Как выбрать правильный материал перегородки для теплообменника из ПТФЭ при работе с кислотой при высоких-температурах?

Перегородки кожуха-и-трубчатого теплообменника из ПТФЭ представляют собой структурный каркас, поддерживающий гибкие трубки и направляющий боковой поток-корпуса. Они сидят в самой едкой жидкости. В условиях горячей, смешанной-кислотной среды простая доступная перегородка из нержавеющей стали подвергается коррозии, изъязвлению и, наконец, разрушению, в результате чего пучок труб сминается и превращается в запутанную, протекающую массу. Выбор подходящего и химически совместимого материала для перегородок – это решение, определяющее долгосрочную механическую целостность всего теплообменника.

В этой статье представлен систематический метод выбора подходящего материала перегородки для теплообменника из ПТФЭ при использовании высокотемпературной кислоты, сравнивая перегородки из твердого фторполимера с альтернативными металлическими перегородками с футеровкой.

Выбор материалов для перегородок в агрессивных кислотных средах
Универсальная химическая стойкость перегородок из твердого ПТФЭ или ПФА
Для полностью коррозионностойких условий типичным и наиболее экономичным способом является изготовление перегородок из цельной пластины из ПТФЭ или ПФА. Пластины изготовлены из толстого листа и обладают полной химической стойкостью во всем диапазоне pH, в том числе при высоких температурах (часто до 200 градусов для ПТФЭ и чуть выше для ПФА). Твердые перегородки из фторполимера инертны практически ко всем кислотам, включая комбинации соляной, серной, азотной и плавиковой кислот.

Перегородки представляют собой пластиковые или металлические ребра, которые скрепляют каркас пучка. Их материал должен быть таким же прочным, как и оболочка трубок. Перегородки из цельного ПТФЭ полностью отвечают этому требованию с точки зрения коррозии.

Недостатки твердой перегородки из фторполимера
Однако перегородки из твердого ПТФЭ имеют серьезные механические ограничения:

Гибкость ПТФЭ — довольно мягкое и гибкое вещество, особенно при повышенных температурах. Перегородки из цельного ПТФЭ могут отклоняться при высоких скоростях поперечного-потока, что приводит к вибрации трубки, фрикционному износу и возможному выходу трубки из строя.

Требования к толщине: перегородка из ПТФЭ должна быть намного толще металлической перегородки, обычно в 2–3 раза толще стальной перегородки, чтобы соответствовать жесткости. Эта увеличенная толщина занимает значительную площадь поперечного сечения-оболочки, ограничивая доступный канал потока и потенциально увеличивая перепад давления.

Ползучесть и деформация: ПТФЭ расползается под постоянным механическим давлением. Отверстия перегородки могут со временем вырасти, что уменьшит поддержку трубок.

Металлические перегородки с облицовкой: прочность + невосприимчивость к химикатам
A more powerful solution is needed for high velocity services, big diameter shells (e.g. >500 мм) или в приложениях с сильными вибрациями, вызванными потоком. Металлическая перегородка-изготовлена ​​из нержавеющей стали, сплава с высоким-никелем (например, Хастеллой или Инконель) или титана-полностью заключена в толстую бесшовную облицовку из ПТФЭ или ПФА, что обеспечивает прочность и жесткость металла в сочетании с химической стойкостью фторполимера.

Металлический сердечник способен выдерживать механические нагрузки без прогиба, а футеровка из ПТФЭ предотвращает любой контакт между агрессивной кислотой и металлической основой. Эта гибридная конструкция сочетает в себе лучшее из обоих.

Критерии выбора материала перегородки для условий эксплуатации
Динамика потока и скорость жидкости
Скорость жидкости со стороны корпусаРекомендуемые материалы перегородок
Низкий (<= 0.5 m/s)Thickened solid PTFE or PFA
Средняя (0,5–1,5 м/с) Сплошной PFA или футерованный металл (в зависимости от диаметра)
High (>1,5 м/с) Металлическая облицовка (сердечник из нержавеющей стали или сплава)
Перегородки подвергаются сильному сопротивлению со стороны высокоскоростных-потоков кислоты. Твердые перегородки из ПТФЭ могут отклоняться настолько, что облегчают удар трубы о перегородку и вызывают износ. Металлические перегородки с облицовкой сохраняют геометрию и выравнивание отверстий и таким образом предотвращают такие повреждения.

Расстояние между перегородками и диаметр корпуса
For modest shell diameters (less than 300 mm), the unsupported span of a PTFE baffle is short and deflections are tolerable. For bigger shells (>500 мм) сплошная перегородка из ПТФЭ ведет себя скорее как гибкая мембрана, чем как твердая опора. В таких случаях настоятельно рекомендуется использовать металлическую перегородку с облицовкой.

Детали химического коктейля
Окисляющие кислоты (например, горячая концентрированная азотная кислота, царская водка): ПТФЭ и ПФА очень устойчивы. Сплошной или с подкладкой зависит от механических требований.

Восстановительные кислоты (например, сильная соляная кислота, разбавленная серная кислота): снова высокая стойкость для обоих материалов.

Плавиковая кислота (HF). Не используйте стеклонаполненный ПТФЭ, поскольку HF повредит стекло. Должен быть из чистого ПТФЭ или ПФА. Материал сердцевины должен быть устойчив к высоким частотам (например, монель или хастеллой C-2000) для облицованных металлических перегородок на случай точечных дефектов.

Смесь кислот с абразивными твердыми веществами: металлическая перегородка с футеровкой из PFA (2–3 мм) обеспечивает превосходную стойкость к эрозии, чем сплошная перегородка из ПТФЭ той же толщины.

Технические соображения для долгосрочной надежности
Сравнение жесткости ПТФЭ и металла с футеровкой
Модуль упругости ПТФЭ составляет около 0,5 ГПа при температуре окружающей среды и резко снижается, когда температура приближается к 200 градусам. ~400 раз жестче ~200 ГПа Нержавеющая сталь. Следовательно, сплошная перегородка из ПТФЭ должна быть пропорционально толще (обычно 20–30 мм по сравнению с 5–10 мм для стальной перегородки), чтобы обеспечить эквивалентное сопротивление прогибу. Эта дополнительная толщина увеличивает стоимость материала и ограничивает эффективную площадь потока со стороны корпуса.

Для сравнения, металлическая перегородка с футеровкой имеет обычный (например, 6 мм) стальной сердечник и тонкую облицовку из ПТФЭ (часто на 2-3 мм дополнительной толщины). Тем не менее, общая толщина невелика, чтобы сохранить проходное сечение и сделать теплообменник компактным.

Критическая важность идеального соединения футеровки
Чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию металлической перегородки с футеровкой, футеровка из ПТФЭ или ПФА должна быть хорошо-скреплена с металлической подложкой и не иметь отверстий и трещин. Любая трещина или расслоение позволяет агрессивной горячей кислоте проникнуть под футеровку. Кислота разъедает металлический сердечник, вызывая щелевую коррозию или точечную коррозию. Технологическая жидкость также может быть загрязнена продуктами коррозии (ионами металлов). Локальная коррозия может быть достаточно агрессивной, чтобы разъедать металл, вздуваться и разрушать футеровку.

Способы изготовления футерованных перегородок включают в себя:

Свободная футеровка с посадкой с натягом. Футеровка из ПТФЭ механически прикреплена к металлическому сердечнику. Это допускает некоторое относительное перемещение, но может быть уязвимо для проникновения жидкости, если края не герметичны.

Адгезионное соединение или спекание: вкладыш спекается с химически протравленной металлической поверхностью с ПТФЭ, обеспечивая практически безупречное соединение. Это идеальный подход для кислотной работы при повышенных температурах.

Литье под давлением (PFA) PFA может быть отлито под давлением на металлическом сердечнике и, таким образом, обеспечивает бесшовную герметизацию без пустот-.

Все облицованные перегородки должны быть проверены на искрообразование (обнаружение пропусков высокого напряжения) после изготовления, чтобы убедиться в отсутствии точечных отверстий.

Конструкция опоры трубки и перегородки
Трубки из ПТФЭ должны иметь такой размер, чтобы обеспечить тепловое расширение без чрезмерного зазора, но размеры отверстий не должны быть слишком большими. Для перегородок из цельного ПТФЭ зазор отверстий обычно на 0,5–1,0 мм больше наружного диаметра трубки. Аналогичный зазор используется для металлических перегородок с облицовкой, но металлический сердечник обеспечивает постоянную геометрию отверстий, которая не расползается и не деформируется с течением времени.

Вывод: поддержка как сила или абсолютное сопротивление
Правильный выбор материала перегородки для теплообменника из ПТФЭ при работе с высокотемпературной кислотой является жизненно важным механическим и химическим решением. Это либо универсальное, чистое сопротивление твердого фторполимера, либо жесткая, поддерживаемая прочность футерованного металла. Для применений с низкой-скоростью, малым-диаметром или ограниченным бюджетом-твердые перегородки из ПТФЭ или ПФА обеспечивают надежную работу без возможности повреждения футеровки. Для высокоскоростных потоков, больших диаметров корпуса или любых условий, где механическая вибрация является проблемой, футерованная металлическая перегородка обеспечивает необходимую жесткость и долговременную стабильность размеров.

Внутренняя скрытая конструкция теплообменника должна быть изготовлена ​​из материала, столь же прочного, как и его внешняя оболочка. Выбранный материал перегородки, сплошной или облицованный, должен выдерживать те же суровые химические воздействия, что и сами трубы. Тщательная оценка скорости жидкости, диаметра корпуса и конкретного кислотного коктейля позволит сделать осознанный выбор, который обеспечит десятилетия-безотказной работы, а не преждевременное разрушение и утечку.