Quins són els límits de temperatura i pressió dels intercanviadors de calor de grafit impermeables?

El grafit impermeable és fort en compressió, dèbil en tensió i els límits de rendiment estan dictats principalment per la resina utilitzada per fer-lo impermeable. Els enginyers han d'observar aquestes limitacions per evitar fallades inesperades i trencadisses. A diferència dels metalls, que solen tenir una certa deformació plàstica abans de fracturar-se, el grafit es trenca amb poc o cap avís. Així, els límits de l'intercanviador de calor de grafit impermeable-temperatura, pressió i xoc tèrmic-defineixen l'embolcall de funcionament segur d'un material d'altra manera molt resistent a la corrosió.

Límits de temperatura Límits dependents de la resina
La temperatura de servei més alta d'un intercanviador de calor de grafit impermeable està limitada per l'estabilitat tèrmica de la resina impregnant. El substrat de grafit en si és estable a més de 2.500 graus en atmosferes inerts, però la resina que omple els forats i proporciona hermeticitat es descompon a temperatures molt més baixes.

Tipus de resinaTemperatura màxima de funcionament continuComentaris
Resina fenòlica 180–200 graus (típica) Alguns graus fins a 210 graus Més comú i més barat; degrada per sobre del límit, emissió de volàtils, porositat
PTFE (politetrafluoroetilè) 220–230 graus Rendiment a alta temperatura, gran resistència química però molt més car
Resina de furà de 180 a 200 graus semblant a -fenòlics; s'utilitza quan el fenòlic no és adequat per a certs dissolvents orgànics
Sense resina impregnada amb carboni Fins a 400 graus (només en atmosferes no-oxidants) Sense resina per a la degradació, però encara grafit porós Necessita una atmosfera inert o reductora per evitar l'oxidació
Quan es supera el límit de temperatura, la resina fenòlica comença a cremar-se, encongir-se i trencar-se. El grafit torna a ser porós i condueix a:

Fuga de fluid corrosiu pel cos de l'intercanviador.

Contaminació creuada entre la carcassa i el costat del tub.

Oxidació accelerada de les parts exteriors.

El grafit impregnat de PTFE-s'especifica per a un servei superior a 200 graus. No obstant això, l'augment del cost pot ser important, generalment un 50-100% més gran que els equivalents impregnats amb fenòlics. El grafit impregnat generalment no és accessible per sobre dels 230 graus, i s'han d'investigar altres materials com el carbur de silici, el tàntal o la ceràmica.

Límit de pressió: debilitat de tensió i estàndards de disseny
El grafit té una alta resistència a la compressió (50-100 MPa) però una baixa resistència a la tracció (10-25 MPa). Les tensions de tracció del cèrcol i axials es produeixen per pressió interna en carcassa i tubs cilíndrics. El grafit no pot suportar l'alta tensió fàcilment i, per tant, les classificacions de pressió dels intercanviadors de calor de grafit són modestes.

Classes de pressió - Estàndard
Bescanviadors de calor de tipus bloc-(blocs cilíndrics o rectangulars amb canals perforats): els dissenys típics tenen una classificació de 6 bar (87 psi) als costats de la carcassa i del tub.

Dissenys de carcassa i tub: normalment es classifica entre 5 i 6 bars al costat del tub; El costat de la closca pot ser significativament més baix a causa de regions més grans no compatibles.

Dissenys reforçats personalitzats Disponibles per a pressions de fins a 10-12 bar, mitjançant carcassa d'acer externa, seccions de grafit més gruixudes o dissenys pretensats. Aquests articles no estan fora del prestatge i requereixen enginyeria especialitzada.

La pressió nominal està determinada per una càrrega constant uniforme. Les sobrepressions, els cops d'aigua o els cicles ràpids poden exercir esforços de tracció dinàmics que poden induir una ruptura sobtada fins i tot si la pressió en estat estacionari està per sota del valor nominal.

Compliment dels codis de disseny
Els recipients a pressió metàl·lics estan subjectes a ASME Secció VIII, Divisió 1 . Els intercanviadors de calor de grafit no estan subjectes a aquest codi . L'estàndard de disseny més conegut és l'AD Merkblatt N1 (Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter) alemany per a aparells de grafit. Altres fabricants depenen de proves exhaustives dels estàndards interns. El comprador ha de demanar al proveïdor una declaració del codi de disseny i garantir que l'intercanviador està segellat o certificat correctament.

Xoc tèrmic: una restricció de funcionament
Una altra limitació important en el funcionament és el xoc tèrmic, a més de la temperatura i la pressió en estat estacionari. El grafit té un coeficient d'expansió tèrmica relativament baix (al voltant de 2–6 × 10⁻⁶ / grau, semblant al vidre o al silici), però una conductivitat tèrmica pobra en comparació amb els metalls i una resistència a la tracció molt baixa. Quan un intercanviador de calor de grafit està sotmès a canvis ràpids de temperatura (per exemple, s'injecta líquid fred a una unitat calenta), s'acumulen tensions d'expansió diferencial interna a l'intercanviador de calor que són superiors a la resistència a la tracció del grafit i, per tant, provoquen esquerdes.

Taxa de canvi de temperatura suggerida
Els fabricants solen especificar velocitats màximes de canvi de temperatura acceptables de 5 a 10 graus per minut per als intercanviadors de grafit normals. Alguns dissenys de blocs de secció pesada només poden tolerar 2-3 graus/min. Un cop superades aquestes taxes, fins i tot una vegada, es poden produir esquerdes irreparables.

Exemple d'escenari d'error
És típic un intercanviador de blocs de grafit que treballa a 150 graus i s'ha drenat per al manteniment. A continuació, el bloc es refreda uniformement i s'alimenta aigua freda (20 graus) al costat de la closca. Les superfícies internes es refreden ràpidament, mentre que el centre es manté calent. Les tensions de tracció que sorgeixen trenquen el bloc cap a fora dels forats del canal. L'intercanviador fallaria en la següent pressurització.

Per evitar el xoc tèrmic:

No injecteu un fluid amb una diferència de temperatura de més de 50 graus en un intercanviador a una altra temperatura.

Utilitzeu tècniques d'escalfament-o refredament-lents.

Enclavaments de temperatura o vàlvules controlades per aturar el flux fins que les temperatures s'hagin igualat.

Efectes combinats de temperatura i pressió
En molts casos, la pressió màxima admissible disminueix amb l'augment de la temperatura. A temperatures elevades properes al límit de la resina (per exemple, . 190 grau per a fenòlics), la resina s'estova una mica, reduint la resistència efectiva del grafit. Les corbes de reducció particulars són específiques del fabricant. Un enfocament prudent seria reduir la pressió de treball en un 20-30% a temperatures 10-15 graus per sota del límit de la resina. Per al servei, la pressió màxima de la resina final s'ha de reduir encara més per evitar la fluïdesa o la relaxació de la junta.

Comparació de límits sobre alternatives de PTFE
Els intercanviadors de calor de PTFE funcionen a temperatures més baixes (per exemple, inferiors o iguals a 110 graus per a PTFE sòlid), però poden suportar pressions més altes (10-16 bar per a dissenys amb reforç) i són pràcticament insensibles al xoc tèrmic a causa de la flexibilitat del PTFE. Els límits de l'intercanviador de calor de grafit impermeable són, per tant, més restrictius (temperatura: 200-230 graus, pressió: 6 bar) i més difícils d'operar. El grafit és una bona opció quan el procediment s'ha de dur a terme a una temperatura superior a 110 graus però per sota dels 200 graus ia una pressió d'entre 6 bars. Per sobre de 200 graus o per sobre de 6 bar s'han de valorar altres materials.

Protecció i inspecció de sobrepressió
La protecció contra sobrepressió és necessària, ja que el grafit falla sense deformació plàstica. La pressió no ha de superar en cap quantitat la valoració de l'intercanviador i les vàlvules d'alleujament s'han de dimensionar i regular per garantir-ho. La inspecció periòdica hauria d'incloure

Proves hidrostàtiques (evitar l'estrès tèrmic, utilitzar aigua a la mateixa-temperatura).

Inspecció penetrant de colorants de cares de blocs i làmines de tubs.

Observa les tendències en la reducció de pressió. Un pic brusc pot indicar fractura o ensuciació.

Una idea errònia molt estesa és que un intercanviador de 6 bars pot suportar l'espiga ocasional de 7 bars. El grafit no cedeix, 7 bar podria donar lloc a la formació de microesquerdes que es propagarien al llarg de cicles successius provocant una fallada catastròfica dies o setmanes després. No opereu més enllà de les circumstàncies nominals.

Resum de l'executiu
Per funcionar amb seguretat a llarg termini, s'han de respectar els límits de temperatura, pressió i xoc tèrmic del grafit impermeable. Els paràmetres per a l'intercanviador de calor de grafit impermeable, normalment de 180 a 200 graus per a unitats de resina-fenòlica i 6 bar de pressió estàndard, no són arbitraris. Sorgeixen immediatament de l'estabilitat tèrmica de la resina i la debilitat intrínseca en tensió del grafit. La sensibilitat al xoc tèrmic és una altra limitació operativa que no és un factor ni amb els metalls ni amb el PTFE. Aquestes restriccions són les que realment regeixen on es pot utilitzar el grafit enfront de materials més tolerants com el PTFE (menor temperatura, major tolerància a la pressió) o el carbur de silici (més temperatura i pressió, però més cost). La selecció adequada es fa fent coincidir els límits certificats de l'intercanviador amb les circumstàncies del procés juntament amb alguns marges de seguretat addicionals per a transitoris. Quan se segueixen aquests límits, els intercanviadors de calor de grafit impermeables ofereixen dècades de servei fiable resistent a la corrosió{10}.