Pitanje stabilnosti
Hemijsko postrojenje specificira izmjenjivač toplote za 80% sumporne kiseline na 120 stepeni. U užem izboru nalaze se dva materijala: nepropusni grafit i PTFE. Oba su otporna na sumpornu kiselinu pri ovoj koncentraciji i temperaturi. Obojica imaju bogate industrijske rezultate. Odluka o odabiru se svodi na to koji materijal pruža stabilnije termalne performanse tokom 10-godišnjeg projektnog vijeka.
Početni proračuni prijenosa topline favoriziraju grafit. Njegova toplotna provodljivost od 80-120 W/m·K je otprilike 400 puta veća od PTFE-ovih 0,25 W/m·K. Grafitni izmjenjivač topline za ovu uslugu zahtijeva znatno manju površinu. Početni trošak opreme je niži. Instalirani otisak je manji.
Ali početni učinak nije pitanje. Pitanje je stabilnost performansi. Da li grafitni izmjenjivač održava svoju termičku prednost tokom decenije kontinuiranog izlaganja kiselini? Odgovor ovisi o mehanizmima razgradnje koji djeluju sporo, ali kumulativno u vrućoj sumpornoj kiselini.
Razgradnja grafita u vrućoj sumpornoj kiselini
Nepropusni grafit se proizvodi impregnacijom poroznog grafita fenolnom ili furanskom smolom. Smola ispunjava pore, čineći materijal nepropusnim za procesne tečnosti. Ova kompozitna struktura je hemijski otporna, ali nije hemijski inertna.
Sumporna kiselina u koncentraciji od 80% i 120 stepeni napada smolu impregnaciju kroz dva mehanizma. Kiselinska hidroliza razbija hemijske veze u polimeru smole, postepeno smanjujući njegovu molekularnu težinu i mehanički integritet. Oksidacija vrućom koncentriranom kiselinom uvodi karbonilne i karboksilne grupe, dodatno slabeći strukturu smole.
Kako se smola razgrađuje, grafitna matrica polako postaje dostupna kiselini. Sam grafit je otporan na sumpornu kiselinu, ali poroznost stvorena razgradnjom smole omogućava kiselini da prodre dublje u materijal. Toplotna provodljivost počinje opadati kako se smola-grafitna veza pogoršava i mikroskopske praznine se formiraju na međusklopu.
Brzina razgradnje ovisi o temperaturi, koncentraciji kiseline i specifičnom sistemu smole. Fenolno-impregnirani grafit u 80% H₂SO₄ na 120 stepeni obično pokazuje mjerljiv pad toplotne provodljivosti nakon 3-5 godina. Furan-impregnirani grafit ima bolje performanse, ali se i dalje postepeno razgrađuje. Do 8-10 godine, toplotna provodljivost je možda opala za 15-25% u odnosu na instalisanu vrednost.
Tabela 1: Poređenje stabilnosti termičkih performansi u 80% H₂SO₄ na 120 stepeni tokom 10 godina
| Parametar performansi | nepropusni grafit (fenol) | Nepropusni grafit (Furan) | PTFE |
|---|---|---|---|
| Početna toplotna provodljivost (W/m·K) | 100 | 100 | 0.25 |
| Treća godina zadržavanja provodljivosti | 90-95% | 93-97% | 100% |
| Zadržavanje provodljivosti 5 godina | 80-90% | 88-94% | 100% |
| Zadržavanje provodljivosti 10 godina | 70-85% | 80-90% | 100% |
| Mehanizam degradacije | Hidroliza smole, oksidacija | Hidroliza smole (sporija) | Nema |
| Potrebno povećanje površine radi kompenzacije | 15-40% više od projektovanog veka trajanja | 10-25% više od projektovanog veka trajanja | 0% |
| Režim greške | Prodor kiseline do grafitnog jezgra | Penetracija kiseline (odloženo) | Ništa (hemijski) |
PTFE: nula degradacija tokom vremena
PTFE nema smolu impregnacijsku koja bi se razgradila. Cijeli je 100% fluoropolimer. Veze ugljenika-fluora koje mu daju nisku toplotnu provodljivost su iste veze koje mu daju apsolutnu hemijsku stabilnost u sumpornoj kiselini. Ne postoji mehanizam da kiselina promijeni strukturu ili svojstva materijala.
Toplotna provodljivost PTFE ostaje nepromijenjena na 0,25 W/m·K od prvog dana do desete godine i dalje. Debljina stijenke cijevi ostaje konstantna. Površina prijenosa topline ostaje konstantna. Ukupni koeficijent prijenosa topline ostaje stabilan, pod pretpostavkom da se upravlja vanjskim zaprljavanjem.
Ova stabilnost pojednostavljuje dimenzioniranje izmjenjivača topline. Nije potreban faktor prevelike veličine da bi se kompenzirala buduća degradacija. Izmjenjivač veličine za dan{2}}prvi zadatak će i dalje ispuniti tu dužnost deceniju kasnije. Jedina prilagođavanja performansi prijenosa topline dolaze od vanjskih faktora-zaprljavanja na strani procesa ili kamenca na strani pare-koji podjednako utiču na grafit i PTFE i njima se upravlja normalnim održavanjem.
Izračun prevelike veličine
Praktična posljedica degradacije grafita je da početni izmjenjivač topline mora biti predimenzioniran kako bi se kompenzirao budući gubitak toplinskih performansi. Izmjenjivač dizajniran za rad od 100 kW sa fenol-impregniranim grafitom može biti napravljen za 120 kW kako bi se omogućilo smanjenje provodljivosti za 20% tokom 10 godina.
Ovo predimenzioniranje troši prednost početne veličine i cijene grafita. Predimenzionirani grafitni izmjenjivač približava se veličini PTFE ekvivalenta. Kada se uračunaju troškovi predimenzioniranja, jaz u početnim kapitalnim troškovima između grafita i PTFE značajno se sužava.
Rezime
Grafitni izmjenjivači topline u vrućoj 80% sumpornoj kiselini doživljavaju postepeni pad toplotne provodljivosti zbog degradacije impregnacije smole. Fenolno-impregnirani grafit može izgubiti 15-30% svojih termičkih performansi tokom 10 godina. Grafit impregnirani furanom se ponaša bolje, ali se i dalje degradira.
PTFE izmjenjivači topline doživljavaju nultu degradaciju termičkih performansi zbog kemijske interakcije u istom periodu. Inherentna inertnost fluoropolimera eliminiše mehanizam razgradnje. Ono što PTFE žrtvuje u početnoj toplotnoj provodljivosti, vraća se kroz apsolutnu dugoročnu-stabilnost.
Inženjerska analiza za odabir izmenjivača toplote grafita u odnosu na PTFE u specifičnim primenama sumporne kiseline dostupna je nakon dostavljanja koncentracije kiseline, radne temperature, projektovanog veka trajanja i trenutne istorije performansi opreme.
