Trong ngành nào than chì là vật liệu trao đổi nhiệt mặc định và tại sao?

Trong một số lĩnh vực nhất định, việc chỉ định bộ trao đổi nhiệt bằng than chì là điều hiển nhiên. Than chì đã trở thành vật liệu thông dụng trong nhiều thập kỷ và là vật liệu được lựa chọn khi các vật liệu khác sẽ nhanh hỏng hoặc quá đắt để có thể áp dụng vào thực tế. Khi kim loại bị rỉ sét và polyme bị mềm hoặc mất hiệu suất nhiệt, than chì không thấm nước (nhựa phenolic hoặc furan được ngâm tẩm) mang đến sự kết hợp độc đáo giữa tính dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn đặc biệt trong các điều kiện khắc nghiệt khác nhau và khả năng sử dụng lên đến 200 độ và hơn thế nữa. Chúng ta cần biết các quy trình chính xác trong đó than chì hoạt động tốt hơn bất kỳ vật liệu nào khác để biết các ứng dụng mặc định trong ngành của bộ trao đổi nhiệt than chì.

Các ngành công nghiệp trọng điểm hàng đầu
Ba ngành công nghiệp chủ chốt luôn chọn bộ trao đổi nhiệt than chì làm lựa chọn mặc định. Tẩy thép (axit clohydric), nồng độ axit photphoric, sấy khô clo. Trong mỗi trường hợp, giải pháp tốt nhất và tiết kiệm nhất là than chì vì tính chất ăn mòn của chất lỏng, nhiệt độ cao và yêu cầu truyền nhiệt nhỏ gọn, hiệu quả.

NgànhĐiều kiện chất lỏng quan trọng do hoạt động không thành côngKết quả của vật liệu không đạt tiêu chuẩn
Tẩy thép (HCl) Axit clohydric nóng 80–95 độ, HCl lên tới 18% Thường có FeCl 2 Chất trao đổi kim loại (titan, tantalum) ăn mòn nhanh PTFE mềm ra; yêu cầu đơn vị lớn hơn
Nồng độ axit photphoric Axit photphoric-quy trình ướt với florua, clorua, silica 100-160 độ, 40-54% P2O5, có HF và H2SiF6 Thép lót thủy tinh dễ bị florua ăn mòn; kim loại hợp kim cao (Hastelloy) bị ăn mòn hoặc quá đắt
Khí clo ướt + axit sunfuric đậm đặc 10–40 độ (làm mát), oxy hóa mạnh, ngưng tụ axit Oxy hóa nhanh kim loại (niken, đồng, thép); lựa chọn phi kim loại (PTFE) không có tính dẫn nhiệt cho máy làm mát sấy nhỏ gọn
Tẩy thép - Dịch vụ axit clohydric nóng
Tẩy gỉ thép và dây thép Axit clohydric nóng (thường là 10–18% HCl ở 80–95 độ) được sử dụng để loại bỏ cặn oxit sắt. Axit được nạp sắt clorua (FeCl2) và phải được đun nóng liên tục để làm cho quá trình diễn ra hiệu quả cũng như được làm mát trong các vòng tái sinh axit. Các bộ trao đổi nhiệt bằng kim loại như titan, tantalum và zirconium bị rỗ nhanh, ăn mòn kẽ hở hoặc hiện tượng giòn hydro do HCl nóng gây ra. Phân tích hợp kim dựa trên niken-trong vài tuần. Bộ trao đổi vỏ và ống PTFE có khả năng chống lại sự tấn công hóa học, nhưng chúng có hai nhược điểm nghiêm trọng:

Độ dẫn nhiệt thấp (0,2 W/m·K so với. 100–120 W/m·K đối với than chì) có nghĩa là các thiết bị này có kích thước lớn và tốn-không gian.

Giới hạn nhiệt độ: PTFE mềm và dão trên khoảng 110 độ và do đó không thích hợp cho các hoạt động tẩy rửa hoặc tái sinh nồi hơi ở nhiệt độ cao.

Khối than chì hoặc bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống có thể hoạt động an toàn ở 95 độ và có thể chịu được những chuyến du ngoạn ngắn đến 120-130 độ. Kích thước nhỏ gọn giúp dễ dàng tích hợp các thiết bị vào dây chuyền tẩy chua hiện có. Tuổi thọ của dịch vụ HCl là 10-20 năm đối với hàng trăm công trình lắp đặt trên khắp thế giới. Do đó, than chì là vật liệu tiêu chuẩn cho bộ gia nhiệt, bộ làm mát axit và bộ trao đổi nhiệt của hệ thống tái sinh. Về mặt lý thuyết, PTFE có thể hoạt động, kích thước lớn hơn và chi phí lắp đặt cao hơn của thiết bị PTFE thường có lợi cho than chì.

Nồng độ axit photphoric: Làm việc với nhiệt độ cao và florua
Axit photphoric-quy trình ướt (WPA) được tạo ra bằng cách cho đá photphat phản ứng với axit sunfuric. Axit thu được chứa một lượng đáng kể tạp chất: florua (dưới dạng HF và H2SiF6), clorua và sunfat kim loại. Quá trình cô đặc từ khoảng 28% P₂O₅ đến mức thương mại-54% P₂O₅ được thực hiện trong điều kiện chân không hoặc áp suất khí quyển ở nhiệt độ lên tới 160 độ . Hàm lượng florua sẽ tấn công mạnh mẽ các vật liệu có chứa silicon (thủy tinh, thép lót thủy tinh) và nhiều hợp kim đặc biệt.

Bộ trao đổi nhiệt than chì được sử dụng rộng rãi làm máy sưởi, calandria thiết bị bay hơi và bộ làm mát bình ngưng trong các cơ sở axit photphoric. Than chì đã trở thành mặc định vì: Các lý do bao gồm:

Khả năng kháng florua: Than chì không bị ảnh hưởng bởi HF hoặc axit fluosilicic ở nồng độ và nhiệt độ ở nồng độ WPA.

Khả năng chịu nhiệt độ cao: Than chì vẫn giữ được độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn lên tới 170-200 độ, bao gồm tất cả các ứng dụng nồng độ axit photphoric.

Ưu điểm về độ dẫn nhiệt: Than chì là chất dẫn nhiệt tốt và đây là điểm cộng cho các thiết kế thiết bị bay hơi ở chỗ nó có nghĩa là diện tích bề mặt ít hơn và kích thước bình chứa nhỏ hơn.

PTFE cũng chống lại florua, tuy nhiên bộ trao đổi nhiệt PTFE hiếm khi được yêu cầu trong lĩnh vực kinh doanh này. Vấn đề chính là dấu chân lớn hơn đáng kể cho cùng một nhiệm vụ. Đối với các cơ sở sản xuất axit photphoric quy mô lớn (hàng trăm nghìn tấn mỗi năm), không gian bị hạn chế và kết cấu hỗ trợ cho các bộ trao đổi nhiệt PTFE khổng lồ không hấp dẫn về mặt kinh tế. PTFE cũng có giới hạn nhiệt độ tối đa là ~180 độ, mang lại rất ít biên độ cho các tình huống bị xáo trộn. Than chì nằm giữa các kim loại lạ (ăn mòn quá nhanh) và các polyme có nhiệt độ thấp hơn (cần quá nhiều diện tích).

Sấy bằng clo: làm mát có khả năng chống lại quá trình oxy hóa
Trong các nhà máy sản xuất kiềm clo, khí clo sinh ra bằng điện phân màng hoặc màng ngăn được bão hòa hơi nước. Clo ướt có tính ăn mòn khá cao, tạo thành axit hypochlorous và axit clohydric. Clo ướt được làm khô trong tháp nén bằng cách tiếp xúc với axit sulfuric mạnh (98-99%). Khí clo khô thu được (có sương mù axit) phải được làm lạnh trước khi nén hoặc xử lý tiếp. Bộ làm mát clo ở hạ lưu tháp sấy là bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ than chì.

Tại sao lại là than chì ngay từ đầu? Khí được làm mát bao gồm clo khô, hơi axit sulfuric dư và nước ngưng. Hỗn hợp này là chất oxy hóa mạnh và sẽ tấn công hầu hết các kim loại. Đồng, thép và niken bị ăn mòn nhanh. Tantalum có khả năng chống chịu nhưng lại quá đắt đối với các bề mặt truyền nhiệt đáng kể. Chịu được hóa chất, PTFE không thể cung cấp khả năng làm mát nhỏ gọn, hiệu quả cao cần thiết để ngưng tụ sương axit và kiểm soát nhiệt độ khí. Độ dẫn nhiệt cao của than chì cho phép làm mát nhỏ gọn, rẻ tiền, có thể dễ dàng bổ sung vào hệ thống sấy clo.

Dịch vụ clo cũng là lĩnh vực sử dụng các bộ trao đổi nhiệt bằng than chì trong hơn 50 năm, với-có hồ sơ về độ tin cậy và an toàn được thiết lập tốt. Trong lĩnh vực clo{3}}kiềm, các kỹ sư quy trình thường chỉ định bộ làm mát bằng than chì là điều hiển nhiên, hiếm khi nghĩ đến các lựa chọn vật liệu thay thế.

Tại sao PTFE không phải là mặc định
PTFE có khả năng kháng hóa chất đặc biệt, vậy tại sao than chì vẫn là lựa chọn thông thường trong các ngành công nghiệp này? Tại sao không phải là PTFE? Lời giải thích có ba hạn chế của PTFE:

Trần nhiệt độ: PTFE sẽ mềm ra và bắt đầu trượt dưới áp suất trên khoảng 110-120 C Hoạt động liên tục ở 150 độ là không thể tưởng tượng được. Than chì ổn định ít nhất ở nhiệt độ 200 C.

Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt rất thấp của PTFE đòi hỏi phải có vùng truyền nhiệt lớn. Đối với các ứng dụng cần hàng trăm mét vuông, thiết bị PTFE trở nên khá lớn, nặng và tốn kém khi lắp đặt.

Độ bền cơ học: Khối than chì và các bộ phận vỏ{0}}và{1}}ống cung cấp sự hỗ trợ chắc chắn, đáng tin cậy cho các tấm đệm và miếng đệm ống. Cần phải căng các ống PTFE một cách cẩn thận vì chúng dễ bị hư hỏng cơ học hơn trong quá trình làm sạch.

Nếu ứng dụng không vượt quá giới hạn nhiệt độ của PTFE và không gian không phải là vấn đề đáng lo ngại thì có thể chọn PTFE. Tuy nhiên, trong ba lĩnh vực được nêu, tẩy gỉ thép, nồng độ axit photphoric và sấy clo, sự kết hợp giữa nhiệt độ cao, độ ăn mòn cao và nhu cầu kinh tế đối với thiết kế nhỏ gọn khiến than chì trở thành lựa chọn mặc định.

Vai trò của sự thành công trong lĩnh vực lịch sử
Vai trò dẫn đầu của Graphite là nhờ kinh nghiệm thực tế đã có hàng thập kỷ. Trong những điều kiện quy trình khắc nghiệt như vậy, than chì đã tỏ ra đáng tin cậy hơn bất kỳ vật liệu thay thế nào. Dữ liệu trong phòng thí nghiệm thường thúc đẩy việc lựa chọn vật liệu, nhưng kinh nghiệm thực tế trong quá khứ cũng vậy. Các kỹ sư chỉ định thiết bị cho dây chuyền muối chua mới, thiết bị bay hơi axit photphoric hoặc hệ thống làm mát bằng clo thường tuân theo tiêu chuẩn công nghiệp về than chì, vì bất kỳ sự khác biệt nào so với mức đó đều là rủi ro không cần thiết.

Tóm tắt Kết luận
Bộ trao đổi nhiệt than chì là vật liệu thông thường trong tẩy thép (HCl nóng), nồng độ axit photphoric (nóng, axit chứa florua) và sấy clo (clo ướt với axit sulfuric). Than chì mang đến sự kết hợp giữa khả năng kháng hóa chất, độ dẫn nhiệt cao và khả năng chịu nhiệt độ mà các vật liệu khác (kim loại, PTFE, thủy tinh) không thể sánh được trong toàn bộ các điều kiện xử lý trong từng tình huống. PTFE có độ trơ hóa học tốt hơn ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng độ dẫn nhiệt kém và giới hạn nhiệt độ khiến nó không thích hợp để thay thế cho than chì trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe này. Tình trạng mặc định của ngành trao đổi nhiệt than chì không phải là ngẫu nhiên mà-nó dựa trên dịch vụ đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí-trong nhiều thập kỷ mà các giải pháp thay thế đã nhiều lần không cung cấp được.