Come si confronta uno scambiatore di calore in grafite di tipo-blocco con un guscio in PTFE-e un'unità tubolare-?

Quando si definisce uno scambiatore di calore per applicazioni con acidi estremamente corrosivi, spesso entrano in gioco due scelte non-metalliche: scambiatori a blocchi di grafite e scambiatori a fascio tubiero-e-in PTFE. Entrambi sono resistenti alla corrosione ma le loro proprietà termiche e meccaniche li rendono adatti a varie applicazioni. Comprendere i compromessi-in termini di compattezza, prestazioni termiche, compatibilità chimica e robustezza meccanica è una questione chiave per la scelta della tecnologia adatta.

Panoramica del progetto: blocco di grafite rispetto a guscio e tubo in PTFE
Gli scambiatori di calore a blocchi di grafite sono costituiti da uno o più blocchi di grafite impermeabile (grafite impregnata di resina). Ciascun blocco è forato con due serie di passaggi, uno per il fluido di processo corrosivo e uno per il fluido di servizio (acqua di raffreddamento, vapore o mezzo di riscaldamento). I blocchi sono collegati tra loro utilizzando adesivi riempiti di grafite-o con connettori sigillati. A seconda dello schema di perforazione, i fluidi scorrono attraverso i tubi in una configurazione a flusso incrociato-o contro-flusso.

Gli scambiatori di calore a fascio tubiero-e-in PTFE sono costituiti da un fascio di tubi in PTFE (politetrafluoroetilene)-a pareti sottili, contenuti in un guscio di metallo o plastica. Il fluido corrosivo viaggia attraverso i tubi in PTFE (o attorno ad essi) mentre il fluido di servizio scorre sull'altro lato. Per supportare i tubi in PTFE vengono normalmente utilizzati dei setti intermedi. Il fascio tubiero viene sigillato sulle piastre tubiere mediante giunti per tubi espansi o raccordi a compressione.

I due design differiscono in un aspetto principale, ovvero la flessibilità meccanica. I blocchi di grafite sono solidi e resistenti. I tubi in PTFE sono flessibili e possono sopportare piccole vibrazioni e dilatazioni termiche senza danneggiarsi.

Il grande vantaggio della grafite: conduttività termica
La differenza più importante è nella conduttività termica. La grafite ha una conduttività termica di circa 80-120 W/mK (a seconda del grado di grafite e della resina di impregnazione). Il PTFE, tuttavia, ha una conduttività termica di circa 0,25 W/m K, circa 300-400 volte inferiore alla grafite.

Questa enorme differenza significa che uno scambiatore a blocchi di grafite può essere sorprendentemente compatto per lo stesso compito di trasferimento di calore. L'unità in grafite è un-decimo del volume dell'unità in PTFE del tipo a guscio e tubo con pari prestazioni termiche. I blocchi di grafite offrono un netto vantaggio in situazioni di spazio limitato, come l'adeguamento a layout di apparecchiature esistenti o il montaggio su skid di processo congestionati.

Al contrario, la bassa conduttività termica del PTFE significa che gli scambiatori di calore a fascio tubiero-e-con tubi in PTFE necessitano di aree superficiali di trasferimento del calore relativamente elevate. Ciò comporta ingombri più grandi, fasci tubieri più lunghi e diametri del guscio maggiori. In pratica, gli scambiatori in PTFE sono solitamente richiesti solo laddove la loro speciale resistenza chimica compensa la riduzione delle dimensioni.

Proprietà meccaniche: fragile o flessibile
La grafite è una sostanza fragile. La grafite impermeabile è più resistente della grafite grezza, ma può anche essere rotta da:

Shock meccanico (ad es. utensile perso, movimento rapido del tubo)

Colpo d'ariete nella linea del fluido di servizio

Cicli termici estremi (riscaldamento o raffreddamento rapido, soprattutto con un differenziale di temperatura superiore ai limiti specificati dal produttore)

Coppia di bulloni irregolare nelle flange o nelle testate

Se un blocco di grafite si rompe, solitamente lo scambiatore non può essere riparato. La fessura potrebbe causare perdite incrociate-tra i circuiti del fluido di processo e di servizio o perdite esterne. L'unico modo per risolverlo è sostituire l'intero stack di blocchi. Si tratta spesso di un importante investimento di capitale.

I tubi in PTFE, invece, sono flessibili e durevoli. Colpi d'ariete, vibrazioni e cicli termici moderati possono essere tollerati senza danni. Se un tubo in PTFE perde (ad esempio a causa di abrasione o foratura meccanica), generalmente è possibile sigillarlo su entrambi i fogli tubieri e il resto dei tubi può ancora essere utilizzato. Alcuni modelli consentono la sostituzione dei tubi, tuttavia questa operazione richiede molta manodopera. Il carattere meccanico tollerante del PTFE rende questi scambiatori più adatti per impianti con un controllo meno rigoroso della stabilità del flusso o delle rampe di temperatura.

Resistenza chimica: l'ampia gamma del PTFE
Sia la grafite che il PTFE sono resistenti a un'ampia gamma di acidi corrosivi, ma esistono numerose differenze fondamentali.

Compatibile con: Grafite (grado impermeabile)

Acido cloridrico (tutte le concentrazioni fino al punto di ebollizione)

Acido solforico (fino a circa l'80–85% a temperature moderate; quantità maggiori richiedono un'attenta selezione)

Acido fosforico 12.

- Acidi organici.

La grafite, tuttavia, viene danneggiata da acidi ossidanti forti come:

Acido nitrico (particolarmente concentrato o riscaldato)

Acido cromico (acido cromico)

Ho bisogno dell'acqua regia

Acidi misti senza cloro o bromo

Le sostanze chimiche ossidanti penetrano nella struttura della grafite e producono corrosione intergranulare, con conseguente rapido guasto. Gli scambiatori di grafite non dovrebbero mai essere utilizzati in tali servizi a meno che non si ottenga l'approvazione del produttore per un grado di grafite specializzato (impregnato fenolico-v. impregnato di furano-, con restrizioni ancora applicabili).

Il PTFE è quasi completamente resistente a tutte le sostanze ad eccezione dei metalli alcalini fusi e del fluoro elementare alle alte temperature. Il PTFE è resistente all'acido nitrico, all'acido cromico e a tutti gli altri acidi ossidanti praticamente a tutte le concentrazioni. Resiste inoltre ai solventi organici, al cloro e alla maggior parte dei fluidi di processo presenti nella finitura superficiale e nella lavorazione chimica. Per miscele altamente ostili (ad es. acqua regia, acido nitrico concentrato a caldo o soluzioni di decapaggio con acidi misti) il PTFE è talvolta l'unica scelta non metallica possibile.

Proprietà Scambiatore di calore a blocchi di grafite Guscio in PTFE-e-scambiatore di calore a tubi
Conduttività termica (W/mK) 80 –120 0.25
Dimensioni relative per lo stesso impiego Compatto (1x linea di base)Grande (10-15× più grande)
Temperatura massima continua 180–200 gradi (a seconda della resina) ~110 gradi (scorrimento PTFE limitato)
Comportamento meccanico Fragile, si rompe con urti o colpi d'arieteFlessibile, resistente alle vibrazioni e ai cicli termici
Riparabilità Generalmente non riparabile in caso di crepe nel bloccoI tubi possono essere bloccati o sostituiti singolarmente
Resistenza agli acidi ossidanti (nitrico, cromico) Scarsa, sconsigliataBuona; del tutto resistente
Applicazioni tipiche Raffreddamento H2SO4 Riscaldamento/raffreddamento HCl Servizio con acido organico Decapaggio con acidi misti, acqua regia, soluzioni contenenti cloro-, bagni galvanici
Costo iniziale (relativo) Superiore (produzione specializzata) Da moderato a basso
Restrizioni di temperatura
Gli scambiatori a blocchi di grafite, se opportunamente impregnati con resine (solitamente fenoliche o furaniche), possono funzionare in continuo a temperature fino a 180–200 gradi. Alcuni gradi eccezionali sono classificati fino a 220 gradi. Ciò rende la grafite adatta per riscaldare o raffreddare acido solforico concentrato, vapori caldi di acido cloridrico e altri flussi corrosivi ad alta-temperatura.

Gli scambiatori di calore a guscio e tubo in PTFE sono limitati a circa 110 gradi per l'uso continuo. Al di sopra di questa temperatura il PTFE inizia a indebolirsi e a scivolare sotto la differenza di pressione attraverso la parete del tubo. Possono essere tollerate brevi escursioni a 120-130 gradi, ma l'esposizione prolungata alle alte temperature provoca la deformazione del tubo, perdite sui giunti del tubo e il guasto finale. Per impieghi corrosivi a temperature superiori a 110 gradi, la grafite è generalmente l'unica alternativa non metallica, oppure è necessario esplorare uno scambiatore metallico con rivestimento in lega insolito.

Problemi di costi e manutenzione
Il costo iniziale di uno scambiatore di calore a blocchi di grafite è generalmente superiore a quello di un'unità tubolare e mantello in PTFE con lo stesso carico termico. I blocchi di grafite richiedono perforazioni di precisione, tecniche di incollaggio speciali e un attento controllo di qualità. I fasci di tubi in PTFE vengono prodotti in grandi quantità con minori costi di materiale e fabbricazione.

Ma il costo complessivo di proprietà dipende piuttosto dall’applicazione. Uno scambiatore in grafite può funzionare per decenni senza problemi in un servizio acido pulito e stabile, senza shock meccanici o sostanze chimiche ossidanti. Il suo maggior costo iniziale è giustificato dalle dimensioni compatte e dall'elevata efficienza termica. In un servizio in cui i colpi d'acqua o i cicli termici sono inevitabili, il pericolo di rottura della grafite può rendere preferibile la struttura più tollerante in PTFE, anche a scapito di uno scambiatore più grande.

Le tecniche di manutenzione sono leggermente diverse. I dispositivi in ​​grafite richiedono delicati processi di avvio-e spegnimento-per evitare shock termici. Generalmente si consiglia l'uso di filtri sul lato del fluido di servizio per evitare che i detriti sporchino le facce del blocco. Gli scambiatori in PTFE sono meno sensibili ai disturbi del flusso, ma devono essere puliti periodicamente se i diametri piccoli dei tubi si sporcano. La bassa energia superficiale del PTFE (descritta nelle sezioni precedenti) è un vantaggio nel ridurre le incrostazioni, tuttavia i tubi in PTFE possono essere puliti meccanicamente.

Guida alle decisioni: scegliere lo scambiatore giusto per l'applicazione?
La decisione tra un blocco di grafite e uno scambiatore di calore a guscio-e-tubo in PTFE dipende da una serie di criteri-specifici dell'applicazione.

Consideriamo uno scambiatore a blocchi di grafite nel caso di:

Deve essere compatto a causa delle limitazioni di spazio.

Le temperature di processo sono superiori a 110 gradi e inferiori a 200 gradi.

Il liquido corrosivo è acido solforico, acido cloridrico o un acido organico non-ossidante.

Il fluido di servizio è puro e privo di colpi d'ariete e detriti.

Una corretta progettazione del sistema può prevenire shock meccanici e rapidi cicli termici.

Un'unità più piccola e più efficiente dal punto di vista termico è accettabile se è necessario un investimento di capitale iniziale maggiore.

Scegli uno scambiatore a fascio tubiero in PTFE quando:

Il fluido possiede potenti agenti ossidanti (acido nitrico, acido cromico, acqua regia, acidi misti).

Le temperature di processo sono inferiori a 110 gradi.

Il sistema di tubazioni può sopportare colpi d'ariete, vibrazioni o frequenti cicli termici.

La robustezza meccanica e il funzionamento tollerante sono più importanti della compattezza.

Auspicabili sono il costo iniziale inferiore e la possibilità di tappare o sostituire i singoli tubi.

È disponibile spazio sufficiente per l'ingombro dello scambiatore più grande.

In pratica, molti impianti di processi chimici utilizzano entrambi i tipi. Gli scambiatori in grafite sono ampiamente utilizzati nel servizio di raffreddamento dell'acido solforico e nei circuiti di riscaldamento dell'acido cloridrico. Gli scambiatori in PTFE sono la scelta preferita per linee di decapaggio con acidi misti, riscaldamento/raffreddamento di bagni galvanici e trattamento degli acidi di scarico dove sono presenti specie ossidanti.

Conclusione: una decisione ingegneristica complicata
Sia gli scambiatori di calore in grafite con design a blocchi che le unità a fascio tubiero in PTFE sono adatti per il settore del trasferimento di calore corrosivo, ma sono fondamentalmente diversi nei loro punti di forza e nei loro limiti. La grafite è buona per la sua conduttività termica e le sue dimensioni, ma è fragile, costosa all'inizio e sensibile agli acidi ossidanti. Il PTFE ha un'immunità chimica insuperabile e una flessibilità meccanica a un costo inferiore. Tuttavia, ha un limite di temperatura di 110 gradi e richiede superfici notevolmente maggiori.

La scelta dipende dall'acido utilizzato, dalla temperatura di lavoro, dall'ambiente meccanico e dallo spazio disponibile. La scelta dei materiali per gli scambiatori di calore in servizio corrosivo è una questione di ingegneria dalle molteplici sfaccettature, che include compromessi tra prestazioni termiche, compatibilità chimica, durata meccanica e costo del ciclo di vita. "La tecnologia non batte la tecnologia in generale, ma ciascuna tecnologia ha la propria nicchia in cui è superiore."