I hvilke kjemiske tjenester overgår en grafittvarmeveksler en PTFE-enhet?

Både grafitt og PTFE er mesterne i korrosiv varmeoverføring, men begge har sine sterke sider. Å kjenne til tjenestene der grafitt overgår PTFE vil forhindre kostbare feilapplikasjoner. PTFE er et utmerket kjemisk motstandsdyktig og mekanisk fleksibelt materiale, men grafitt har en overlegen termisk ledningsevne og høy temperaturbestandighet, noe som gjør det til det foretrukne materialet for et smalt utvalg av korrosive aktiviteter. Grafitt vs PTFE varmevekslere er godt forstått, og ingeniører kan velge den mest pålitelige og kostnadseffektive-løsningen.

Varm svovelsyre (70–98 %) - Grafittfestningen
En av de mest aggressive industrielle kjemikaliene er konsentrert varm svovelsyre. Grafitt (impregnert med fenol- eller PTFE-harpiks, ugjennomtrengelig type) fungerer godt i dette miljøet opp til 200 grader. Materialet er motstandsdyktig mot både oksidasjons- og dehydreringsangrep og opprettholder strukturell integritet selv ved høy konsentrasjon.

Mens PTFE er begrenset til omtrent 110 grader for vedvarende bruk i svovelsyre. Over denne temperaturen svekkes PTFE og mister sin mekaniske styrke. Også det termiske konduktivitetsgapet blir avgjørende. Effektiv varmeoverføring er nødvendig for å kjøle eller varme opp konsentrert syre for å unngå lokal overoppheting eller underkjøling som kan akselerere korrosjon eller forårsake produktskade.

I applikasjoner som fortynning av svovelsyre, mellom-trinnskjøling av kontaktanlegg eller syrekonsentrasjonsenheter, er grafittvarmevekslere vanligvis den eneste praktiske ikke-metalliske løsningen. De har stor varmeledningsevne og muliggjør kompakte design. Deres korrosjonsbestandighet er stabil for mange års bruk.

Saltsyre, organisk forurenset
Saltsyre er svært etsende for de fleste metaller uansett mengde. Både grafitt og PTFE tolereres godt av ren HCl. Imidlertid, hvis syren inneholder organiske forurensninger, slik som klorerte løsningsmidler, oljer eller reaksjonsbiprodukter, er grafitt ofte et foretrukket valg.

Grafitt motstår HCl opp til kokepunktet (110 grader for azeotropisk styrke) og er upåvirket av spor av organiske stoffer. PTFE motstår likeledes disse organiske stoffene, men ulempen med lavere varmeledningsevne for PTFE. For en gitt oppgave er varmeoverføringsarealet til en PTFE-veksler mye større. Der prosessvæsken inneholder klebrige organiske stoffer, øker de lengre rørlengdene og større skallet til en PTFE-enhet sannsynligheten for tilsmussing og vanskeligheter med å rengjøre. Grafitt tilbys i kompakt blokk- eller skall-og-rørform, noe som minimerer oppholdstid og overflateareal for avsetning.

I praksis, for HCl-tjenester med moderat til høy varmebelastning, tilbyr grafitt en mindre, mer responsiv veksler som er lettere å rengjøre og vedlikeholde.

Tjenester som krever høye varmeoverføringshastigheter
Grafitt har en varmeledningsevne på 80–120 W/m·K, flere hundre ganger mer enn PTFE (0,25 W/m·K). Grafitt er det valgte materialet der kompakthet og stor termisk effektivitet er avgjørende. Fordelen er maksimal i:

Høy-væskekjøling eller oppvarming - Den totale varmeoverføringskoeffisienten for væskeveksler med grafittvæske- er normalt 600–1200 W/m2·K, mens den for PTFE er 200–400 W/m2·K. Forskjellen er at en grafittenhet kan være 2 til 5 ganger mindre for samme bruk.

Kondensering av korrosive damper - Høye rør-sidefilmkoeffisienter kreves for kondenseringsaktiviteter. Den lave ledningsevnen til PTFE er en alvorlig flaskehals på grunn av filmmotstanden til kondenseringsvæsken. Grafitt vil kondensere effektivt, ofte på mindre enn en tredjedel av arealet som kreves for en PTFE-enhet.

Rask batchoppvarming eller avkjøling - For batchoperasjoner der syklustiden er avgjørende, gir den lave termiske massen og den sterke termiske ledningsevnen til grafitt raske temperaturramper. Den trege responsen til PTFE øker også syklustiden.

Kompaktheten til grafitt er en avgjørende faktor i applikasjoner hvor plassen er begrenset, som kjemiske reaktorskinner, farmasøytiske renrom eller ettermontering i eksisterende bygninger.

Når PTFE er bedre enn grafitt (bekreftelse)
Enhver rettferdig sammenligning må anerkjenne tjenester som PTFE er overlegen for. PTFE er bedre enn grafitt nedenfor:

Service Hvorfor du bør velge PTFE
Sterke oksiderende syrer (f.eks. konsentrert salpetersyre, kromsyre) Under oksidasjonsforhold angripes harpiksimpregneringen og forårsaker tap av korrosjonsbestandighet i ugjennomtrengelig grafitt. PTFE er i hovedsak ikke-oksiderende.
Varme sterke etsende stoffer (f.eks. . 50% NaOH over 100 grader )Varme alkalier angriper grafitt. PTFE motstår etsende stoffer opp til temperaturgrensene.
Oleum (rykende svovelsyre som inneholder fri SO₃)Grafitt reagerer med fri SO 3 . PTFE er stabil .
Systemer med høye vibrasjoner eller vannhammereGrafitt er sprøtt, derfor sprekker det. PTFE er fleksibelt så det tåler det mekaniske støtet.
Store eller slitende stoffer i væsker Grafittpassasjer tetter eller brytes ned. PTFE-rør kan bøye seg og gå gjennom partikler.
Grafitt vil reagere med oleum, varme sterke kaustiske stoffer eller oksiderende syrer, f.eks. konsentrert salpeter. For disse tjenestene bør PTFE eller andre materialer (f.eks. tantal, silisiumkarbid) undersøkes.

Sammendragstabell: Veiledning for beslutning
En kort veiledning for valg av grafitt eller PTFE for kjemisk bruk er vist i tabellen nedenfor:

Kjemisk service Grafittytelse PTFE Ytelsesmaterialer foretrukket
Varm H2SO4 (70-98 %, 80-200oC) Utmerket Temperatur begrenset