Bij welke chemische diensten presteert een grafietwarmtewisselaar beter dan een PTFE-eenheid?

Zowel grafiet als PTFE zijn de kampioenen op het gebied van corrosieve warmteoverdracht, maar toch hebben beide hun sterke punten. Het kennen van de diensten waarbij grafiet beter presteert dan PTFE zal kostbare verkeerde toepassingen voorkomen. PTFE is een uitstekend chemisch bestendig en mechanisch flexibel materiaal, maar grafiet heeft een superieure thermische geleidbaarheid en hoge temperatuurbestendigheid, waardoor het het materiaal bij uitstek is voor een beperkt aantal corrosieve activiteiten. Grafiet versus PTFE-warmtewisselaars zijn algemeen bekend en ingenieurs kunnen de meest betrouwbare en kosteneffectieve oplossing kiezen.

Heet zwavelzuur (70–98%) - Het fort van grafiet
Een van de meest agressieve industriële chemicaliën is geconcentreerd heet zwavelzuur. Grafiet (geïmpregneerd met fenol- of PTFE-hars, ondoordringbaar type) presteert goed in deze omgeving tot 200 graden. Het materiaal is bestand tegen zowel oxidatie als uitdroging en behoudt zelfs bij hoge concentraties de structurele integriteit.

Terwijl PTFE beperkt is tot ongeveer 110 graden voor langdurig gebruik in zwavelzuur. Boven deze temperatuur verzwakt PTFE en verliest het zijn mechanische sterkte. Ook de thermische geleidbaarheidsafstand wordt cruciaal. Voor het koelen of verwarmen van geconcentreerd zuur is een efficiënte warmteoverdracht vereist om plaatselijke oververhitting of onderkoeling te voorkomen, die corrosie kan versnellen of productschade kan veroorzaken.

Bij toepassingen zoals de verdunning van zwavelzuur, inter-trapskoeling van contactinstallaties of zuurconcentratie-eenheden zijn grafietwarmtewisselaars doorgaans de enige praktische niet- metallische oplossing. Ze hebben een grote thermische geleidbaarheid en maken compacte ontwerpen mogelijk. Hun corrosieweerstand is stabiel voor jarenlang gebruik.

Zoutzuur, organisch verontreinigd
Zoutzuur is zeer corrosief voor de meeste metalen, in welke hoeveelheid dan ook. Zowel grafiet als PTFE worden goed verdragen door zuivere HCl. Als het zuur echter organische verontreinigingen bevat, zoals gechloreerde oplosmiddelen, oliën of bijproducten van de reactie, verdient grafiet vaak de voorkeur.

Grafiet is bestand tegen HCl tot aan het kookpunt (110 graden voor azeotrope sterkte) en wordt niet beïnvloed door sporen van organische stoffen. PTFE is eveneens bestand tegen deze organische stoffen, maar heeft het nadeel van een lagere warmtegeleiding van PTFE. Voor een bepaalde taak is het warmteoverdrachtsoppervlak van een PTFE-wisselaar veel groter. Wanneer de procesvloeistof kleverige organische stoffen bevat, vergroten de langere buislengtes en de grotere schaal van een PTFE-eenheid de kans op vervuiling en de moeilijkheid bij het reinigen. Grafiet wordt aangeboden in compacte blok- of schaal-en-buisvorm, waardoor de verblijftijd en het oppervlak voor afzetting worden geminimaliseerd.

In de praktijk biedt grafiet voor HCl-toepassingen met matige tot hoge warmtebelasting een kleinere, beter reagerende wisselaar die gemakkelijker schoon te maken en te onderhouden is.

Diensten die een hoge mate van warmteoverdracht vereisen
Grafiet heeft een thermische geleidbaarheid van 80–120 W/m·K, honderden keren meer dan die van PTFE (0,25 W/m·K). Grafiet is het materiaal bij uitstek wanneer compactheid en grote thermische efficiëntie van cruciaal belang zijn. Het voordeel is maximaal bij:

Vloeistofkoeling of -verwarming met hoge-stroom - De totale warmteoverdrachtscoëfficiënt voor een grafiet-vloeistof-vloeistofwisselaar is normaal gesproken 600–1200 W/m2·K, terwijl deze voor PTFE 200–400 W/m2·K bedraagt. Het verschil is dat een grafieteenheid voor dezelfde taak twee tot vijf keer kleiner kan zijn.

Condensatie van corrosieve dampen - Hoge filmcoëfficiënten aan de buis-zijde zijn vereist voor condensatieactiviteiten. De lage geleidbaarheid van PTFE is een ernstig knelpunt vanwege de filmweerstand van de condenserende vloeistof. Grafiet condenseert effectief, vaak op minder dan een derde van de oppervlakte die nodig is voor een PTFE-eenheid.

Snel verwarmen of koelen van batches - Voor batchbewerkingen waarbij de cyclustijd cruciaal is, zorgen de lage thermische massa en de sterke thermische geleidbaarheid van grafiet voor snelle temperatuurstijgingen. De trage reactiesnelheid van PTFE draagt ​​ook bij aan de cyclustijd.

De compactheid van grafiet is een doorslaggevende factor bij toepassingen waarbij ruimte schaars is, zoals skids voor chemische reactoren, farmaceutische cleanrooms of retrofits in bestaande gebouwen.

Wanneer PTFE beter is dan grafiet (erkenning)
Elke eerlijke vergelijking moet diensten erkennen waarvoor PTFE superieur is. PTFE is hieronder beter dan grafiet:

Service Waarom u voor PTFE zou moeten kiezen
Sterk oxiderende zuren (bijv. geconcentreerd salpeterzuur, chroomzuur) Onder oxidatieomstandigheden wordt de harsimpregnatie aangetast, waardoor de corrosieweerstand van ondoordringbaar grafiet verloren gaat. PTFE is in wezen niet-oxiderend.
Hete sterke bijtende stoffen (bijv. . 50% NaOH boven 100 graden) Hete alkaliën vallen grafiet aan. PTFE is tot aan de temperatuurgrenzen bestand tegen bijtende stoffen.
Oleum (rokend zwavelzuur dat vrij SO₃ bevat)Grafiet reageert met vrij SO 3 . PTFE is stabiel.
Systemen met hoge trillingen of waterslagGrafiet is bros en barst daarom. PTFE is flexibel en vangt dus de mechanische schokken op.
Grote of schurende stoffen in vloeistoffen. Grafietdoorgangen verstoppen of verslechteren. PTFE-buizen kunnen buigen en door deeltjes gaan.
Grafiet zal reageren met oleum, hete, sterke bijtende stoffen of oxiderende zuren, bijvoorbeeld geconcentreerd salpeterzuur. Voor deze diensten moet onderzoek worden gedaan naar PTFE of andere materialen (bijvoorbeeld tantaal, siliciumcarbide).

Overzichtstabel: Leidraad voor besluitvorming
Een korte handleiding voor het kiezen van grafiet of PTFE voor chemische toepassingen vindt u in de onderstaande tabel:

Chemische dienst Grafietprestaties PTFE-prestatiematerialen hebben de voorkeur
Heet H2SO4 (70-98%, 80-200oC) Uitstekend Temperatuurbeperkt