chuyền tẩy axit hỗn hợp (HNO3+HF)

Nóng bỏng. axit clohiđric.

Aqua regia và các hỗn hợp khắc nghiệt khác.

Xử lý axit thải bằng cách thay đổi thành phần chất lỏng

Bảng so sánh: Tấm & Khung so với Vỏ & Ống (PTFE)
Tấm và khung đặc trưng với vòng đệm ống và vỏ PTFE PTFE
Hệ số truyền nhiệt tổng thể (giá trị U{0}})Cao (lớn hơn 3-5 lần so với vỏ-và ống)Thấp (giới hạn độ dẫn nhiệt PTFE)
Dấu chân (mỗi nhiệm vụ)(1× đường cơ sở) NhỏLớn (lớn hơn 3–5 lần)
Áp suất duy trì tối đa6-10 bar (cao hơn với thiết kế cụ thể)6-10 bar ở phía ống (vỏ kim loại có thể cao hơn)
Tối đa. nhiệt độ liên tục 150–180 độ (miếng đệm-giới hạn)110–120 độ (ống PTFE); 150–180 độ (ống PFA)
Khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào miếng đệm PTFE hợp kim dạng tấmUniversal (PTFE hoặc PFA trên tất cả các bề mặt ẩm ướt)
Độ nhạy với các hạt bụiCao (các khe hở mỏng có xu hướng bịt kín)Thấp (đường kính ống lớn hơn; bề mặt nhẵn)
Dễ bảo trìRất tốt (các tấm có thể tháo rời và chải)Khá (cần làm sạch bằng hóa chất hoặc chải ống)
Khả năng sửa chữa Cao (có thể thay thế từng tấm và miếng đệm riêng lẻ)Hạn chế (bịt ống hoặc thay thế bó)
Chi phí đầu tiên (ví dụ: thuế) Sạch sẽ, dịch vụ vừa phải thấp hơn Khả năng chống ăn mòn chung tốt hơn
Các ứng dụng điển hình • Làm sạch axit loãng • Bể mạ • Tiện ích nước Axit hỗn hợp mạnh, axit oxy hóa, dòng chất thải có thành phần khác nhau
Hướng dẫn đưa ra quyết định: Chọn đúng sàn giao dịch
Quyết định về bộ trao đổi dạng tấm và khung có miếng đệm PTFE hoặc bộ phận vỏ và ống PTFE phải phụ thuộc vào độ sạch, độ ăn mòn, áp suất và diện tích có sẵn cho chất lỏng.

Chọn một tấm-và-bộ trao đổi khung nếu:

Chất lỏng xử lý sạch và các hạt nhỏ hơn 1 mm (hoặc được cung cấp bộ lọc phù hợp).

Chất lỏng tương thích với hợp kim kim loại có giá vừa phải (thép không gỉ, titan, Hastelloy) ở nhiệt độ vận hành.

Áp suất hoạt động dưới 10 bar và nhiệt độ dưới 150 độ.

Không gian có hạn và diện tích nhỏ gọn là rất quan trọng.

Rất quan trọng là dễ tháo gỡ và làm sạch.

Bộ trao đổi sẽ được sử dụng để thu hồi nhiệt hoặc thực hiện các nhiệm vụ tiện ích thay vì tiếp xúc trực tiếp với các axit hỗn hợp rất dễ phản ứng.

Chọn bộ trao đổi nhiệt vỏ-và-ống làm bằng PTFE khi:

Chất lỏng bao gồm các axit oxy hóa mạnh (nitric, cromic) hoặc axit kết hợp có thể tấn công bất kỳ kim loại nào.

Thành phần chất lỏng không thể đoán trước hoặc có đặc tính kém, do đó có rủi ro trong việc lựa chọn hợp kim.

Chất lỏng chứa các hạt, sợi hoặc tinh thể có thể làm tắc các khoảng trống nhỏ của tấm.

Operating pressure >10 bar or temperature >150 độ (với ống PFA).

Cần có khả năng chống ăn mòn toàn diện mà không có nguy cơ bị tấn công hoặc rỗ cục bộ.

Nhà máy không có khả năng bảo trì để thường xuyên tháo rời và thay thế gioăng đệm.

Cả hai công nghệ đều tồn tại song song trong nhiều môi trường xử lý hóa học. Có thể chọn bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ -và-ống PTFE cho nhiệm vụ gia nhiệt axit hỗn hợp có tính ăn mòn cao, trong khi đó, bộ trao đổi dạng tấm-và-khung với các tấm titan và gioăng PTFE xử lý nhiệm vụ làm mát bằng axit nitric loãng, sạch ở những nơi khác trong cùng một nhà máy.

Kết luận: Hiệu suất nhỏ gọn hoặc Độ bền phổ quát
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và khung với các miếng đệm PTFE mang lại hiệu suất nhiệt cao và dấu chân nhỏ do độ nhiễu loạn cao và các tấm kim loại mỏng. Giá trị U{1}}của chúng lớn hơn từ ba đến năm lần so với các đơn vị vỏ và ống PTFE, dẫn đến dấu chân nhỏ hơn đáng kể và giảm trọng lượng.