Vprašanje stabilnosti
Kemična tovarna določa izmenjevalnik toplote za 80 % žveplovo kislino pri 120 stopinjah. V ožjem izboru sta dva materiala: neprepustni grafit in PTFE. Oba sta odporna na žveplovo kislino pri tej koncentraciji in temperaturi. Oba imata obsežne industrijske rezultate. Odločitev o izbiri je odvisna od tega, kateri material zagotavlja stabilnejšo toplotno učinkovitost v 10-letni življenjski dobi.
Začetni izračuni prenosa toplote dajejo prednost grafitu. Njegova toplotna prevodnost 80–120 W/m·K je približno 400-krat višja od 0,25 W/m·K PTFE. Grafitni izmenjevalnik toplote za to storitev zahteva bistveno manjšo površino. Začetni stroški opreme so nižji. Vgrajeni odtis je manjši.
Toda začetna uspešnost ni vprašanje. Vprašanje je stabilnost delovanja. Ali grafitni izmenjevalec ohranja svojo toplotno prednost v desetletju neprekinjene izpostavljenosti kislini? Odgovor je odvisen od mehanizmov razgradnje, ki v vroči žveplovi kislini delujejo počasi, a kumulativno.
Razgradnja grafita v vroči žveplovi kislini
Neprepustni grafit se proizvaja z impregnacijo poroznega grafita s fenolno ali furansko smolo. Smola zapolni pore, zaradi česar je material neprepusten za procesne tekočine. Ta kompozitna struktura je kemično odporna, vendar ni kemično inertna.
Žveplova kislina pri 80-odstotni koncentraciji in 120 stopinjah napada smolno impregnacijo prek dveh mehanizmov. Kislinska hidroliza prekine kemične vezi v polimeru smole, postopoma zmanjša njegovo molekulsko maso in mehansko celovitost. Oksidacija z vročo koncentrirano kislino uvaja karbonilne in karboksilne skupine, kar dodatno oslabi strukturo smole.
Ko se smola razgradi, postane grafitna matrika počasi dostopna kislini. Sam grafit je odporen na žveplovo kislino, vendar poroznost, ki nastane zaradi razgradnje smole, omogoča, da kislina prodre globlje v material. Toplotna prevodnost začne upadati, ko se smolna-grafitna vez pokvari in na vmesniku nastanejo mikroskopske vrzeli.
Hitrost razgradnje je odvisna od temperature, koncentracije kisline in specifičnega smolnega sistema. Fenolno{1}}impregniran grafit v 80 % H₂SO₄ pri 120 stopinjah običajno kaže merljivo zmanjšanje toplotne prevodnosti po 3-5 letih. Grafit,-impregniran s furanom, deluje bolje, vendar še vedno postopoma razpada. Do leta 8-10 se lahko toplotna prevodnost zmanjša za 15-25 % glede na vgrajeno vrednost.
Tabela 1: Primerjava stabilnosti toplotne učinkovitosti v 80 % H₂SO₄ pri 120 stopinjah v 10 letih
| Parameter zmogljivosti | Neprepustni grafit (fenol) | Neprepustni grafit (furan) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Začetna toplotna prevodnost (W/m·K) | 100 | 100 | 0.25 |
| Zadrževanje prevodnosti 3. leto | 90-95% | 93-97% | 100% |
| 5. leto zadrževanje prevodnosti | 80-90% | 88-94% | 100% |
| Leto 10 ohranjanje prevodnosti | 70-85% | 80-90% | 100% |
| Mehanizem razgradnje | Hidroliza smole, oksidacija | Hidroliza smole (počasnejša) | Noben |
| Za kompenzacijo je potrebno povečanje površine | 15-40 % v načrtovani življenjski dobi | 10-25 % v načrtovani življenjski dobi | 0% |
| Način okvare | Prodiranje kisline v grafitno jedro | Prodiranje kisline (zakasnjeno) | Brez (kemično) |
PTFE: Brez razgradnje skozi čas
PTFE nima smolne impregnacije, ki bi se lahko razgradila. V celoti je 100 % fluoropolimer. Vezi ogljik-fluor, ki mu dajejo nizko toplotno prevodnost, so iste vezi, ki mu dajejo absolutno kemično stabilnost v žveplovi kislini. Ni mehanizma, s katerim bi kislina spremenila strukturo ali lastnosti materiala.
Toplotna prevodnost PTFE ostane nespremenjena pri 0,25 W/m·K od prvega dne do desetega leta in naprej. Debelina stene cevi ostane konstantna. Površina prenosa toplote ostane konstantna. Celotni koeficient prenosa toplote ostane stabilen, ob predpostavki, da je zunanje umazanje obvladano.
Ta stabilnost poenostavi dimenzioniranje izmenjevalnika toplote. Za kompenzacijo prihodnje degradacije ni potreben faktor predimenzioniranja. Izmenjevalnik, ki je primeren za prvi-dajatev, bo še vedno izpolnjeval to dajatev desetletje pozneje. Edine prilagoditve učinkovitosti prenosa toplote izvirajo iz zunanjih dejavnikov-umazanije na strani postopka ali nabiranja vodnega kamna na strani pare-ki enako vplivajo na grafit in PTFE in jih obvladujemo z običajnim vzdrževanjem.
Izračun prevelike velikosti
Praktična posledica razgradnje grafita je, da mora biti začetni izmenjevalnik toplote prevelik, da se nadomesti prihodnja izguba toplotne zmogljivosti. Izmenjevalnik, zasnovan za delovanje 100 kW s fenolno-impregniranim grafitom, je mogoče zgraditi za 120 kW, da se omogoči 20-odstotno zmanjšanje prevodnosti v 10 letih.
Ta prevelika velikost porabi začetno velikost in stroškovno prednost grafita. Prevelik grafitni izmenjevalec se približa velikosti ekvivalenta PTFE. Ko so vključeni preveliki stroški, se razlika med začetnimi kapitalskimi stroški med grafitom in PTFE znatno zmanjša.
Povzetek
Grafitni izmenjevalniki toplote v vroči 80-odstotni žveplovi kislini doživljajo postopno zmanjšanje toplotne prevodnosti zaradi razgradnje impregnanta smole. Fenolno{2}}impregniran grafit lahko v 10 letih izgubi 15-30 % svoje toplotne učinkovitosti. Grafit, impregniran s furanom, se obnese bolje, vendar se še vedno razgradi.
PTFE toplotni izmenjevalniki v istem obdobju nimajo ničelne toplotne degradacije zaradi kemične interakcije. Inherentna inertnost fluoropolimera odpravlja mehanizem razgradnje. Kar PTFE žrtvuje pri začetni toplotni prevodnosti, povrne z absolutno dolgoročno -stabilnostjo.
Inženirska analiza za izbiro toplotnega izmenjevalnika grafita v primerjavi s PTFE v posebnih aplikacijah z žveplovo kislino je na voljo ob predložitvi koncentracije kisline, delovne temperature, načrtovane življenjske dobe in trenutne zgodovine delovanja opreme.
