Em quais indústrias o grafite é o material padrão para trocadores de calor e por quê?

Em determinados setores, especificar um trocador de calor de grafite é uma tarefa- óbvia. A grafite tem sido um carro-chefe há décadas e é o material de escolha onde outros materiais falhariam rapidamente ou seriam muito caros para serem práticos. Onde os metais enferrujam e os polímeros amolecem ou perdem a eficiência térmica, a grafite impermeável (impregnada com resina fenólica ou furânica) oferece uma combinação única de alta condutividade térmica, excepcional resistência à corrosão em várias condições adversas e capacidade de manutenção de até 200 graus e além. Precisamos conhecer os processos precisos em que o grafite funciona melhor do que qualquer outro material para conhecer as aplicações industriais padrão dos trocadores de calor de grafite.

Principais indústrias líderes
Três setores industriais importantes escolhem consistentemente o trocador de calor de grafite como opção padrão. Decapagem de aço (ácido clorídrico), concentração de ácido fosfórico, secagem de cloro. Em cada caso, a melhor e mais econômica solução é o grafite devido à natureza corrosiva do fluido, à alta temperatura e à necessidade de uma transferência de calor compacta e eficiente.

Condições críticas de fluidos da indústria de falha de operaçãoResultado de material abaixo do padrão
Decapagem de aço (HCl) Ácido clorídrico quente 80–95 graus, até 18% HCl Freqüentemente com FeCl 2 Trocadores de metal (titânio, tântalo) corroem rapidamente PTFE amolece; requer unidades maiores
Concentração de ácido fosfórico Processo-úmido de ácido fosfórico com fluoretos, cloretos, sílica 100-160 graus, 40-54% P2O5, presença de HF e H2SiF6 Aço revestido de vidro sujeito a ataque por flúor; metais de alta liga (Hastelloy) corroem ou são muito caros
Cloro gasoso úmido + ácido sulfúrico concentrado 10–40 graus (função de resfriamento), fortemente oxidante, condensado ácido Oxidação rápida de metais (níquel, cobre, aço); opções não{3}}metálicas (PTFE) não têm condutividade térmica para resfriadores de secagem compactos
Decapagem de aço - Serviço de ácido clorídrico quente
Decapagem de tiras de aço e fios Ácido clorídrico quente (geralmente 10–18% HCl a 80–95 graus) é usado para remover incrustações de óxido de ferro. O ácido é carregado com cloreto ferroso (FeCl2) e deve ser constantemente aquecido para tornar o processo eficiente, bem como resfriado em circuitos de regeneração ácida. Trocadores de calor metálicos, como os de titânio, tântalo e zircônio, sofrem de corrosão rápida, corrosão em fendas ou fragilização por hidrogênio causada pelo HCl quente. Quebra de ligas-à base de níquel em semanas. Os trocadores de casco e tubos de PTFE são resistentes ao ataque químico, mas apresentam duas sérias desvantagens:

A baixa condutividade térmica (0,2 W/m·K versus. 100–120 W/m·K para grafite) significa que as unidades são grandes e consomem-espaço.

Limitação de temperatura: O PTFE amolece e se espalha em torno de 110 graus e, portanto, não é adequado para atividades de decapagem em alta temperatura ou caldeiras de regeneração.

Os trocadores de calor de bloco de grafite ou casco e tubo podem funcionar com segurança a 95 graus e podem tolerar excursões curtas de 120 a 130 graus. O tamanho compacto facilita a integração das unidades nas linhas de decapagem existentes. A vida útil do serviço HCl é de 10 a 20 anos para centenas de instalações em todo o mundo. A grafite é, portanto, o material padrão para decapagem de aquecedores ácidos, resfriadores e trocadores de calor de sistemas de regeneração. Onde o PTFE poderia teoricamente funcionar, o tamanho maior e o custo instalado mais alto de uma unidade de PTFE frequentemente favorecem o grafite.

Concentração de ácido fosfórico: trabalhando com altas temperaturas e fluoretos
O processo-úmido de ácido fosfórico (WPA) é produzido pela reação de rocha fosfática com ácido sulfúrico. O ácido obtido contém quantidades consideráveis ​​de impurezas: fluoretos (como HF e H2SiF6), cloretos e sulfatos metálicos. A concentração de cerca de 28% de P₂O₅ até 54% de grau comercial de P₂O₅ é realizada sob vácuo ou pressão atmosférica em temperaturas de até 160 graus. O conteúdo de flúor atacará agressivamente materiais-que contêm silício (vidro, aço revestido-de vidro) e muitas ligas especiais.

Os trocadores de calor de grafite são amplamente utilizados como aquecedores, calandras de evaporadores e resfriadores de condensadores em instalações de ácido fosfórico. O grafite tornou-se o padrão para: Os motivos incluem:

Resistência ao flúor: A grafite não é afetada pelo HF ou ácido fluossilícico em concentrações e temperaturas experimentadas na concentração de WPA.

Resistência a altas temperaturas: A grafite mantém sua resistência mecânica e resistência à corrosão de até 170-200 graus, cobrindo todas as aplicações de concentração de ácido fosfórico.

Vantagem de condutividade térmica: O grafite é um bom condutor de calor e isso é uma vantagem para projetos de evaporadores, pois significa menos área de superfície e vasos menores.

O PTFE também resiste a fluoretos, porém os trocadores de calor de PTFE raramente são solicitados neste negócio. A questão principal é a pegada substancialmente maior para a mesma tarefa. Para instalações de ácido fosfórico em larga escala (centenas de milhares de toneladas por ano) o espaço é limitado e as estruturas de suporte para enormes trocadores de PTFE não são economicamente atraentes. O PTFE também possui um limite máximo de temperatura de ~180 graus, o que oferece pouca margem para situações perturbadoras. A grafite fica entre metais exóticos (que corroem muito rapidamente) e polímeros de temperatura mais baixa (que exigem muita área).

Secagem com cloro: serviço de resfriamento resistente à oxidação
Nas plantas de cloro alcalino, o gás cloro produzido pela eletrólise de membrana ou diafragma é saturado com vapor de água. O cloro úmido é bastante corrosivo, formando ácido hipocloroso e clorídrico. O cloro úmido é seco em torres compactadas por contato com ácido sulfúrico forte (98-99%). O gás de cloro seco resultante (com névoa de ácido traço) deve ser resfriado antes da compressão ou processamento posterior. Os resfriadores de cloro a jusante das torres de secagem são trocadores de calor de casco e tubo de grafite.

Por que grafite em primeiro lugar? O gás resfriado compreende cloro seco e vapor e condensado residual de ácido sulfúrico. Esta mistura é um oxidante potente e ataca a maioria dos metais. Cobre, aço e níquel corroem rapidamente. O tântalo é resistente, mas muito caro para superfícies significativas de transferência de calor. Quimicamente resistente, o PTFE não pode fornecer o resfriamento compacto e de alta eficiência necessário para condensar a névoa ácida e controlar a temperatura do gás. A alta condutividade térmica do grafite permite resfriadores compactos e baratos que podem ser facilmente adicionados ao trem de secagem de cloro.

O serviço de cloro também é uma área em que trocadores de calor de grafite são empregados há mais de 50 anos, com um registro de segurança e confiabilidade bem-estabelecido. No setor de cloro-álcalis, os engenheiros de processo geralmente especificam resfriadores de grafite como algo natural, raramente pensando em opções alternativas de materiais.

Por que o PTFE não é o padrão
O PTFE tem uma resistência química excepcional, então porque é que a grafite ainda é a escolha habitual nestas indústrias? Por que não PTFE? A explicação se resume a três limitações do PTFE:

Teto de temperatura: o PTFE amolecerá e começará a deslizar sob pressão acima de 110-120 C. A operação contínua a 150 graus não é concebível. A grafite é estável pelo menos até 200 C.

Condutividade térmica: A condutividade térmica muito baixa do PTFE necessita de regiões enormes para transferência de calor. Para aplicações onde são necessárias centenas de metros quadrados, uma unidade de PTFE torna-se bastante grande, pesada e cara para instalar.

Robustez mecânica: os blocos de grafite e as unidades de revestimento-e{1}}tubo oferecem suporte firme e confiável para placas de tubos e juntas. É necessário tensionar cuidadosamente os tubos de PTFE porque eles são mais propensos a danos mecânicos durante a limpeza.

Se o limite de temperatura do PTFE não for excedido pela aplicação e o espaço não for uma preocupação, então o PTFE poderá ser selecionado. Contudo, nos três setores indicados, decapagem de aço, concentração de ácido fosfórico e secagem com cloro, a combinação de alta temperatura, alta corrosividade e necessidade econômica de design compacto torna o grafite a escolha padrão.

Papel do sucesso do campo histórico
O papel de liderança do grafite se deve a décadas de experiência de campo estabelecida. Em condições de processo tão árduas, a grafite provou ser significativamente mais confiável do que qualquer material alternativo. Os dados de laboratório muitas vezes orientam a seleção de materiais, mas o mesmo acontece com a experiência de campo anterior. Os engenheiros que especificam equipamentos para uma nova linha de decapagem, evaporador de ácido fosfórico ou trem de resfriamento de cloro geralmente seguem as normas da indústria de grafite, uma vez que qualquer divergência desse nível é um risco desnecessário.

Conclusão resumida
Os trocadores de calor de grafite são o material usual na decapagem de aço (HCl quente), concentração de ácido fosfórico (ácido quente contendo flúor) e secagem de cloro (cloro úmido com ácido sulfúrico). A grafite oferece uma combinação de resistência química, alta condutividade térmica e capacidade de temperatura que não pode ser igualada por outros materiais (metais, PTFE, vidro) em toda a gama de condições de processo em cada situação. O PTFE é melhor em termos de inércia química em temperaturas mais baixas, mas sua baixa condutividade térmica e limites de temperatura o tornam inadequado como substituto do grafite nessas aplicações exigentes. O status padrão do setor de trocadores de calor de grafite não é um acidente-ele é baseado em décadas de serviço confiável e{4}}com boa relação custo-benefício, onde as alternativas falharam repetidas vezes.