어떤 산업에서 흑연이 기본 열 교환기 재료이며 그 이유는 무엇입니까?

특정 분야에서는 흑연 열 교환기를 지정하는 것이 - 당연한 일입니다. 흑연은 수십 년 동안 주력 제품이었으며 다른 재료가 빨리 실패하거나 너무 비싸 실용적이지 못할 경우 선택되는 재료입니다. 금속이 녹슬고 폴리머가 연화되거나 열 효율이 떨어지는 경우, 불침투성 흑연(페놀 또는 푸란 수지 함침)은 높은 열 전도성, 다양한 가혹한 조건에 대한 뛰어난 내식성, 최대 200도 이상의 서비스 가능성의 독특한 조합을 제공합니다. 흑연 열교환기의 기본 산업 응용 분야를 알기 위해서는 흑연이 다른 어떤 재료보다 더 잘 작동하는 정확한 공정을 알아야 합니다.

주요 핵심 산업
세 가지 주요 산업 분야에서는 지속적으로 흑연 열교환기를 기본 선택으로 선택합니다. 강산세척(염산), 인산농축, 염소건조. 각각의 경우에 가장 좋고 가장 경제적인 솔루션은 유체의 부식성, 고온 및 컴팩트하고 효율적인 열 전달 요구 사항으로 인해 흑연입니다.

업계의 중요한 유체 작동 실패 조건표준 이하 재료의 결과
강철 산세척(HCl) 뜨거운 염산 80~95도, 최대 18% HCl FeCl 2를 사용하면 종종 금속 교환기(티타늄, 탄탈륨)가 빠르게 부식됩니다. PTFE는 부드러워집니다. 더 큰 단위가 필요하다
인산 농도 불화물, 염화물, 실리카가 포함된 습식-인산 공정 100-160도, 40-54% P2O5, HF 및 H2SiF6 존재 불화물에 취약한 유리 라이닝 강철; 고합금 금속(Hastelloy)은 부식되거나 너무 비쌉니다.
습식 염소 가스 + 진한 황산 10~40도(냉각 효율), 강산화성, 산성 응축수 금속(니켈, 구리, 강철)의 빠른 산화; 비-금속 선택(PTFE)은 소형 건조 냉각기에 적합한 열 전도성이 없습니다.
강철 산세 - 뜨거운 염산 서비스
강철 스트립 및 와이어 산세척 뜨거운 염산(보통 80~95도에서 10~18% HCl)을 사용하여 산화철 스케일을 제거합니다. 산에는 염화제1철(FeCl2)이 함유되어 있으며 공정을 효율적으로 만들기 위해 지속적으로 가열되어야 하고 산 재생 루프에서 냉각되어야 합니다. 티타늄, 탄탈륨, 지르코늄과 같은 금속 열교환기는 뜨거운 HCl로 인해 빠른 피팅, 틈새 부식 또는 수소 취성이 발생합니다. 니켈- 기반 합금은 몇 주 만에 분해됩니다. PTFE 쉘 및 튜브 교환기는 화학적 공격에 강하지만 두 가지 심각한 단점이 있습니다.

낮은 열 전도성(0.2 W/m·K 대 흑연의 경우. 100–120 W/m·K)은 장치가 크고 공간을 많이 차지한다는 것을 의미합니다.-

온도 제한: PTFE는 약 110도 이상에서 부드러워지고 크리프되므로 고온 산 세척 또는 재생 보일러 활동에는 적합하지 않습니다.

흑연 블록 또는 쉘 및 튜브 열교환기는 95도에서 안전하게 작동할 수 있으며 120~130도까지 짧은 편위를 견딜 수 있습니다. 크기가 작기 때문에 장치를 기존 산세척 라인에 쉽게 통합할 수 있습니다. HCl 서비스의 서비스 수명은 전 세계 수백 개의 설치에서 10~20년입니다. 따라서 흑연은 산성 히터, 냉각기 및 재생 시스템 열교환기의 산 세척을 위한 표준 재료입니다. PTFE가 이론적으로 작동할 수 있는 경우 PTFE 장치의 크기가 크고 설치 비용이 높을수록 흑연이 선호되는 경우가 많습니다.

인산 농도: 고온 및 불화물 작업
습식-인산(WPA)은 인광석과 황산을 반응시켜 만듭니다. 얻은 산에는 불화물(HF 및 H2SiF6 등), 염화물 및 금속 황산염 등 상당한 양의 불순물이 포함되어 있습니다. 약 28% P2O₅에서 상업-등급 54% P2O₅까지의 농축은 최대 160도 온도에서 진공 또는 대기압 하에서 수행됩니다. 불화물 함량은 실리콘-함유 물질(유리, 유리 라이닝 강철) 및 다양한 특수 합금을 공격적으로 공격합니다.

흑연 열교환기는 인산 시설의 히터, 증발기 칼란드리아 및 응축기 냉각기로 광범위하게 활용됩니다. Graphite는 다음과 같은 이유로 기본값이 되었습니다. 이유는 다음과 같습니다.

불소 저항성: 흑연은 WPA 농도와 같은 농도와 온도에서 HF나 불화규산의 영향을 받지 않습니다.

고온 저항성: 흑연은 기계적 강도와 내식성을 최대 170-200도까지 유지하여 모든 인산 농도 응용 분야를 포괄합니다.

열 전도성 이점: 흑연은 우수한 열 전도체이며 이는 표면적이 적고 용기 크기가 작아진다는 점에서 증발기 설계의 장점입니다.

PTFE는 불화물에도 저항하지만, 이 사업에서는 PTFE 열교환기를 거의 요구하지 않습니다. 주요 문제는 동일한 작업에 대해 훨씬 더 큰 공간을 차지한다는 것입니다. 대규모 인산 시설(연간 수십만 톤)의 경우 공간이 제한되어 있으며 거대한 PTFE 교환기를 위한 지지 구조는 경제적으로 매력적이지 않습니다. PTFE는 또한 ~180도의 최대 온도 제한을 갖고 있어 방해받는 상황에 대한 여유가 거의 없습니다. 흑연은 (너무 빨리 부식되는) 이국적인 금속과 (너무 많은 면적을 요구하는) 저온 폴리머 사이에 위치합니다.

염소 건조: 산화에 강한 냉각 의무
염소 알칼리 공장에서 막 또는 격막 전기분해에 의해 생성된 염소 가스는 수증기로 포화됩니다. 습염소는 부식성이 매우 강하여 차아염소산과 염산을 형성합니다. 습염소는 충전탑에서 강황산(98{5}}99%)과 접촉하여 건조됩니다. 생성된 건조 염소 가스(미량의 산성 미스트 포함)는 압축 또는 추가 처리 전에 냉각되어야 합니다. 건조탑 하류의 염소 냉각기는 흑연 쉘{6}}튜브 열교환기입니다.

애초에 흑연이 왜 필요한가요? 냉각된 가스는 건조 염소와 잔류 황산 증기 및 응축물로 구성됩니다. 이 혼합물은 강력한 산화제이며 대부분의 금속을 공격합니다. 구리, 강철, 니켈은 빠르게 부식됩니다. 탄탈륨은 저항성이 있지만 중요한 열 전달 표면에 비해 가격이 너무 비쌉니다. 내화학성이 강한 PTFE는 산성 미스트를 응축하고 가스 온도를 제어하는 ​​데 필요한 소형의 고효율 냉각 기능을 제공할 수 없습니다. 흑연의 높은 열전도율 덕분에 염소 건조 트레인에 쉽게 추가할 수 있는 작고 저렴한 냉각기가 가능합니다.

염소 서비스 분야에서도 흑연 열교환기가 50년 이상 사용되어 왔으며 -확실한 안전성과 신뢰성 기록을 보유하고 있습니다. 염소-알칼리 부문에서 공정 엔지니어는 일반적으로 흑연 냉각기를 당연하게 지정하며 대체 재료 옵션에 대해서는 거의 생각하지 않습니다.

PTFE가 기본값이 아닌 이유
PTFE는 탁월한 내화학성을 갖고 있는데 왜 흑연이 여전히 이러한 산업에서 일반적으로 선택됩니까? 왜 PTFE가 아닌가? 설명은 세 가지 PTFE 제한 사항으로 귀결됩니다.

최대 온도: PTFE는 약 110-120C 이상의 압력에서 부드러워지고 미끄러지기 시작합니다. 150도에서 연속 작동은 불가능합니다. 흑연은 최소 200C까지 안정적입니다.

열전도율: PTFE의 열전도율이 매우 낮기 때문에 열 전달을 위해 넓은 영역이 필요합니다. 수백 평방 미터가 필요한 응용 분야의 경우 PTFE 장치는 상당히 크고 무겁고 설치 비용이 많이 듭니다.

기계적 견고성: 흑연 블록과 쉘{0}}및-튜브 장치는 튜브 시트와 개스킷을 견고하고 안정적으로 지지합니다. PTFE 튜브는 세척 중에 기계적 손상이 발생하기 쉽기 때문에 조심스럽게 장력을 가하는 것이 필요합니다.

용도에 따라 PTFE의 온도 한계가 초과되지 않고 공간이 문제가 되지 않는 경우 PTFE를 선택할 수 있습니다. 그러나 표시된 세 가지 분야인 강 산 세척, 인산 농축 및 염소 건조에서는 고온, 높은 부식성 및 컴팩트한 설계에 대한 경제적 필요성이 결합되어 흑연이 기본 선택이 됩니다.

역사적 현장 성공의 역할
Graphite의 선도적 역할은 수십 년에 걸친 현장 경험에 기인합니다. 이러한 까다로운 공정 조건에서 흑연은 다른 대체 재료보다 훨씬 더 신뢰성이 높은 것으로 입증되었습니다. 실험실 데이터는 종종 재료 선택을 결정하지만 과거 현장 경험도 마찬가지입니다. 새로운 피클 라인, 인산 증발기 또는 염소 냉각 트레인용 장비를 지정하는 엔지니어는 일반적으로 흑연의 업계 표준을 고수합니다. 왜냐하면 해당 수준에서 벗어나는 것은 불필요한 위험이기 때문입니다.

요약 결론
흑연 열교환기는 강철 산세척(뜨거운 HCl), 인산 농도(뜨거운, 불소 함유 산) 및 염소 건조(황산이 포함된 습식 염소)에서 일반적인 재료입니다. 흑연은 각 상황의 전체 공정 조건에 걸쳐 다른 재료(금속, PTFE, 유리)와 비교할 수 없는 내화학성, 높은 열 전도성 및 온도 성능의 조합을 제공합니다. PTFE는 낮은 온도에서 화학적 불활성이 더 우수하지만 열 전도성과 온도 제한이 낮아 이러한 까다로운 응용 분야에서 흑연 대체품으로 적합하지 않습니다. 흑연 열 교환기의 기본 산업 상태는 우연이 아닙니다.{3}}이는 대안이 반복적으로 제공되지 못한 수십 년간의 안정적이고 비용 효과적인 서비스를 기반으로 합니다.{4}}