Bagaimana Perbandingan-Penukar Panas Grafit Gaya Blok dengan Unit Cangkang-dan-Tabung PTFE?

Saat mendefinisikan penukar panas untuk aplikasi asam yang sangat korosif, dua pilihan non-logam sering kali berperan: penukar blok grafit dan penukar cangkang-dan-tabung PTFE. Keduanya tahan terhadap korosi namun sifat termal dan mekaniknya membuatnya cocok untuk berbagai aplikasi. Memahami keunggulan-dalam hal kekompakan, kinerja termal, kompatibilitas bahan kimia, dan ketahanan mekanis adalah isu utama dalam memilih teknologi yang sesuai.

Ikhtisar Desain: Blok Grafit vs. Cangkang dan Tabung PTFE
Penukar panas blok grafit terbuat dari satu atau lebih blok grafit kedap air (grafit diresapi resin). Setiap blok dibor dengan dua set saluran, satu untuk fluida proses korosif dan satu lagi untuk fluida servis (air pendingin, uap atau media pemanas). Blok-blok tersebut dihubungkan bersama menggunakan perekat berisi grafit-atau dengan konektor yang diberi gasket. Bergantung pada pola pengeboran, fluida mengalir melalui tabung dalam konfigurasi aliran-silang atau aliran balik-.

Penukar panas cangkang-dan-tabung PTFE terdiri dari sekumpulan tabung-berdinding tipis PTFE (polytetrafluoroethylene), yang terkandung dalam cangkang logam atau plastik. Fluida korosif mengalir melalui tabung PTFE (atau di sekelilingnya) sementara fluida servis mengalir di sisi lain. Penyekat perantara biasanya digunakan untuk menopang tabung PTFE. Bundel tabung disegel pada lembaran tabung dengan sambungan tabung yang diperluas atau alat kelengkapan kompresi.

Kedua desain ini berbeda dalam satu hal utama, yaitu fleksibilitas mekanis. Blok grafit padat dan keras. Tabung PTFE fleksibel dan dapat menahan getaran kecil dan ekspansi termal tanpa kerusakan.

Kelebihan Besar Grafit: Konduktivitas Termal
Perbedaan yang paling penting adalah konduktivitas termal. Grafit memiliki konduktivitas termal sekitar 80-120W/mK (menurut tingkat Grafit dan resin impregnasi). Namun PTFE memiliki konduktivitas termal sekitar 0,25 W/m K-sekitar 300 hingga 400 kali lebih rendah dibandingkan grafit.

Perbedaan besar ini berarti bahwa penukar blok grafit bisa sangat kompak untuk tugas perpindahan panas yang sama. Unit grafit berukuran-sepersepuluh volume unit PTFE tipe cangkang dan tabung dengan kinerja termal yang sama. Blok grafit menawarkan keunggulan tersendiri dalam situasi ruang terbatas, seperti retrofit ke tata letak peralatan yang ada atau pemasangan pada proses skid yang padat.

Sebaliknya, konduktivitas termal PTFE yang rendah berarti penukar panas shell-dan-tabung dengan tabung PTFE memerlukan luas permukaan perpindahan panas yang relatif tinggi. Hal ini menyebabkan jejak kaki yang lebih besar, bundel tabung yang lebih panjang, dan diameter cangkang yang lebih besar. Dalam praktiknya, penukar PTFE biasanya hanya diperlukan jika ketahanan kimia khususnya mengimbangi penalti ukurannya.

Sifat mekanik: Rapuh atau fleksibel
Grafit adalah zat yang rapuh. Grafit kedap air lebih kuat dibandingkan grafit mentah namun dapat juga dipecah dengan cara :

Kejutan mekanis (misalnya alat hilang, pergerakan pipa cepat)

Palu air pada saluran cairan servis

Siklus termal yang ekstrim (pemanasan atau pendinginan yang cepat, terutama dengan perbedaan suhu yang lebih besar dari batas yang ditentukan oleh pabrikan)

Torsi baut yang tidak merata pada flensa atau header

Jika blok grafit rusak, penukar biasanya tidak dapat diperbaiki. Retakan tersebut dapat menyebabkan-kebocoran silang antara sirkuit fluida proses dan servis atau kebocoran eksternal. Satu-satunya cara untuk memperbaikinya adalah dengan mengganti tumpukan blok secara keseluruhan. Ini sering kali merupakan investasi modal yang besar.

Sebaliknya, tabung PTFE fleksibel dan tahan lama. Palu air sedang, getaran, dan siklus termal dapat ditoleransi tanpa kerusakan. Jika salah satu tabung PTFE bocor (misalnya karena abrasi atau tusukan mekanis), umumnya kedua lembaran tabung dapat disegel dan tabung lainnya masih dapat digunakan. Beberapa desain memungkinkan penggantian tabung, namun hal ini memerlukan banyak tenaga kerja. Karakter mekanis PTFE yang ramah membuat penukar ini lebih cocok untuk pabrik dengan kontrol stabilitas aliran atau peningkatan suhu yang tidak terlalu ketat.

Ketahanan kimia: berbagai macam PTFE
Baik grafit maupun PTFE tahan terhadap berbagai macam asam korosif, namun terdapat beberapa perbedaan utama.

Kompatibel dengan: Grafit (kelas kedap air)

Asam klorida (semua konsentrasi sampai titik didih)

Asam sulfat (hingga sekitar 80–85% pada suhu sedang; jumlah yang lebih besar memerlukan pemilihan yang cermat)

Asam fosfat 12.

- Asam organik.

Namun grafit dirusak oleh asam pengoksidasi kuat seperti:

Asam nitrat (terutama yang pekat atau dipanaskan)

Asam kromat (Asam kromat)

Butuh aqua regia

Campuran asam dengan klorin atau bromin bebas

Bahan kimia pengoksidasi menembus struktur grafit dan menghasilkan korosi intergranular, yang mengakibatkan kegagalan yang cepat. Penukar grafit tidak boleh digunakan dalam layanan tersebut kecuali persetujuan pabrikan telah diperoleh untuk tingkat grafit khusus (diresapi fenolik-v. furan-diresapi, dengan pembatasan yang masih berlaku).

PTFE hampir seluruhnya tahan terhadap semua zat kecuali logam alkali cair dan unsur fluor pada suhu tinggi. PTFE tahan terhadap asam nitrat, asam kromat dan semua asam pengoksidasi lainnya pada hampir semua konsentrasi. Ia juga tahan terhadap pelarut organik, klorin dan sebagian besar cairan proses yang ditemukan dalam penyelesaian permukaan dan pemrosesan kimia. Untuk campuran yang sangat berbahaya (misalnya, aqua regia, asam nitrat pekat panas, atau larutan pengawet asam campuran) PTFE terkadang merupakan satu-satunya pilihan non-logam.

Properti Penukar Panas Blok Grafit PTFE Shell-dan-Penukar Panas Tabung
Konduktivitas termal (W/mK) 80 –120 0.25
Ukuran Relatif untuk Tugas yang Sama Kompak (1x garis dasar)Besar (10-15× lebih besar)
Suhu kontinyu maksimum 180–200 derajat (tergantung resin) ~110 derajat (terbatas creep PTFE)
Perilaku mekanis Rapuh, pecah akibat guncangan atau palu air Fleksibel, tahan terhadap getaran dan siklus termal
Kemampuan untuk diperbaiki Umumnya tidak dapat diperbaiki jika ada retakan pada blok. Tabung dapat diblokir atau diganti satu per satu
Ketahanan terhadap asam pengoksidasi (nitrat, kromat) Buruk, tidak disarankanBaik; sepenuhnya resisten
Aplikasi Umum Pendinginan H2SO4 Pemanasan/pendinginan HCl Layanan asam organik Pengawetan asam campuran, aqua regia, larutan yang mengandung klorin-, rendaman pelapisan
Biaya awal (relatif) Lebih tinggi (manufaktur khusus) Sedang hingga rendah
Batasan Suhu
Penukar blok grafit, bila diresapi dengan resin (biasanya fenolik atau furan), dapat dioperasikan terus menerus pada suhu hingga 180–200 derajat. Beberapa nilai luar biasa diberi nilai hingga 220 derajat. Hal ini membuat grafit cocok untuk memanaskan atau mendinginkan asam sulfat pekat, uap asam klorida panas, dan aliran korosif bersuhu tinggi lainnya.

Penukar panas shell dan tube PTFE dibatasi hingga sekitar 110 derajat untuk penggunaan terus menerus. Di atas suhu ini PTFE mulai melemah dan merayap di bawah perbedaan tekanan di dinding tabung. Perjalanan singkat hingga 120-130 derajat dapat ditoleransi, namun paparan suhu tinggi dalam waktu lama akan menyebabkan deformasi tabung, kebocoran pada sambungan tabung, dan kegagalan akhir. Untuk tugas korosif pada suhu di atas 110 derajat, grafit umumnya merupakan satu-satunya alternatif non-logam, atau penukar logam dengan lapisan paduan yang tidak biasa harus dieksplorasi.

Masalah Biaya dan Pemeliharaan
Biaya pertama penukar panas blok grafit umumnya lebih mahal dibandingkan unit cangkang dan tabung PTFE dengan tugas termal yang sama. Blok grafit memerlukan pengeboran yang presisi, teknik pengikatan khusus, dan kontrol kualitas yang cermat. Bundel tabung PTFE diproduksi dalam jumlah besar dengan biaya bahan dan fabrikasi lebih sedikit.

Namun biaya kepemilikan secara keseluruhan agak bergantung pada aplikasi. Penukar grafit dapat beroperasi selama beberapa dekade tanpa masalah dalam layanan asam yang bersih dan stabil, tanpa guncangan mekanis atau bahan kimia pengoksidasi. Biaya awal yang lebih besar disebabkan oleh ukurannya yang ringkas dan efisiensi termal yang tinggi. Dalam suatu layanan di mana hentakan air atau siklus termal tidak dapat dihindari, bahaya retak grafit mungkin membuat konstruksi PTFE yang lebih mudah ditoleransi lebih disukai, bahkan dengan mengorbankan penukar yang lebih besar.

Teknik perawatannya agak berbeda. Perangkat grafit memerlukan proses-penghidupan dan penghentian-yang rumit untuk menghindari kejutan termal. Saringan umumnya disarankan pada sisi cairan servis untuk menjaga agar kotoran tidak mengotori permukaan blok. Penukar PTFE kurang sensitif terhadap gangguan aliran, namun harus dibersihkan secara berkala jika diameter tabung kecil rusak. Energi permukaan PTFE yang rendah (dijelaskan pada bagian sebelumnya) merupakan keuntungan dalam mengurangi pengotoran, namun tabung PTFE dapat dibersihkan secara mekanis.

Panduan Keputusan: Memilih Exchanger yang Tepat untuk Aplikasi?
Keputusan antara blok grafit dan penukar panas cangkang-dan-tabung PTFE bergantung pada sejumlah kriteria-khusus aplikasi.

Pertimbangkan penukar blok grafit dalam kasus:

Itu harus kompak karena keterbatasan ruang.

Suhu proses di atas 110 derajat dan di bawah 200 derajat.

Cairan korosif adalah asam sulfat, asam klorida, atau asam organik non{0}}pengoksidasi.

Cairan servis murni dan bebas dari water hammer dan kotoran.

Desain sistem yang tepat dapat mencegah guncangan mekanis dan siklus panas yang cepat.

Unit yang lebih kecil dan lebih efisien secara termal dapat diterima jika diperlukan investasi modal awal yang lebih besar.

Pilih penukar cangkang dan tabung PTFE ketika:

Cairan tersebut memiliki zat pengoksidasi yang kuat (asam nitrat, asam kromat, aqua regia, asam campuran).

Suhu proses kurang dari 110 derajat.

Sistem perpipaan mungkin tahan terhadap guncangan air, getaran, atau siklus termal yang sering terjadi.

Kekokohan mekanis dan pengoperasian yang mudah digunakan lebih penting daripada kekompakan.

Yang diinginkan adalah biaya awal yang lebih rendah dan kemungkinan untuk memasang atau mengganti masing-masing tabung.

Tersedia ruang yang cukup untuk tapak penukar yang lebih besar.

Dalam praktiknya, banyak pabrik proses kimia yang menjalankan kedua jenis tersebut. Penukar grafit banyak digunakan dalam layanan pendinginan asam sulfat dan sirkuit pemanas asam klorida. Penukar PTFE adalah pilihan yang lebih disukai untuk jalur pengawetan asam campuran, pemanasan/pendinginan bak pelapisan listrik, dan pengolahan asam limbah di mana terdapat spesies pengoksidasi.

Kesimpulan: Keputusan Rekayasa yang Rumit
Penukar panas grafit berdesain blok dan unit cangkang dan tabung PTFE sangat cocok untuk industri perpindahan panas korosif, namun keduanya pada dasarnya berbeda dalam kekuatan dan kekurangannya. Grafit bagus dalam hal konduktivitas panas dan ukurannya, namun rapuh, mahal dan sensitif terhadap asam pengoksidasi. PTFE memiliki kekebalan kimia dan fleksibilitas mekanis yang tak tertandingi dengan biaya lebih rendah. Namun, ia memiliki batas suhu 110 derajat dan membutuhkan luas permukaan yang jauh lebih besar.

Pilihannya bergantung pada asam yang digunakan, suhu kerja, lingkungan mekanis, dan ruang yang tersedia. Pemilihan material untuk penukar panas dalam layanan korosif merupakan-masalah teknis yang memiliki banyak aspek termasuk trade-antara kinerja termal, kompatibilitas bahan kimia, ketahanan mekanis, dan biaya-siklus masa pakai. “Teknologi tidak mengalahkan teknologi secara keseluruhan, namun masing-masing teknologi memiliki ceruk tersendiri di mana ia lebih unggul.”