In quali servizi chimici uno scambiatore di calore in grafite supera un'unità in PTFE?

Sia la grafite che il PTFE sono i campioni nel trasferimento di calore corrosivo, ma entrambi hanno i loro punti di forza. Conoscere i servizi in cui la grafite supera il PTFE eviterà costose applicazioni errate. Il PTFE è un materiale estremamente resistente agli agenti chimici e meccanicamente flessibile, ma la grafite ha una conduttività termica e una resistenza alle alte temperature superiori, che lo rendono il materiale di scelta per una gamma ristretta di attività corrosive. Gli scambiatori di calore in grafite e PTFE sono ben conosciuti e gli ingegneri possono scegliere la soluzione più affidabile ed economicamente vantaggiosa.

Acido solforico caldo (70–98%) - La fortezza della grafite
Uno dei prodotti chimici industriali più aggressivi è l'acido solforico caldo concentrato. La grafite (impregnata con resina fenolica o PTFE, di tipo impermeabile) funziona bene in questo ambiente fino a 200 gradi. Il materiale è resistente sia all'ossidazione che all'attacco di disidratazione e mantiene l'integrità strutturale anche ad alte concentrazioni.

Mentre il PTFE è limitato a circa 110 gradi per un servizio prolungato in acido solforico. Al di sopra di questa temperatura il PTFE si indebolisce e perde la sua resistenza meccanica. Anche il gap di conduttività termica diventa cruciale. Per raffreddare o riscaldare l'acido concentrato è necessario un trasferimento di calore efficiente per evitare il surriscaldamento o il sottoraffreddamento localizzato che può accelerare la corrosione o causare danni al prodotto.

In applicazioni come la diluizione dell'acido solforico, il raffreddamento inter-di impianti di contatto o unità di concentrazione dell'acido, gli scambiatori di calore in grafite sono generalmente l'unica soluzione non metallica praticabile. Hanno un'ottima conduttività termica e consentono design compatti. La loro resistenza alla corrosione è stabile per anni di utilizzo.

Acido cloridrico, contaminato da sostanze organiche
L'acido cloridrico è molto corrosivo per la maggior parte dei metalli in qualsiasi quantità. Sia la grafite che il PTFE sono ben tollerati dall'HCl puro. Tuttavia, se l'acido contiene contaminanti organici, come solventi clorurati, oli o sottoprodotti di reazione, la grafite è spesso la scelta preferibile.

La grafite resiste all'HCl fino al suo punto di ebollizione (110 gradi per la forza azeotropica) e non è influenzata dalle tracce di sostanze organiche. Anche il PTFE resiste a queste sostanze organiche, ma ha lo svantaggio di una minore conduttività termica del PTFE. A parità di servizio, l'area di scambio termico di uno scambiatore in PTFE è molto maggiore. Laddove il fluido di processo contiene sostanze organiche appiccicose, la maggiore lunghezza dei tubi e il guscio più grande di un'unità in PTFE aumentano la probabilità di incrostazioni e difficoltà di pulizia. La grafite è disponibile in forma di blocco compatto o guscio-e-tubo, che riduce al minimo il tempo di permanenza e l'area superficiale per la deposizione.

In pratica, per i servizi HCl con carichi termici da moderati ad elevati, la grafite offre uno scambiatore più piccolo, più reattivo e più facile da pulire e manutenere.

Servizi che richiedono velocità elevate di trasferimento di calore
La grafite ha una conduttività termica di 80–120 W/m·K, diverse centinaia di volte superiore a quella del PTFE (0,25 W/m·K). La grafite è il materiale d'elezione dove la compattezza e la grande efficienza termica sono fondamentali. Il beneficio è massimo in:

Raffreddamento o riscaldamento a liquido ad alto-flusso - Il coefficiente di trasferimento termico complessivo per lo scambiatore di liquido in grafite-liquido è normalmente 600–1200 W/m2·K mentre per il PTFE è 200–400 W/m2·K. La differenza è che un'unità di grafite potrebbe essere da 2 a 5 volte più piccola per lo stesso compito.

Condensazione di vapori corrosivi Per le attività di condensazione sono richiesti coefficienti elevati della pellicola sul lato del tubo-. La bassa conduttività del PTFE rappresenta un grave collo di bottiglia a causa della resistenza del film del liquido condensante. La grafite si condensa in modo efficace, spesso in meno di un terzo dell'area richiesta per un'unità in PTFE.

Riscaldamento o raffreddamento batch rapido - Per le operazioni batch in cui il tempo di ciclo è cruciale, la bassa massa termica e la forte conduttività termica della grafite consentono rapide rampe di temperatura. Anche la lenta reattività del PTFE aumenta il tempo del ciclo.

La compattezza della grafite è un fattore decisivo nelle applicazioni in cui lo spazio è limitato, come gli skid dei reattori chimici, le camere bianche farmaceutiche o le ristrutturazioni di edifici esistenti.

Quando il PTFE è migliore della grafite (riconoscimento)
Qualsiasi confronto equo deve riconoscere i servizi per i quali il PTFE è superiore. Il PTFE è migliore della grafite qui sotto:

Servizio Perché scegliere il PTFE
Acidi ossidanti forti (ad es. acido nitrico concentrato, acido cromico) In circostanze di ossidazione l'impregnazione della resina viene attaccata causando la perdita di resistenza alla corrosione nella grafite impermeabile. Il PTFE è essenzialmente non-ossidante.
Caustiche forti calde (ad es. . 50% NaOH sopra 100 gradi) Gli alcali caldi attaccano la grafite. Il PTFE resiste alle sostanze caustiche fino ai limiti di temperatura.
Oleum (acido solforico fumante contenente SO₃ libera) La grafite reagisce con SO libera 3 . Il PTFE è stabile.
Sistemi con elevate vibrazioni o colpi d'ariete. La grafite è fragile e quindi si fessura. Il PTFE è flessibile quindi sopporta gli shock meccanici.
Sostanze grandi o abrasive nei fluidi I passaggi della grafite si intasano o si degradano. I tubi in PTFE possono piegarsi e attraversare le particelle.
La grafite reagisce con l'oleum, le sostanze caustiche forti calde o gli acidi ossidanti, ad esempio l'azoto concentrato. Per questi servizi è opportuno studiare il PTFE o altri materiali (ad es. tantalio, carburo di silicio).

Tabella riassuntiva: guida alla decisione
Una breve guida alla scelta della grafite o del PTFE per impieghi chimici è mostrata nella tabella seguente:

Servizi chimici Prestazioni della grafite Prestazioni del PTFE Materiali preferiti
H2SO4 caldo (70-98%, 80-200oC) Eccellente Temperatura limitata