Como um trocador de calor-e{1}}de estrutura com juntas de PTFE se compara a uma unidade de PTFE-e{3}}tubo?

Os trocadores-e-de tubos reinam supremos em serviços corrosivos, mas os trocadores de placas-e-de estrutura com juntas de fluoropolímero oferecem uma alternativa atraente. Sua geometria básica leva a características de desempenho distintas que podem ser úteis em algumas aplicações. Para fluidos de processo limpos e de pressão moderada, um projeto de placa{6}}e{7}}estrutura com juntas de PTFE pode oferecer melhor eficiência de transferência de calor e ocupar um espaço significativamente menor do que um trocador de carcaça-e-tubo de PTFE padrão.

Visão geral do projeto de placa e estrutura versus casca e tubo
Os trocadores de calor de placas-e-de estrutura são compostos de uma sucessão de placas de metal corrugado pressionadas juntas em uma estrutura. Cada placa possui uma junta (neste caso PTFE ou qualquer outro fluoropolímero) que veda os canais de fluxo e direciona os fluidos quentes e frios em rotas alternativas. Os fluidos fluem através dos espaços finos e tortuosos entre as placas em uma direção de fluxo-contracorrente ou-cruzada. As ondulações estimulam a turbulência mesmo em baixas vazões, o que melhora consideravelmente a transmissão de calor.

Os trocadores de calor de-e{1}}tubo de PTFE (conforme detalhado em outros artigos) são feitos de um conjunto de tubos de PTFE alojados em um invólucro de metal ou plástico. O fluido de serviço flui do outro lado e o fluido corrosivo flui através dos tubos (ou ao redor deles). As paredes do tubo de PTFE são um tanto espessas, portanto a transferência de calor ocorre por condução. O fluxo é geralmente laminar ou de baixa{5}}turbulência, a menos que altas velocidades sejam usadas.

A principal diferença é a substância da superfície de transferência de calor. Na construção de placas-e-de estrutura, as placas são de metal (geralmente aço inoxidável, Hastelloy, titânio ou outras ligas) e apenas as juntas são de PTFE. O fluido do processo está em contato com as placas metálicas e as juntas de PTFE. A unidade de revestimento-e{6}}tubo de PTFE tem todas as superfícies molhadas feitas de PTFE, que tem resistência à corrosão universal, mas condutividade térmica substancialmente inferior.

Desempenho térmico: valores U{0}}mais altos alcançados devido à geometria da placa
O trocador de placas e estrutura tem a maior vantagem em seu coeficiente geral de transferência de calor (valor U-). Isto se deve a uma série de causas.

Placas metálicas finas - A espessura das placas é normalmente de 0,5 a 1,0 mm contra paredes de tubos de PTFE de 1,0 a 2,0 mm. Metais (aço inoxidável ~15 W/m·K, titânio ~17 W/m·K, Hastelloy ~10 W/m·K) transmitem ordens de magnitude melhor do que o PTFE (~0,25 W/m·K). A placa metálica é um condutor de calor muito melhor, mesmo levando em consideração a resistência das vedações da gaxeta de PTFE (que representam apenas uma pequena fração da área total).

Alta turbulência - O desenho da placa corrugada causa alta turbulência local. Isto rompe as camadas limites e reduz significativamente a resistência convectiva em ambos os lados dos fluidos. Em sistemas de PTFE de-e{4}}tubo, o fluxo em tubos de PTFE de-diâmetro pequeno geralmente é laminar, a menos que seja usada uma potência de bombeamento significativa, e o fluxo lateral-do casco também é relativamente suave.

Os verdadeiros sistemas de-fluxo de contracorrente - placas-e-de estrutura podem produzir um fluxo de contracorrente-quase perfeito, maximizando a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD). Os trocadores de PTFE de casco e tubo são normalmente configurados em configurações de fluxo cruzado ou fluxo misto que são menos eficientes termodinamicamente.

Na prática, para o mesmo par de fluidos, espera-se que um trocador de calor de placas{0}}e-de estrutura com juntas de PTFE tenha um valor geral de U-três a cinco vezes maior que o de uma unidade de carcaça-e-tubo de PTFE. No serviço de água-um trocador de placas pode obter 3.000-5.000 W/m²·K, enquanto uma unidade de casco e tubo de PTFE-pode atingir apenas 200-400 W/m²·K. Em serviços químicos corrosivos, o benefício ainda é grande, mas os valores absolutos dependem das qualidades do fluido e das tendências de incrustação.

Pegada e peso: compactação do design da placa
O valor U-é muito maior, portanto, um trocador de placas-e-de quadros requer muito menos área de superfície para transmitir uma determinada carga térmica. A área ocupada resultante é normalmente de um{4}}terço a um-quinto da de um trocador de calor de casco e tubo de PTFE com o mesmo desempenho térmico. O peso também é consideravelmente reduzido, pois o conjunto de placas é muito mais leve que um feixe de tubos de PTFE com invólucro metálico.

A compactação do design da placa-e-da estrutura é um benefício distinto para aplicações onde o espaço é escasso, como modernização em plataformas de processo existentes, plataformas offshore ou instalações químicas modulares. Um trocador de carcaça-e-de tubos de PTFE de serviço semelhante pode ter vários metros de comprimento e ocupar uma área considerável, enquanto um trocador de placas pode ser instalado verticalmente ou horizontalmente em uma fração deste espaço.

Limitações de pressão e temperatura
As unidades de casco e tubo (invólucro metálico) feitas de PTFE podem ser usadas para pressões moderadas a altas, normalmente 6-10 bar no lado do tubo, 10-20 bar no lado do casco, dependendo do projeto. Os tubos de PTFE têm pressão limitada, mas o invólucro metálico é robusto. A tubulação de PTFE pode tolerar temperaturas de 110 a 120 graus; Tubulação PFA, 150 a 180 graus.

Limites mais rigorosos se aplicam aos trocadores de placas-e-de estrutura com juntas de PTFE:

Pressão – As juntas devem ser comprimidas o suficiente para vedar as placas. A força de fixação necessária aumenta com o aumento da pressão interna e aumenta a possibilidade de extrusão ou vazamento da junta. As pressões máximas de trabalho típicas para trocadores de placas com gaxetas-de PTFE são de 6 a 10 bar (85 a 145 psi), com alguns sistemas classificados para 15 bar. Pressões mais altas exigem placas mais espessas, estruturas mais pesadas e formatos de gaxetas específicos, aumentando as despesas.

Temperatura - As juntas de PTFE começam a rastejar e a perder sua força de vedação além de aproximadamente 150 a 180 graus . Isto depende do tipo de fluoropolímero utilizado (PTFE, PFA ou PTFE modificado). A operação acima de 160 graus normalmente não é recomendada para operação contínua. Alguns projetos de revestimento-e{8}}de tubos de PTFE (com tubos PFA) podem operar até 180-200 graus, mas os limites reais são frequentemente mais baixos.

Para serviços corrosivos em alta pressão ou alta temperatura, a unidade de PTFE de casco e tubo pode ser a única opção. Para condições amenas (por exemplo, . 5 bar e 100 graus), o trocador de placas é totalmente adequado.

Resistência à corrosão: liga vs. placas completas de fluoropolímero
Os trocadores de casco e tubo de PTFE são universalmente resistentes à corrosão. O PTFE é quase completamente inerte a todas as substâncias, exceto metais alcalinos fundidos e flúor elementar em alta temperatura. Eles são, portanto, adequados para ácidos mistos altamente agressivos, água régia, ácido nítrico forte e outros fluidos que atacariam a maioria dos metais.

Os trocadores de placas-e-de estrutura com juntas de PTFE dependem das placas metálicas para proteção primária contra corrosão. As juntas são a única peça de PTFE. Portanto, o material da placa deve ser escolhido para suportar o fluido do processo específico. Aqui estão algumas opções comuns:

Aço inoxidável (304/316) – Somente para ácidos suaves e soluções neutras.

Hastelloy C-276 ou B-3 - Excelente resistência ao ácido clorídrico, ácido sulfúrico e condições redutoras. Atacado por poderosos ácidos oxidantes.

Titânio (Grau 2, Grau 7) - Excelente resistência a ácidos oxidantes (nítrico, crômico) e cloretos. Será atacado por ácido fluorídrico e alguns ácidos redutores.

Zircônio ou Tântalo - Ligas exóticas para circunstâncias adversas, mas muito caras.

O trocador de placas pode ser uma solução econômica se o fluido do processo for compatível com uma liga de placas acessível (por exemplo, titânio para ácido nítrico, Hastelloy para HCl). Contudo, quando o fluido compreende diversas espécies hostis (por exemplo, ácido misto com componentes oxidantes e redutores), nenhum metal pode ser aceitável. Nesses casos, a unidade-e{7}}tubo de PTFE com sua resistência universal é a escolha mais segura.

Incrustação, Limpeza, Manutenção
Os trocadores de placas-e-de estrutura podem ser simplesmente desmontados para limpeza. As placas são removíveis uma a uma e podem ser limpas mecanicamente (escovação, lavagem à pressão) ou quimicamente. Esta é uma grande vantagem para serviços que geram incrustações moles ou pegajosas. Contudo, os minúsculos poros entre as placas (normalmente 2-5 mm) são susceptíveis de serem preenchidos por partículas, fibras ou substâncias cristalizantes. Um trocador de placas precisa de um filtro ou filtro bem construído a montante para remover partículas maiores que aproximadamente 1 mm.

Os trocadores de-e{1}}tubos de PTFE oferecem canais de fluxo maiores (diâmetros internos dos tubos geralmente de 5 a 15 mm) e são menos propensos a entupimentos. A superfície lisa de PTFE de baixo atrito também evita a aderência de numerosos depósitos (ver artigo sobre energia superficial). Mas é mais difícil de limpar." A limpeza do interior dos tubos é feita mecanicamente (instrumentos especiais - escovas de tubos) e muitas vezes quimicamente. Os tubos não podem ser removidos um por um para inspeção, todo o feixe deve ser removido da casca.

Uma das grandes vantagens do trocador de placas é que se uma junta estragar ou uma placa corroer, as placas e juntas individuais podem ser substituídas em poucas horas. Em uma unidade de revestimento-e-de tubo de PTFE, se um tubo falhar, o tubo poderá ter que ser obstruído (reduzindo a área de superfície) ou todo o conjunto de tubos poderá ter que ser substituído, uma tarefa cara e-consumidora de tempo.

Aplicações típicas para cada técnica
Trocadores de placas{0}}e-de estrutura com juntas de PTFE são frequentemente empregados em serviços públicos limpos (água-água, água-glicol, vapor de baixa pressão) onde o fluido não é excessivamente corrosivo. Eles são vistos em aplicações de processos químicos em:

Resfriamento de ácidos diluídos (por exemplo, . 10% de ácido sulfúrico) onde titânio ou aço inoxidável são adequados.

Banhos de galvanização são utilizados com boa filtração e temperaturas moderadas.

Recuperação de calor de fluxos corrosivos relativamente limpos.

Os trocadores de casco-e-de tubos de PTFE são a opção preferida para serviços altamente corrosivos, com ácidos oxidantes ou com partículas-com carga de ácido, como:

Linhas de decapagem ácida mista (HNO3+HF)

Concentração quente. ácido clorídrico.

Água régia e outras misturas agressivas.

Tratamento de ácidos residuais com alteração da composição do fluido

Tabela de comparação: placa e estrutura vs carcaça e tubo (PTFE)
Placa de recurso e estrutura com juntas de tubo e carcaça de PTFE PTFE
Coeficiente geral de transferência de calor (valor U-)Alto (3-5 vezes maior que o casco-e o tubo)Baixo (condutividade de PTFE limitada)
Pegada (por serviço)(1× linha de base) PequenoGrande (3–5 vezes maior)
Pressão máxima sustentada 6-10 bar (maior com design específico) 6-10 bar no lado do tubo (o revestimento metálico pode ser mais alto)
Máx. temperatura contínua 150–180 graus (junta-limitada)110–120 graus (tubos de PTFE); 150–180 graus (tubos de PFA)
A resistência à corrosão depende das juntas de PTFE em liga de placaUniversal (PTFE ou PFA em todas as superfícies molhadas)
Sensibilidade a partículas de poeira Alta (lacunas finas que tendem a obstruir) Baixa (diâmetros de tubo maiores; superfície lisa)
Fácil de manter Muito bom (as placas podem ser desmontadas e escovadas) Regular (precisa de limpeza química ou escovação do tubo)
Reparabilidade Alta (placas e juntas individuais substituíveis) Limitada (obstrução do tubo ou substituição do conjunto)
Custo inicial (por exemplo, serviço)Serviços limpos e moderados mais baixosMelhor resistência geral à corrosão
Aplicações típicas • Ácidos diluídos limpos • Banhos de galvanização • Utilidades de água Ácidos mistos agressivos, ácidos oxidantes, fluxos de resíduos de composição variada
Guia de decisão: escolhendo o trocador certo
A decisão por um trocador de placas e estrutura com juntas de PTFE ou uma unidade de casco e tubo de PTFE deve depender da limpeza, corrosividade, pressão e área disponível para o fluido.

Selecione um trocador de placas-e{1}}de quadros se:

O fluido do processo está limpo e as partículas têm menos de 1 mm (ou é fornecida uma filtragem adequada).

O fluido é compatível com uma liga metálica de preço moderado (aço inoxidável, titânio, Hastelloy) na temperatura operacional.

A pressão operacional está abaixo de 10 bar e a temperatura está abaixo de 150 graus.

O espaço é limitado e uma pegada compacta é importante.

Muito importante é a facilidade de desmontagem e limpeza.

O trocador será utilizado para recuperação de calor ou serviços públicos, em vez de contato direto com ácidos mistos muito reativos.

Escolha um trocador de calor-e{1}}tubo feito de PTFE quando:

O fluido é composto por poderosos ácidos oxidantes (nítrico, crômico) ou ácidos combinados que atacariam qualquer metal.

A composição do fluido é imprevisível ou mal caracterizada, portanto há risco na seleção da liga.

O fluido contém partículas, fibras ou cristais que podem obstruir pequenas lacunas nas placas.

Operating pressure >10 bar or temperature >150 graus (com tubulação PFA).

A resistência universal à corrosão é necessária sem o risco de ataque localizado ou corrosão.

A planta não tem capacidade de manutenção para desmontar e substituir juntas regularmente.

Ambas as tecnologias existem lado-a{1}}lado em muitos ambientes de processos químicos. Um trocador de carcaça-e-tubo de PTFE pode ser escolhido para uma tarefa de aquecimento de ácido misto altamente corrosivo, enquanto um trocador de placas-e-de estrutura com placas de titânio e juntas de PTFE realiza uma tarefa de resfriamento de ácido nítrico limpo e diluído em outras partes da mesma planta.

Conclusão: Eficiência Compacta ou Robustez Universal
Os trocadores de calor de placas e estruturas com juntas de PTFE proporcionam alta eficiência térmica e ocupam pouco espaço devido à alta turbulência e às finas placas metálicas. Seus valores U-são três a cinco vezes maiores que os das unidades de revestimento e tubo de PTFE, resultando em uma área ocupada significativamente menor e em peso reduzido.