Como um trocador de calor de grafite estilo-bloco se compara a uma unidade de revestimento-e-de tubo de PTFE?

Ao definir um trocador de calor para aplicação de ácido extremamente corrosivo, duas opções não{0}}metálicas geralmente entram em jogo: trocadores de bloco de grafite e trocadores de casco-e{2}}de tubo de PTFE. Ambos são resistentes à corrosão, mas suas propriedades térmicas e mecânicas os tornam adequados para diversas aplicações. Compreender as vantagens-em termos de compacidade, desempenho térmico, compatibilidade química e robustez mecânica é uma questão fundamental para a escolha da tecnologia adequada.

Visão geral do projeto: bloco de grafite vs. revestimento e tubo de PTFE
Os trocadores de calor de bloco de grafite são feitos de um ou mais blocos de grafite impermeável (grafite impregnado com resina). Cada bloco é perfurado com dois conjuntos de passagens, um para o fluido corrosivo do processo e outro para o fluido de serviço (água de resfriamento, vapor ou meio de aquecimento). Os blocos são unidos por meio de adesivos cheios de grafite-ou com conectores vedados. Dependendo do padrão de perfuração, os fluidos passam pelos tubos em uma configuração de-fluxo cruzado ou contra{5}}fluxo.

Os trocadores de calor de-e{1}}tubo de PTFE são compostos de um conjunto de tubos de PTFE (politetrafluoretileno) de parede-fina, contidos em um invólucro de metal ou plástico. O fluido corrosivo viaja através dos tubos de PTFE (ou ao redor deles) enquanto o fluido de serviço flui do outro lado. Defletores intermediários são normalmente usados ​​para suportar os tubos de PTFE. O feixe de tubos é vedado nas placas dos tubos com juntas de tubos expandidas ou acessórios de compressão.

Os dois designs diferem em um aspecto principal: a flexibilidade mecânica. Os blocos de grafite são sólidos e inflexíveis. Os tubos de PTFE são flexíveis e podem suportar pequenas vibrações e expansões térmicas sem danos.

A grande vantagem do grafite: condutividade térmica
A diferença mais importante está na condutividade térmica. A grafite tem uma condutividade térmica em torno de 80-120W/mK (de acordo com o grau de grafite e a resina de impregnação). O PTFE, no entanto, tem uma condutividade térmica de cerca de 0,25 W/m K - cerca de 300 a 400 vezes menor que a grafite.

Esta enorme diferença significa que um trocador de blocos de grafite pode ser incrivelmente compacto para a mesma tarefa de transferência de calor. A unidade de grafite tem um{1}}décimo do volume da unidade de PTFE tipo casco e tubo com desempenho térmico igual. Os blocos de grafite oferecem uma vantagem distinta em situações de espaço limitado, como adaptação em layouts de equipamentos existentes ou montagem em plataformas de processo congestionadas.

Por outro lado, a baixa condutividade térmica do PTFE significa que trocadores de calor de casco-e-de tubos com tubos de PTFE precisam de áreas de superfície de transferência de calor relativamente altas. Isso resulta em áreas maiores, feixes de tubos mais longos e diâmetros de casco maiores. Na prática, os trocadores de PTFE normalmente só são necessários quando sua resistência química especial compensa sua penalidade de tamanho.

Propriedades mecânicas: Frágil ou flexível
A grafite é uma substância quebradiça. A grafite impermeável é mais forte que a grafite bruta, mas também pode ser quebrada por:

Choque mecânico (por exemplo, ferramenta perdida, movimento rápido do tubo)

Golpe de aríete na linha de fluido de serviço

Ciclagem térmica extrema (aquecimento ou resfriamento rápido, especialmente com diferencial de temperatura maior que os limites especificados pelo fabricante)

Torque irregular dos parafusos em flanges ou cabeçotes

Se um bloco de grafite quebrar, o trocador geralmente não poderá ser reparado. A rachadura pode causar vazamento-cruzado entre os circuitos de fluido de processo e de serviço ou vazamento externo. A única maneira de consertar isso é substituir a pilha completa de blocos. Muitas vezes, este é um grande investimento de capital.

Os tubos de PTFE, por outro lado, são flexíveis e duráveis. Golpe de aríete moderado, vibração e ciclagem térmica podem ser tolerados sem danos. Se um tubo de PTFE vazar (devido a abrasão ou perfuração mecânica, por exemplo), ele geralmente poderá ser vedado em ambas as placas do tubo e o restante dos tubos ainda poderá ser usado. Alguns projetos permitem que os tubos sejam substituídos, mas isso exige muita mão-de-obra. O caráter mecânico indulgente do PTFE torna esses trocadores mais adequados para plantas com controle menos rigoroso de estabilidade de fluxo ou aumento de temperatura.

Resistência química: a ampla gama de PTFE
Tanto o grafite quanto o PTFE são resistentes a uma ampla gama de ácidos corrosivos, mas existem várias diferenças importantes.

Compatível com: Grafite (grau impermeável)

Ácido clorídrico (todas as concentrações até o ponto de ebulição)

Ácido sulfúrico (até cerca de 80–85% em temperaturas moderadas; quantidades maiores requerem seleção cuidadosa)

Ácido fosfórico 12.

- Ácidos orgânicos.

A grafite é danificada, no entanto, por ácidos oxidantes fortes, tais como:

Ácido nítrico (particularmente concentrado ou aquecido)

Ácido crômico (ácido crômico)

Preciso de água régia

Ácidos mistos sem cloro ou bromo

Os produtos químicos oxidantes penetram na estrutura do grafite e produzem corrosão intergranular, resultando em falha rápida. Os trocadores de grafite nunca devem ser usados ​​em tais serviços, a menos que a aprovação do fabricante seja obtida para um tipo de grafite especializado (impregnado-fenólico v. impregnado com furano-, com restrições ainda aplicáveis).

O PTFE é quase totalmente resistente a todas as substâncias, exceto metais alcalinos fundidos e flúor elementar, em altas temperaturas. O PTFE é resistente ao ácido nítrico, ao ácido crômico e a todos os outros ácidos oxidantes praticamente em todas as concentrações. Também resiste a solventes orgânicos, cloro e à maioria dos fluidos de processo encontrados em acabamento superficial e processamento químico. Para misturas altamente hostis (por exemplo, água régia, ácido nítrico concentrado a quente ou soluções de decapagem com ácido misto), o PTFE é, às vezes, a única opção não{5}}metálica possível.

Trocador de calor de bloco de grafite de propriedade Trocador de calor de PTFE-e-tubo
Condutividade térmica (W/mK) 80 –120 0.25
Tamanho relativo para o mesmo serviço Compacto (1x linha de base)Grande (10-15× maior)
Temperatura contínua máxima 180–200 graus (dependendo da resina) ~110 graus (fluência de PTFE limitada)
Comportamento mecânico Frágil, quebra com choque ou golpe de aríeteFlexível, resistente a vibrações e ciclos térmicos
Capacidade de reparo Geralmente não reparável se houver trincas no bloco Os tubos podem ser bloqueados ou substituídos individualmente
Resistência a ácidos oxidantes (nítrico, crómico) Fraca, não recomendadaBoa; totalmente resistente
Aplicações típicas Resfriamento de H2SO4 Aquecimento/resfriamento de HCl Serviço de ácido orgânico Decapagem com ácido misto, água régia, soluções contendo- cloro, banhos de galvanização
Custo inicial (relativo)Maior (fabricação especializada)Moderado a baixo
Restrições de temperatura
Os trocadores de blocos de grafite, quando adequadamente impregnados com resinas (geralmente fenólicas ou furânicas), podem operar continuamente em temperaturas de até 180–200 graus. Algumas notas excepcionais são avaliadas em até 220 graus. Isso torna o grafite apropriado para aquecer ou resfriar ácido sulfúrico concentrado, vapor quente de ácido clorídrico e outros fluxos corrosivos de alta-temperatura.

Os trocadores de calor de casco e tubo de PTFE são limitados a cerca de 110 graus para uso contínuo. Acima desta temperatura, o PTFE começa a enfraquecer e a rastejar sob o diferencial de pressão através da parede do tubo. Excursões curtas até 120-130 graus podem ser toleradas, mas a exposição prolongada a altas temperaturas resulta em deformação do tubo, vazamento nas juntas do tubo e falha final. Para trabalhos corrosivos em temperaturas acima de 110 graus, o grafite é geralmente a única alternativa não metálica, ou um trocador de metal com revestimento de liga incomum deve ser explorado.

Questões de custo e manutenção
O primeiro custo de um trocador de calor de bloco de grafite é geralmente maior do que o de uma unidade de casco e tubo de PTFE com a mesma função térmica. Os blocos de grafite requerem perfuração de precisão, técnicas especiais de colagem e cuidadoso controle de qualidade. Os feixes de tubos de PTFE são fabricados em grande número com menores custos de material e fabricação.

Mas o custo total de propriedade depende bastante da aplicação. Um trocador de grafite pode funcionar por décadas sem problemas em um serviço ácido limpo e estável, sem choques mecânicos ou produtos químicos oxidantes. Seu maior custo inicial é justificado pelo seu tamanho compacto e alta eficiência térmica. Num serviço onde a penetração de água ou a ciclagem térmica são inevitáveis, o perigo de fissuração da grafite pode tornar preferível a construção mais tolerante de PTFE, mesmo à custa de um permutador maior.

As técnicas de manutenção são um pouco diferentes. Dispositivos de grafite exigem processos delicados de inicialização-e desligamento-para evitar choque térmico. Filtros são geralmente recomendados no lado do fluido de serviço para evitar que detritos incrustem as faces do bloco. Os trocadores de PTFE são menos sensíveis a distúrbios de fluxo, mas precisam ser limpos periodicamente se os pequenos diâmetros dos tubos estiverem sujos. A baixa energia superficial do PTFE (descrita nas seções anteriores) é uma vantagem na redução de incrustações, porém os tubos de PTFE podem ser limpos mecanicamente.

Guia de decisão: escolhendo o trocador certo para a aplicação?
A decisão entre um bloco de grafite e um trocador de calor-e{1}}tubo de PTFE depende de vários critérios-específicos da aplicação.

Considere um trocador de blocos de grafite no caso de:

Precisa ser compacto devido a restrições de espaço.

As temperaturas do processo estão acima de 110 graus e abaixo de 200 graus.

O líquido corrosivo é ácido sulfúrico, ácido clorídrico ou um ácido orgânico não{0}oxidante.

O fluido de serviço é puro e livre de golpes de aríete e detritos.

O projeto adequado do sistema pode evitar choques mecânicos e ciclos térmicos rápidos.

Uma unidade menor e mais eficiente termicamente é aceitável se for necessário um maior investimento inicial de capital.

Escolha um trocador de casco e tubo de PTFE quando:

O fluido possui poderosos agentes oxidantes (ácido nítrico, ácido crômico, água régia, ácidos mistos).

As temperaturas do processo são inferiores a 110 graus.

O sistema de tubulação pode suportar golpe de aríete, vibração ou ciclos térmicos frequentes.

A robustez mecânica e a operação indulgente são mais importantes que a compacidade.

Desejáveis ​​são o custo inicial mais baixo e a possibilidade de tapar ou substituir tubos individuais.

Espaço suficiente está disponível para a maior área útil do trocador.

Na prática, muitas fábricas de processos químicos operam ambos os tipos. Os trocadores de grafite são amplamente utilizados em serviços de resfriamento de ácido sulfúrico e circuitos de aquecimento de ácido clorídrico. Os trocadores de PTFE são a escolha preferida para linhas de decapagem com ácidos mistos, aquecimento/resfriamento de banhos de galvanoplastia e tratamento de resíduos ácidos onde espécies oxidantes estão presentes.

Conclusão: uma decisão complicada de engenharia
Tanto os trocadores de calor de grafite com design de bloco quanto as unidades de casco e tubo de PTFE são adequados para a indústria de transferência de calor corrosiva, mas são fundamentalmente diferentes em seus pontos fortes e fracos. A grafite é boa pela sua condutividade térmica e tamanho, mas é frágil, cara e sensível a ácidos oxidantes. O PTFE possui imunidade química insuperável e flexibilidade mecânica a um custo menor. No entanto, tem um limite de temperatura de 110 graus e requer áreas de superfície significativamente maiores.

A escolha depende do ácido utilizado, da temperatura de trabalho, do ambiente mecânico e do espaço disponível. A seleção de materiais para trocadores de calor em serviços corrosivos é uma questão de engenharia multi-facetada, incluindo compensações-entre desempenho térmico, compatibilidade química, durabilidade mecânica e custo do-ciclo de vida. “A tecnologia não supera a tecnologia em geral, mas cada tecnologia tem seu próprio nicho onde é superior”.