Το ζήτημα της σταθερότητας
Ένα χημικό εργοστάσιο καθορίζει έναν εναλλάκτη θερμότητας για 80% θειικό οξύ στους 120 βαθμούς. Δύο υλικά εμφανίζονται στη σύντομη λίστα: αδιαπέραστος γραφίτης και PTFE. Και τα δύο αντιστέκονται στο θειικό οξύ σε αυτή τη συγκέντρωση και θερμοκρασία. Και οι δύο έχουν εκτεταμένες βιομηχανικές επιδόσεις. Η απόφαση επιλογής εξαρτάται από το ποιο υλικό παρέχει πιο σταθερή θερμική απόδοση κατά τη διάρκεια της 10ετούς ζωής σχεδιασμού.
Οι αρχικοί υπολογισμοί μεταφοράς θερμότητας ευνοούν τον γραφίτη. Η θερμική του αγωγιμότητα 80-120 W/m·K είναι περίπου 400 φορές υψηλότερη από 0,25 W/m·K του PTFE. Ένας εναλλάκτης θερμότητας γραφίτη για αυτήν την υπηρεσία απαιτεί σημαντικά μικρότερη επιφάνεια. Το αρχικό κόστος εξοπλισμού είναι χαμηλότερο. Το εγκατεστημένο αποτύπωμα είναι μικρότερο.
Αλλά η αρχική απόδοση δεν είναι το ζητούμενο. Το ερώτημα είναι η σταθερότητα της απόδοσης. Διατηρεί ο εναλλάκτης γραφίτη το θερμικό του πλεονέκτημα για μια δεκαετία συνεχούς έκθεσης σε οξύ; Η απάντηση εξαρτάται από τους μηχανισμούς αποδόμησης που λειτουργούν αργά αλλά αθροιστικά στο ζεστό θειικό οξύ.
Αποικοδόμηση γραφίτη σε θερμό θειικό οξύ
Ο αδιαπέραστος γραφίτης κατασκευάζεται με εμποτισμό πορώδους γραφίτη με φαινολική ή φουρανική ρητίνη. Η ρητίνη γεμίζει τους πόρους, καθιστώντας το υλικό αδιαπέραστο στα υγρά επεξεργασίας. Αυτή η σύνθετη δομή είναι χημικά ανθεκτική αλλά όχι χημικά αδρανής.
Το θειικό οξύ σε συγκέντρωση 80% και 120 μοίρες προσβάλλει τη ρητίνη εμποτισμού μέσω δύο μηχανισμών. Η όξινη υδρόλυση σπάει τους χημικούς δεσμούς στο πολυμερές της ρητίνης, μειώνοντας σταδιακά το μοριακό βάρος και τη μηχανική του ακεραιότητα. Η οξείδωση με θερμό πυκνό οξύ εισάγει ομάδες καρβονυλίου και καρβοξυλίου, εξασθενώντας περαιτέρω τη δομή της ρητίνης.
Καθώς η ρητίνη αποικοδομείται, η μήτρα γραφίτη γίνεται αργά προσβάσιμη στο οξύ. Ο ίδιος ο γραφίτης ανθίσταται στο θειικό οξύ, αλλά το πορώδες που δημιουργείται από την αποικοδόμηση της ρητίνης επιτρέπει στο οξύ να διεισδύσει βαθύτερα στο υλικό. Η θερμική αγωγιμότητα αρχίζει να μειώνεται καθώς ο δεσμός ρητίνης-γραφίτη φθείρεται και σχηματίζονται μικροσκοπικά κενά στη διεπιφάνεια.
Ο ρυθμός αποικοδόμησης εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση οξέος και το συγκεκριμένο σύστημα ρητίνης. Φαινολικός-εμποτισμένος γραφίτης σε 80% H2SO4 στους 120 βαθμούς συνήθως παρουσιάζει μετρήσιμη μείωση της θερμικής αγωγιμότητας μετά από 3-5 χρόνια. Ο γραφίτης{10}}εμποτισμένος με φουράνιο έχει καλύτερη απόδοση, αλλά εξακολουθεί να υποβαθμίζεται σταδιακά. Μέχρι το έτος 8-10, η θερμική αγωγιμότητα μπορεί να έχει μειωθεί 15-25% από την τιμή που είχε εγκατασταθεί.
Πίνακας 1: Σύγκριση σταθερότητας θερμικής απόδοσης σε 80% H2SO4 στους 120 βαθμούς σε διάστημα 10 ετών
| Παράμετρος απόδοσης | Αδιαπέραστος γραφίτης (φαινολικός) | Αδιαπέραστος γραφίτης (Furan) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Αρχική θερμική αγωγιμότητα (W/m·K) | 100 | 100 | 0.25 |
| Διατήρηση αγωγιμότητας έτους 3 | 90-95% | 93-97% | 100% |
| Διατήρηση αγωγιμότητας έτους 5 | 80-90% | 88-94% | 100% |
| Διατήρηση αγωγιμότητας έτους 10 | 70-85% | 80-90% | 100% |
| Μηχανισμός υποβάθμισης | Υδρόλυση ρητίνης, οξείδωση | Υδρόλυση ρητίνης (πιο αργή) | Κανένας |
| Αύξηση της απαιτούμενης επιφάνειας για αντιστάθμιση | 15-40% στη διάρκεια ζωής του σχεδιασμού | 10-25% στη διάρκεια ζωής του σχεδιασμού | 0% |
| Λειτουργία αποτυχίας | Διείσδυση οξέος στον πυρήνα γραφίτη | Διείσδυση οξέος (καθυστερημένη) | Κανένα (χημικό) |
PTFE: Μηδενική υποβάθμιση με την πάροδο του χρόνου
Το PTFE δεν έχει ρητίνη εμποτισμού για αποικοδόμηση. Είναι 100% φθοριοπολυμερές παντού. Οι δεσμοί άνθρακα-φθορίου που του δίνουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα είναι οι ίδιοι δεσμοί που του δίνουν απόλυτη χημική σταθερότητα στο θειικό οξύ. Δεν υπάρχει μηχανισμός για το οξύ να μεταβάλλει τη δομή ή τις ιδιότητες του υλικού.
Η θερμική αγωγιμότητα του PTFE παραμένει αμετάβλητη στα 0,25 W/m·K από την πρώτη ημέρα έως το δέκατο έτος και μετά. Το πάχος του τοιχώματος του σωλήνα παραμένει σταθερό. Η επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας παραμένει σταθερή. Ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας παραμένει σταθερός, με την προϋπόθεση ότι αντιμετωπίζεται η εξωτερική ρύπανση.
Αυτή η σταθερότητα απλοποιεί το μέγεθος του εναλλάκτη θερμότητας. Δεν απαιτείται παράγοντας υπερμεγέθους για να αντισταθμίσει τη μελλοντική υποβάθμιση. Ο εναλλάκτης με μέγεθος ημέρας-μίας θα εξακολουθεί να ανταποκρίνεται σε αυτό το καθήκον μια δεκαετία αργότερα. Οι μόνες προσαρμογές στην απόδοση της μεταφοράς θερμότητας προέρχονται από εξωτερικούς παράγοντες-απορρίψεις στην πλευρά της διαδικασίας ή κλιμάκωση στην πλευρά του ατμού-που επηρεάζουν εξίσου τόσο τον γραφίτη όσο και το PTFE και αντιμετωπίζονται μέσω κανονικής συντήρησης.
Υπολογισμός Υπερμεγέθους
Η πρακτική συνέπεια της υποβάθμισης του γραφίτη είναι ότι ο αρχικός εναλλάκτης θερμότητας πρέπει να είναι μεγάλος για να αντισταθμίσει τη μελλοντική απώλεια θερμικής απόδοσης. Ένας εναλλάκτης που έχει σχεδιαστεί για ισχύ 100 kW με φαινολικό-εμποτισμένο γραφίτη μπορεί να κατασκευαστεί για 120 kW ώστε να επιτρέπει μείωση της αγωγιμότητας κατά 20% σε διάστημα 10 ετών.
Αυτή η υπερμεγέθης καταναλώνει το αρχικό μέγεθος και το πλεονέκτημα κόστους του γραφίτη. Ο υπερμεγέθης εναλλάκτης γραφίτη προσεγγίζει το μέγεθος του ισοδύναμου PTFE. Όταν περιλαμβάνεται το κόστος υπερμεγέθους, η διαφορά κόστους αρχικού κεφαλαίου μεταξύ γραφίτη και PTFE μειώνεται σημαντικά.
Περίληψη
Οι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη σε ζεστό θειικό οξύ 80% παρουσιάζουν σταδιακή μείωση της θερμικής αγωγιμότητας λόγω της υποβάθμισης του εμποτισμού της ρητίνης. Ο φαινολικός-εμποτισμένος γραφίτης μπορεί να χάσει το 15-30% της θερμικής του απόδοσης σε διάστημα 10 ετών. Ο γραφίτης εμποτισμένος με φουράνιο αποδίδει καλύτερα αλλά εξακολουθεί να υποβαθμίζεται.
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE παρουσιάζουν μηδενική υποβάθμιση της θερμικής απόδοσης από χημική αλληλεπίδραση κατά την ίδια περίοδο. Η εγγενής αδράνεια του φθοροπολυμερούς εξαλείφει τον μηχανισμό αποδόμησης. Ό,τι θυσιάζει το PTFE στην αρχική θερμική αγωγιμότητα το ανακτά μέσω της απόλυτης-μακροπρόθεσμης σταθερότητας.
Η μηχανική ανάλυση για επιλογή γραφίτη έναντι PTFE εναλλάκτη θερμότητας σε συγκεκριμένες εφαρμογές θειικού οξέος είναι διαθέσιμη με την υποβολή της συγκέντρωσης οξέος, της θερμοκρασίας λειτουργίας, της διάρκειας ζωής σχεδιασμού και του τρέχοντος ιστορικού απόδοσης του εξοπλισμού.
