स्थिरता प्रश्न
एक रासायनिक संयंत्र 120 डिग्री पर 80% सल्फ्यूरिक एसिड के लिए हीट एक्सचेंजर निर्दिष्ट करता है। शॉर्टलिस्ट में दो सामग्रियां दिखाई देती हैं: अभेद्य ग्रेफाइट और पीटीएफई। दोनों इस सांद्रता और तापमान पर सल्फ्यूरिक एसिड का विरोध करते हैं। दोनों के पास व्यापक औद्योगिक ट्रैक रिकॉर्ड हैं। चयन का निर्णय इस बात पर निर्भर करता है कि कौन सी सामग्री 10 साल के डिज़ाइन जीवन में अधिक स्थिर थर्मल प्रदर्शन प्रदान करती है।
प्रारंभिक ताप अंतरण गणना ग्रेफाइट के पक्ष में है। इसकी 80-120 W/m·K की तापीय चालकता PTFE की 0.25 W/m·K से लगभग 400 गुना अधिक है। इस सेवा के लिए ग्रेफाइट हीट एक्सचेंजर को काफी कम सतह क्षेत्र की आवश्यकता होती है। प्रारंभिक उपकरण लागत कम है. स्थापित पदचिह्न छोटा है.
लेकिन शुरुआती प्रदर्शन सवाल नहीं है. सवाल प्रदर्शन स्थिरता का है. क्या ग्रेफाइट एक्सचेंजर एक दशक तक लगातार एसिड एक्सपोज़र के दौरान अपना थर्मल लाभ बनाए रखता है? उत्तर उन क्षरण तंत्रों पर निर्भर करता है जो गर्म सल्फ्यूरिक एसिड में धीरे-धीरे लेकिन संचयी रूप से काम करते हैं।
गर्म सल्फ्यूरिक एसिड में ग्रेफाइट का क्षरण
अभेद्य ग्रेफाइट का निर्माण झरझरा ग्रेफाइट को फेनोलिक या फ्यूरान रेजिन के साथ संसेचित करके किया जाता है। राल छिद्रों को भर देता है, जिससे सामग्री तरल पदार्थों को संसाधित करने के लिए अभेद्य हो जाती है। यह मिश्रित संरचना रासायनिक रूप से प्रतिरोधी है लेकिन रासायनिक रूप से निष्क्रिय नहीं है।
80% सांद्रता और 120 डिग्री पर सल्फ्यूरिक एसिड दो तंत्रों के माध्यम से राल संसेचन पर हमला करता है। एसिड हाइड्रोलिसिस राल पॉलिमर में रासायनिक बंधन को तोड़ता है, धीरे-धीरे इसके आणविक भार और यांत्रिक अखंडता को कम करता है। गर्म सांद्र अम्ल द्वारा ऑक्सीकरण से कार्बोनिल और कार्बोक्सिल समूह उत्पन्न होते हैं, जिससे राल संरचना और कमजोर हो जाती है।
जैसे ही राल का क्षरण होता है, ग्रेफाइट मैट्रिक्स धीरे-धीरे एसिड के लिए सुलभ हो जाता है। ग्रेफाइट स्वयं सल्फ्यूरिक एसिड का प्रतिरोध करता है, लेकिन राल के क्षरण से बनी सरंध्रता एसिड को सामग्री में गहराई से प्रवेश करने की अनुमति देती है। जैसे-जैसे रेज़िन -ग्रेफ़ाइट बंधन ख़राब होता है और इंटरफ़ेस पर सूक्ष्म अंतराल बनते हैं, तापीय चालकता कम होने लगती है।
गिरावट की दर तापमान, एसिड एकाग्रता और विशिष्ट राल प्रणाली पर निर्भर करती है। 120 डिग्री पर 80% H₂SO₄ में फेनोलिक {{1}संसेचित ग्रेफाइट आमतौर पर 3{6}}5 वर्षों के बाद मापने योग्य तापीय चालकता में गिरावट दर्शाता है। फ़्यूरान-संसेचित ग्रेफ़ाइट बेहतर प्रदर्शन करता है लेकिन फिर भी धीरे-धीरे ख़राब होता है। वर्ष 8-10 तक, तापीय चालकता स्थापित मूल्य से 15-25% कम हो सकती है।
तालिका 1: 10 वर्षों में 120 डिग्री पर 80% H₂SO₄ में थर्मल प्रदर्शन स्थिरता तुलना
| प्रदर्शन पैरामीटर | अभेद्य ग्रेफाइट (फेनोलिक) | अभेद्य ग्रेफाइट (फ्यूरान) | पीटीएफई |
|---|---|---|---|
| प्रारंभिक तापीय चालकता (W/m·K) | 100 | 100 | 0.25 |
| वर्ष 3 चालकता प्रतिधारण | 90-95% | 93-97% | 100% |
| वर्ष 5 चालकता प्रतिधारण | 80-90% | 88-94% | 100% |
| वर्ष 10 चालकता प्रतिधारण | 70-85% | 80-90% | 100% |
| ह्रास तंत्र | राल हाइड्रोलिसिस, ऑक्सीकरण | राल हाइड्रोलिसिस (धीमी) | कोई नहीं |
| क्षतिपूर्ति के लिए आवश्यक सतह क्षेत्र में वृद्धि | डिज़ाइन जीवन पर 15-40% | डिज़ाइन जीवन पर 10-25% | 0% |
| विफलता मोड | ग्रेफाइट कोर में एसिड का प्रवेश | एसिड प्रवेश (विलंबित) | कोई नहीं (रासायनिक) |
पीटीएफई: समय के साथ शून्य गिरावट
PTFE में निम्नीकृत करने के लिए कोई राल संसेचन नहीं है। यह संपूर्ण रूप से 100% फ्लोरोपॉलीमर है। कार्बन -फ्लोरीन बंधन जो इसे कम तापीय चालकता देते हैं वही बंधन हैं जो इसे सल्फ्यूरिक एसिड में पूर्ण रासायनिक स्थिरता प्रदान करते हैं। एसिड द्वारा सामग्री की संरचना या गुणों को बदलने की कोई व्यवस्था नहीं है।
पीटीएफई की तापीय चालकता पहले दिन से लेकर दसवें वर्ष और उसके बाद तक 0.25 W/m·K पर अपरिवर्तित रहती है। ट्यूब की दीवार की मोटाई स्थिर रहती है। ऊष्मा स्थानांतरण सतह क्षेत्र स्थिर रहता है। यह मानते हुए कि बाहरी प्रदूषण को नियंत्रित कर लिया गया है, समग्र ताप अंतरण गुणांक स्थिर रहता है।
यह स्थिरता हीट एक्सचेंजर के आकार को सरल बनाती है। भविष्य में होने वाली गिरावट की भरपाई के लिए किसी बड़े आकार वाले कारक की आवश्यकता नहीं है। एक दिन की ड्यूटी के लिए एक्सचेंजर का आकार एक दशक बाद भी उस ड्यूटी को पूरा करेगा। गर्मी हस्तांतरण प्रदर्शन में एकमात्र समायोजन बाहरी कारकों से आता है {{4}प्रक्रिया पक्ष में गड़बड़ी या भाप पक्ष पर स्केलिंग{{5}जो ग्रेफाइट और पीटीएफई दोनों को समान रूप से प्रभावित करते हैं और सामान्य रखरखाव के माध्यम से प्रबंधित होते हैं।
बड़े आकार की गणना
ग्रेफाइट क्षरण का व्यावहारिक परिणाम यह है कि भविष्य में थर्मल प्रदर्शन के नुकसान की भरपाई के लिए प्रारंभिक हीट एक्सचेंजर को बड़ा किया जाना चाहिए। 10 वर्षों में 20% चालकता में गिरावट की अनुमति देने के लिए 120 किलोवाट के लिए फेनोलिक-संसेचित ग्रेफाइट के साथ 100 किलोवाट ड्यूटी के लिए डिज़ाइन किया गया एक एक्सचेंजर बनाया जा सकता है।
यह ओवरसाइज़िंग ग्रेफाइट के शुरुआती आकार और लागत लाभ को ख़त्म कर देता है। बड़े आकार का ग्रेफाइट एक्सचेंजर पीटीएफई समकक्ष के आकार के करीब पहुंचता है। जब बड़ी लागत को शामिल किया जाता है, तो ग्रेफाइट और पीटीएफई के बीच प्रारंभिक पूंजी लागत अंतर काफी कम हो जाता है।
सारांश
गर्म 80% सल्फ्यूरिक एसिड में ग्रेफाइट हीट एक्सचेंजर्स राल संसेचन गिरावट के कारण धीरे-धीरे तापीय चालकता में गिरावट का अनुभव करते हैं। फेनोलिक-संसेचित ग्रेफाइट 10 वर्षों में अपने थर्मल प्रदर्शन का 15{6}}30% खो सकता है। फ्यूरान-संसेचित ग्रेफाइट का प्रदर्शन बेहतर है लेकिन फिर भी ख़राब होता है।
पीटीएफई हीट एक्सचेंजर्स उसी अवधि में रासायनिक संपर्क से शून्य थर्मल प्रदर्शन में गिरावट का अनुभव करते हैं। फ्लोरोपॉलीमर की अंतर्निहित जड़ता क्षरण तंत्र को समाप्त कर देती है। प्रारंभिक तापीय चालकता में पीटीएफई जो त्याग करता है वह पूर्ण दीर्घकालिक स्थिरता के माध्यम से पुनः प्राप्त करता है।
विशिष्ट सल्फ्यूरिक एसिड अनुप्रयोगों में ग्रेफाइट बनाम पीटीएफई हीट एक्सचेंजर चयन के लिए इंजीनियरिंग विश्लेषण एसिड एकाग्रता, ऑपरेटिंग तापमान, डिजाइन सेवा जीवन और वर्तमान उपकरण प्रदर्शन इतिहास प्रस्तुत करने पर उपलब्ध है।
