Độ dày thành ống của bộ trao đổi than chì so với PTFE trong dịch vụ axit nhiệt độ-cao như thế nào?

PTFE không thể chịu được nhiệt khi dòng axit sulfuric đậm đặc, nóng được làm nóng đến 180 độ – sức mạnh của nó đã giảm đi rất nhiều trước đó. Chất thay thế phi kim loại theo tiêu chuẩn thực tế-là than chì không thấm nước, một khối cacbon-nhựa tẩm nhựa dày đặc. Nhưng hai vật liệu này thực hiện cùng một công việc ở những hình dạng vật lý hoàn toàn khác nhau. Độ dày thành ống của từng vật liệu là một chỉ số tốt về tính chất cơ học, giới hạn nhiệt độ và khả năng thích ứng với các điều kiện hóa học khắc nghiệt. Hiểu được sự cân bằng axit nhiệt độ cao ở thành ống than chì và PTFE{8}}là rất quan trọng để chọn bộ trao đổi nhiệt chính xác cho các điều kiện quy trình đòi hỏi khắt khe.

Sự khác biệt cơ bản về độ dày thành giữa than chì và PTFE
Than chì và PTFE nằm ở hai cực đối diện của quang phổ truyền nhiệt. Một là gốm cứng, chống cháy. Loại còn lại là polyme linh hoạt, nhiệt độ thấp. Độ dày thành ống không phải là ngẫu nhiên. Chúng được xác định bởi những điểm mạnh và điểm yếu vốn có của vật liệu.

Than chì: Dày đặc, dễ vỡ và chịu nhiệt cao
Ống trao đổi nhiệt than chì không phải là một bộ phận linh hoạt. Nó là một hình trụ vững chắc với những bức tường dày. Trong một số hệ thống, chẳng hạn như bộ trao đổi kiểu khối, các ống được tạo ra bằng cách khoan các lỗ chính xác trực tiếp vào một khối than chì không thấm nước rắn, thay vì chế tạo các ống mỏng riêng lẻ. Độ dày thành ống thường nằm trong khoảng từ 3 đến 6 mm, tùy thuộc vào đường kính ống và áp suất vận hành.

Độ dày dày này phục vụ một số mục đích:

Sức mạnh kết cấu. Than chì giòn và không dẻo. Tường dày cần thiết để có độ bền cơ học chịu được áp suất bên trong, tải trọng lắp đặt và độ dốc nhiệt mà không bị nứt.

Khả năng chống ăn mòn: Than chì có khả năng chống lại hầu hết các axit mặc dù một số hư hỏng bề mặt nhẹ có thể phát triển theo thời gian. Thành dày cung cấp khả năng chống ăn mòn và đảm bảo tuổi thọ lâu dài ngay cả trong những điều kiện khắt khe.

Ưu điểm về độ dẫn nhiệt Than chì có độ dẫn nhiệt cực cao khoảng 80-120 W/m·K-khoảng 300 đến 400 lần so với PTFE . Ngay cả với một bức tường dày, nhiệt vẫn dễ dàng truyền đi vì bản thân vật liệu này là chất dẫn nhiệt tốt.

Tuy nhiên, than chì rất dễ vỡ và phải được xử lý cẩn thận. Cần phải lắp đặt cơ học yên tĩnh-các vết nứt có thể do rung động, sốc nhiệt độ hoặc tăng áp suất bất ngờ. Bức tường dày loại bỏ một số rủi ro này, nhưng nó không loại bỏ được sự cần thiết phải có kỹ thuật thận trọng.

PTFE mỏng, linh hoạt, giới hạn nhiệt độ
Mặt khác, PTFE phụ thuộc vào tính linh hoạt và độ trơ hóa học của nó chứ không phụ thuộc vào độ bền của nó. Khi sử dụng axit ở nhiệt độ cao (trong giới hạn của nó), PTFE được sử dụng làm ống có thành mỏng, thường có độ dày thành dưới 1 milimet-, thường từ 0,5 mm đến 0,8 mm đối với các ống trao đổi nhiệt có đường kính nhỏ.

Sao gầy thế? PTFE có độ dẫn nhiệt rất kém – khoảng 0,25 W/m·K. Nếu thành được làm bằng PTFE dày, nó sẽ hoạt động như một chất cách nhiệt và làm giảm đáng kể hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt. Khả năng chịu nhiệt vốn đã không đủ này bị suy giảm bởi bức tường mỏng, cho phép tốc độ truyền nhiệt chấp nhận được, bất chấp chất lượng cách nhiệt của vật liệu.

PTFE cũng dẻo. Các ống mỏng có thể uốn cong và rung mà không bị nứt, do đó PTFE phù hợp cho các hệ thống vỏ-và-ống trong đó chênh lệch giãn nở nhiệt được hấp thụ bởi độ uốn của ống. Nhưng sự linh hoạt này cũng hạn chế nhiệt độ hoạt động tối đa. Dịch vụ axit liên tục trên khoảng 110 độ sẽ bắt đầu làm mềm PTFE. PTFE sẽ bò dưới tải và mất tính toàn vẹn cơ học. PTFE không có độ bền thực tế ở 180 C.

Bảng so sánh: Tính chất của thành ống than chì so với thành ống PTFE
Thuộc tính than chì PTFE
Độ dày thành ống điển hình 3-6 mm 0,5-0,8 mm
Nhiệt độ liên tục tối đa trong dịch vụ axit ~ 110 độ 200–250 độ (tùy thuộc vào loại axit)
Độ dẫn nhiệt 80–120 W/m·K ~0,25 W/m·K
Đặc tính cơ học: Cứng, dễ vỡ, xử lý cẩn thận Linh hoạt, đàn hồi, giảm chấn
Chế độ hỏng hóc Nứt do sốc nhiệt hoặc cơ học Làm mềm, rão hoặc nổ do quá nhiệt
Hiệu suất nhiệt Than chì dày v PTFE mỏng
Tổng lượng nhiệt truyền phụ thuộc vào độ dày của tường và độ dẫn nhiệt. Khả năng chịu nhiệt của ống than chì dày 5 mm là khoảng 5 mm / 100 W/m-K=0.00005 m 2 -K/W trên một đơn vị diện tích--không đáng kể trong hầu hết các phép tính quy trình. Điện trở của ống PTFE có độ dày 0,6 mm là 0,0006 m / 0,25 W/m·K=0.0024 m2·K/W, lớn hơn khoảng 50 lần. Do đó, mặc dù thành PTFE mỏng hơn nhiều nhưng độ dẫn kém của nó chiếm ưu thế và dẫn đến bề mặt truyền nhiệt lớn hơn hoặc dòng nhiệt thấp hơn so với than chì.

Lựa chọn dựa trên nhiệt độ quy trình và các ràng buộc cơ học
Than chì và PTFE là xử lý nhiệt độ và cơ học.

Đối với dịch vụ axit vượt quá 120 độ (ví dụ: axit sunfuric, photphoric hoặc nitric đậm đặc ở nhiệt độ cao): Than chì là lựa chọn phi kim loại duy nhất. Nó có thành dày và dễ gãy, cần được hỗ trợ phù hợp, tăng nhiệt dần dần và cách ly rung động. So sánh độ dày thành ống than chì và PTFE ở nhiệt độ cao. Than chì rõ ràng là tốt hơn khi nhiệt độ cao hơn giới hạn của PTFE.

Đối với dịch vụ axit dưới 100 độ, nơi có thể xảy ra rung động hoặc chu kỳ nhiệt, thành mỏng, linh hoạt của PTFE mang lại khả năng chống mỏi tuyệt vời và chịu được áp lực cơ học. Tuy nhiên, cần có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn hơn để bù đắp cho độ dẫn nhiệt yếu.

Đối với các điều kiện hỗn hợp hoặc không rõ ràng: chiến lược thận trọng là sử dụng than chì nếu có khả năng chênh lệch nhiệt độ vượt quá 110 độ. PTFE sẽ âm thầm hư hỏng – nó sẽ biến dạng và rò rỉ – nhưng than chì sẽ tiếp tục hoạt động an toàn trong giới hạn thiết kế của nó.

Mẹo xử lý thực tế
Than chì rất dễ vỡ và phải được lắp đặt cẩn thận. Các mối nối đường ống không được bị biến dạng và tránh bị đóng van gây ra hiện tượng búa nước. Quá trình làm nóng trước thường sử dụng tốc độ tăng nhiệt độ chậm (ví dụ: 10 độ C/phút) để tránh nứt do sốc nhiệt. Mặt khác, PTFE có khả năng chịu được sự thay đổi nhiệt độ nhanh và sai lệch cơ học tốt hơn nhiều, với điều kiện nhiệt độ tuyệt đối vẫn dưới 110 độ.

Kết luận: Điều chỉnh hình thức vật liệu phù hợp với yêu cầu của quy trình
Độ dày thành của mỗi vật liệu phản ánh trực tiếp tính chất của vật liệu. Phần thân chính của than chì mang lại độ bền và hiệu suất nhiệt trong đó tính linh hoạt của PTFE sẽ không hoạt động được - khi sử dụng axit ở nhiệt độ cao đòi hỏi một bức tường chắc chắn, chống cháy có thể chịu được sự ăn mòn và áp suất bên trong. PTFE mỏng, linh hoạt và do đó hoàn hảo cho các ứng dụng mà độ cứng của than chì có thể gây vỡ – hãy nghĩ đến nhiệt độ thấp và độ rung, trong đó màng linh hoạt có thể hấp thụ các chuyển động mà không bị vỡ. Vì vậy, lựa chọn vật liệu là làm cho hình dạng vật lý của vật liệu phù hợp với yêu cầu vật lý của quy trình. Khi nhiệt độ vượt quá 110 độ, bức tường than chì dày không phải là một khuyết điểm mà đó là điều cần thiết.