گرم کردن جریان اسید سولفوریک داغ و غلیظ تا 180 درجه کاری است که PTFE به سادگی نمی تواند دوام بیاورد-قدرت آن مدت ها قبل از آن دما از بین می رود. گرافیت غیرقابل نفوذ، یک بلوک کربنی آغشته به رزین متراکم-، به عنوان جایگزین استاندارد غیر فلزی- وارد میشود. اما این دو ماده اشکال فیزیکی بسیار متفاوتی برای انجام یک کار دارند. ضخامت دیواره لوله هر ماده چیزهای زیادی در مورد شخصیت مکانیکی، محدودیت های دما و مناسب بودن آن برای محیط های شیمیایی تهاجمی نشان می دهد. درک کردنگرافیت در مقابل ضخامت دیواره لوله PTFE اسید درجه حرارت بالامبادله{0}}برای انتخاب مبدل حرارتی مناسب برای شرایط سخت فرآیند ضروری است.
چرا ضخامت دیوار اساساً بین گرافیت و PTFE تفاوت دارد؟
گرافیت و PTFE به انتقال حرارت از انتهای مخالف طیف مواد نزدیک می شوند. یکی سرامیک سفت و نسوز است. دیگری یک پلیمر انعطاف پذیر{1}}در دمای پایین است. ضخامت دیواره لوله مربوطه آنها دلخواه نیست-آنها توسط نقاط قوت و ضعف ذاتی مواد تعیین می شوند.
گرافیت: ضخیم، شکننده، و{0}}قابلیت دمای بالا
لوله مبدل حرارتی گرافیت جزء انعطاف پذیر نیست. این یک استوانه-ضخیم و محکم است. در بسیاری از طرحها (مانند مبدلهای بلوکی{3})، لولهها با حفاری سوراخهای دقیق مستقیماً در یک بلوک جامد از گرافیت غیرقابل نفوذ به جای مونتاژ لولههای نازک منفرد شکل میگیرند. ضخامت دیواره حاصل معمولاً از 3 تا 6 میلی متر بسته به قطر لوله و فشار کاری متغیر است.
این ضخامت قابل توجه اهداف متعددی را انجام می دهد:
استحکام سازه:گرافیت شکننده است و انعطاف پذیری ندارد. یک دیوار ضخیم استحکام مکانیکی مورد نیاز برای مقاومت در برابر فشار داخلی، تنشهای نصب و شیبهای حرارتی را بدون ترکخوردگی فراهم میکند.
کمک هزینه خوردگی:در حالی که گرافیت در برابر اکثر اسیدها مقاومت می کند، برخی از حملات سطحی جزئی می تواند در طول زمان رخ دهد. دیوار ضخیم باعث میشود-میزان خوردگی ایجاد شود، که عمر طولانی را حتی در محیطهای تهاجمی تضمین میکند.
مزیت هدایت حرارتی:گرافیت دارای رسانایی حرارتی فوق العاده بالایی در حدود 80-120 W/m·K- تقریباً 300 تا 400 برابر PTFE است. حتی با یک دیوار ضخیم، انتقال حرارت کارآمد باقی می ماند زیرا ماده خود یک رسانای عالی است.
با این حال، شکنندگی گرافیت نیاز به رسیدگی دقیق دارد. یک نصب مکانیکی آرام لازم است-ارتعاش، شوک حرارتی، یا افزایش فشار ناگهانی میتواند باعث ایجاد ترک شود. دیوار ضخیم بخشی از این خطر را کاهش می دهد، اما نیاز به مهندسی محتاطانه را از بین نمی برد.
PTFE: نازک، انعطافپذیر، و دما-محدود
در مقابل، PTFE به جای استحکام بر انعطاف پذیری و بی اثری شیمیایی خود متکی است. در سرویسهای اسیدی با دمای بالا (در محدوده آن)، PTFE بهعنوان-لولههای دیواری نازک، اغلب با ضخامت دیواره کمتر از 1 میلیمتر{4}}معمولاً بین 0.5 میلیمتر تا 0.8 میلیمتر برای لولههای مبدل حرارتی با قطر کوچک-استفاده میشود.
چرا اینقدر لاغر؟ هدایت حرارتی PTFE بسیار کم است، تقریباً 0.25 W/m·K. یک دیوار PTFE ضخیم به عنوان یک عایق حرارتی عمل می کند و عملکرد مبدل حرارتی را به شدت کاهش می دهد. دیواره نازک این مقاومت حرارتی ضعیف را به حداقل میرساند و با وجود ویژگیهای عایق ذاتی مواد، نرخ انتقال حرارت قابل قبولی را امکانپذیر میسازد.
انعطاف پذیری PTFE نیز نقش دارد. لولههای نازک میتوانند بدون ترک خوردگی خم شوند و ارتعاش کنند، و PTFE را برای طراحیهای پوسته-و-لولهای که تفاوتهای انبساط حرارتی با خمش لوله برآورده میشود، مناسب میسازد. با این حال، همین انعطاف پذیری حداکثر دمای عملیاتی را محدود می کند. بالای 110 درجه در سرویس اسیدی مداوم، PTFE شروع به نرم شدن می کند، تحت بار خزش می کند و یکپارچگی مکانیکی را از دست می دهد. در 180 درجه، PTFE عملاً هیچ استحکام مفیدی ندارد.
جدول مقایسه ای: ویژگی های دیوار لوله PTFE در مقابل گرافیت
| اموال | گرافیت | PTFE |
|---|---|---|
| ضخامت دیواره لوله معمولی | 3-6 میلی متر | 0.5-0.8 میلی متر |
| حداکثر دمای مداوم در سرویس اسید | 200-250 درجه (بسته به نوع اسید) | ~110 درجه |
| هدایت حرارتی | 80–120 W/m·K | ~0.25 W/m·K |
| رفتار مکانیکی | سفت و سخت، شکننده، نیاز به رسیدگی دقیق دارد | انعطاف پذیر، انعطاف پذیر، لرزش-متحمل |
| حالت شکست | ترک ناشی از شوک حرارتی یا مکانیکی | نرم شدن، خزش یا ترکیدن در اثر گرمای بیش از حد |
عملکرد حرارتی: گرافیت ضخیم در مقابل PTFE نازک
ترکیب ضخامت دیوار و هدایت حرارتی انتقال حرارت کلی را تعیین می کند. یک لوله گرافیتی با ضخامت 5 میلیمتر دارای مقاومت حرارتی تقریباً 5 میلیمتر / 100 وات بر متر· K=0.00005 متر مربع· K/W در واحد سطح-در بیشتر محاسبات فرآیند ناچیز است. یک لوله PTFE با ضخامت 0.6 میلی متر دارای مقاومت 0.0006 متر / 0.25 W/m·K=0.0024 m²·K/W است که تقریباً 50 برابر بیشتر است. بنابراین، حتی اگر دیوار PTFE بسیار نازکتر است، رسانایی ضعیف آن غالب است و در مقایسه با گرافیت به مناطق انتقال حرارت بزرگتر یا شار حرارتی کمتری نیاز دارد.
انتخاب بر اساس دمای فرآیند و محدودیت های مکانیکی
تصمیم بین گرافیت و PTFE به دما و کنترل مکانیکی بستگی دارد.
برای سرویس اسیدی بالاتر از 120 درجه (مثلاً اسیدهای سولفوریک، فسفریک یا نیتریک غلیظ در دماهای بالا):گرافیت تنها انتخاب غیر فلزی قابل اجرا است. دیواره ضخیم و شکنندگی آن باید با تکیه گاه های مناسب، رمپ های حرارتی آهسته و عایق ارتعاشی تطبیق داده شود. راگرافیت در مقابل ضخامت دیواره لوله PTFE اسید درجه حرارت بالاهنگامی که دما از حد PTFE فراتر رود، مقایسه به وضوح به نفع گرافیت است.
برای سرویس اسیدی زیر 100 درجه با لرزش بالقوه یا چرخه حرارتی:دیواره نازک و انعطاف پذیر PTFE مقاومت بالایی در برابر خستگی و تحمل تنش مکانیکی دارد. با این حال، سطح مبدل حرارتی بزرگتر برای جبران رسانایی حرارتی ضعیف مورد نیاز است.
برای شرایط مختلط یا نامشخص:یک رویکرد محافظه کارانه استفاده از گرافیت در صورت وجود احتمال افزایش دمای بالاتر از 110 درجه است. PTFE بیصدا-نرمشده و نشت میکند-در حالی که گرافیت با خیال راحت در محدوده طراحی خود به کار خود ادامه میدهد.
یادداشت های کاربردی عملی
شکنندگی گرافیت نیاز به نصب دقیق دارد. اتصالات لولهکشی باید بدون کرنش- باشد و از بسته شدن ناگهانی شیر که باعث ایجاد چکش آب میشود، اجتناب شود. رویه های پیش گرمایش اغلب نرخ های رمپ دمایی تدریجی (مثلاً 10 درجه در دقیقه) را برای جلوگیری از ترک خوردن شوک حرارتی الزامی می کند. در مقابل، PTFE نسبت به تغییرات سریع دما و ناهماهنگی مکانیکی بسیار بهتر عمل می کند، مشروط بر اینکه دمای مطلق زیر 110 درجه باقی بماند.
نتیجه گیری: تطبیق فرم مواد با نیازهای پردازش
ضخامت دیواره هر ماده بازتاب مستقیم شخصیت ذاتی آن است. توده گرافیت استحکام و عملکرد حرارتی را در جایی که انعطاف پذیری PTFE از کار میافتد را فراهم میکند-سرویس اسید در دمای بالا نیازمند دیواری ضخیم و نسوز است که بتواند در برابر خوردگی و فشار داخلی مقاومت کند. طبیعت نازک و منعطف PTFE در جایی که استحکام گرافیت باعث شکسته شدن-دمای پایین-درجه حرارت پایین،{6}}کاربردهای مستعد ارتعاش{6}} از غشای منعطف است که حرکت را بدون ترک خوردگی در خود جای میدهد برتری دارد. بنابراین، انتخاب مواد مربوط به تطبیق شکل فیزیکی مواد با نیازهای فیزیکی فرآیند است. وقتی دما از 110 درجه بالاتر می رود، دیواره گرافیتی ضخیم یک اشکال نیست{10}}این یک ضرورت است.
