安定性の問題
化学プラントでは、120 度で 80% 硫酸用の熱交換器が指定されています。最終候補リストには、不浸透性グラファイトと PTFE の 2 つの材料が含まれています。どちらもこの濃度および温度の硫酸に耐性があります。どちらも豊富な産業実績を持っています。選択の決定は、どの材料が 10 年の設計寿命にわたってより安定した熱性能を発揮するかによって決まります。
初期の熱伝達計算ではグラファイトが有利です。熱伝導率は 80 ～ 120 W/m・K で、PTFE の 0.25 W/m・K の約 400 倍です。このサービス用のグラファイト熱交換器に必要な表面積は大幅に小さくなります。初期設備費が安くなります。設置面積が小さくなります。
しかし、初期のパフォーマンスは問題ではありません。問題はパフォーマンスの安定性です。グラファイト交換器は、10 年間連続して酸にさらされた後でも熱的利点を維持しますか?その答えは、熱硫酸中でゆっくりと、しかし累積的に作用する分解メカニズムに依存します。
熱硫酸中での黒鉛の分解
不浸透性黒鉛は、多孔質黒鉛にフェノール樹脂またはフラン樹脂を含浸させることによって製造されます。樹脂が細孔を満たし、材料がプロセス流体に対して不浸透性になります。この複合構造は耐薬品性がありますが、化学的に不活性ではありません。
濃度 80%、温度 120 度の硫酸は、2 つのメカニズムを通じて樹脂含浸剤を攻撃します。酸加水分解により樹脂ポリマーの化学結合が破壊され、分子量と機械的完全性が徐々に低下します。熱濃酸による酸化によりカルボニル基とカルボキシル基が導入され、樹脂の構造がさらに弱体化します。
樹脂が分解するにつれて、グラファイトマトリックスはゆっくりと酸に接触しやすくなります。グラファイト自体は硫酸に耐性がありますが、樹脂の劣化によって生じる多孔性により、酸が材料の奥まで浸透します。樹脂-のグラファイト結合が劣化し、界面に微細な隙間が形成されると、熱伝導率が低下し始めます。
分解速度は、温度、酸濃度、および特定の樹脂システムによって異なります。 120 度の 80% H₂SO₄ 中でフェノール-を含浸させた黒鉛は、通常、3-5 年後に測定可能な熱伝導率の低下を示します。フラン-を含浸させた黒鉛は性能が優れていますが、それでも徐々に劣化します。 8 ～ 10 年目までに、熱伝導率は設置時の値から 15 ～ 25% 低下する可能性があります。
表 1: 120 度、80% H₂SO₄ における 10 年間の熱性能安定性の比較
| パフォーマンスパラメータ | 不浸透性グラファイト (フェノール系) | 不浸透性黒鉛（フラン） | PTFE |
|---|---|---|---|
| 初期熱伝導率(W/m・K) | 100 | 100 | 0.25 |
| 3年目の導電率保持率 | 90-95% | 93-97% | 100% |
| 5年目の導電率保持率 | 80-90% | 88-94% | 100% |
| 10年目の導電率保持率 | 70-85% | 80-90% | 100% |
| 劣化のメカニズム | 樹脂の加水分解、酸化 | 樹脂の加水分解（遅い） | なし |
| 補うために必要な表面積の増加 | 設計寿命を 15 ～ 40% 上回る | 設計寿命を 10 ～ 25% 上回る | 0% |
| 故障モード | グラファイトコアへの酸の浸透 | 酸の浸透（遅延） | なし（化学的） |
PTFE: 時間の経過による劣化ゼロ
PTFE には劣化する樹脂含浸剤がありません。全体的に100%フッ素ポリマーです。低い熱伝導率を与える炭素-フッ素結合は、硫酸中での絶対的な化学的安定性を与える結合と同じです。酸が材料の構造や特性を変えるメカニズムはありません。
PTFE の熱伝導率は、1 日目から 10 年目以降も 0.25 W/m・K で変化しません。チューブの壁の厚さは一定のままです。熱伝達表面積は一定のままです。外部の汚れが管理されていると仮定すると、全体の熱伝達係数は安定したままになります。
この安定性により、熱交換器のサイジングが簡素化されます。将来の劣化を補うために過剰なサイジング要素を追加する必要はありません。初日の任務に合わせて設計された熱交換器は、10 年後もその任務を満たします。-熱伝達性能の唯一の調整は、-プロセス側の汚れや蒸気側のスケーリングなどの外部要因によるものだけです-。これらはグラファイトと PTFE の両方に同様に影響を及ぼし、通常のメンテナンスによって管理されます。
オーバーサイジングの計算
グラファイトの劣化の実際的な結果は、将来の熱性能の損失を補うために初期の熱交換器を大きくしなければならないことです。フェノール含浸グラファイトを使用して 100 kW の負荷向けに設計された熱交換器は、10 年間で 20% の導電率の低下を許容するために 120 kW 向けに構築される可能性があります。{2}}
この過剰なサイジングにより、グラファイトの初期サイズとコスト上の利点が失われます。特大のグラファイト交換体は、PTFE 同等のサイズに近づきます。オーバーサイジングコストを含めると、グラファイトと PTFE の間の初期資本コストの差は大幅に縮小します。
まとめ
高温の 80% 硫酸中でのグラファイト熱交換器は、樹脂含浸剤の劣化により熱伝導率が徐々に低下します。フェノール-含浸グラファイトは、10 年間で熱性能が 15{6}}30% 失われる可能性があります。フラン含浸グラファイトは良好に機能しますが、それでも劣化します。
PTFE 熱交換器は、同じ期間にわたって化学相互作用による熱性能の低下がありません。フルオロポリマーの固有の不活性により、分解メカニズムが排除されます。 PTFE が初期の熱伝導率で犠牲にしているものは、絶対的な長期安定性によって回復されます。-
特定の硫酸用途におけるグラファイト熱交換器と PTFE 熱交換器の選択に関するエンジニアリング分析は、酸濃度、動作温度、設計耐用年数、および現在の機器の性能履歴を提出すると利用できます。
