많은 화학 공장에서 산성 냉각 루프는 스테인리스강, 고-니켈 합금 또는 심지어 티타늄으로 제작된 기존의 쉘 앤 튜브 열교환기를 중심으로 구축됩니다. 그러나 시간이 지남에 따라 이러한 재료도 공격적인 산, 혼합 화학 물질 또는 변동하는 온도에 노출되면 구멍, 응력 부식 균열 또는 오염 가속화가 발생할 수 있습니다. 일반적인 업그레이드 시나리오는 금속 교환기가 조기에 실패하여 누출, 오염 위험 및 계획되지 않은 가동 중지 시간을 유발하는 경우 시작됩니다.
교체 논의 중에 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 열 교환기가 대안으로 제안되는 경우가 많습니다. 여기서 회의론이 자연스럽게 발생합니다. PTFE는 금속이 아닌 폴리머입니다. 고전적인 열 전달 관점에서 볼 때 금속은 전도성과 동의어인 반면 플라스틱은 단열재와 관련이 있습니다. 프로세스 및 프로젝트 엔지니어의 즉각적인 질문은 예측 가능합니다. 폴리머- 기반 열 교환기가 금속을 파괴하는 조건에서 살아남으면서 허용 가능한 열 효율을 어떻게 제공할 수 있습니까?
답을 이해하려면 PTFE 쉘 및 튜브 열교환기의 설계 및 작동 원리를 첫 번째 원리에서 분석해야 합니다.
PTFE 쉘 및 튜브 열교환기의 기본 구성
PTFE 열교환기는 기본적으로 금속 열 교환기와 동일한 간접 열 전달 개념을 따릅니다. 가장 일반적인 산업 구성은 쉘 앤 튜브 디자인입니다.
교환기는 외부 쉘 내에 포함된 얇은-벽의 PTFE 튜브 묶음으로 구성됩니다. 황산, 염산 또는 혼합 폐산과 같은 부식성 공정 유체-가 PTFE 튜브 내부로 흐릅니다. 일반적으로 냉각수, 온도 조절수 또는 저압 증기와 같은 서비스 유체는 튜브 번들 외부 주위의 쉘 측에서 흐릅니다.
결정적으로 두 유체는 절대 접촉하지 않습니다. 열은 튜브 벽을 통해 간접적으로 전달되어 공격적인 화학 물질과 유틸리티 유체 간의 완전한 분리를 유지합니다. PTFE 튜브 번들은 기계적 안정성을 유지하면서 쉘{2}}측 흐름을 제어할 수 있도록 지지되고 간격을 두고 있습니다.
이 아키텍처를 사용하면{0}}표면을 완전히 고분자화할 수 있으며 쉘, 튜브 시트, 지지대와 같은 구조적 요소는 부식성 유체로부터 격리된 강철 또는 라이닝 재료로 제작되는 경우가 많습니다.
PTFE 튜브 벽을 통한 간접 열 전달
작동 원리는 간단하지만 종종 잘못 이해됩니다. 열은 두 흐름 사이의 온도 차이에 의해 구동되는 PTFE 튜브 벽을 통한 전도에 의해 더 뜨거운 유체에서 더 차가운 유체로 이동합니다. 대류 열 전달은 금속 교환기에서와 마찬가지로 튜브-측과 쉘{3}}측 유체 경계 모두에서 발생합니다.
재료 특성을 고려할 때 우려가 발생합니다. PTFE는 스테인레스 스틸이나 티타늄과 같은 금속보다 열전도율이 현저히 낮습니다. 서류상으로는 열 성능이 열악하다는 의미입니다. 그러나 열교환기 효율은 재료 전도성만으로 결정되지 않습니다.
최신 PTFE 열 교환기 설계는 형상 및 흐름 최적화를 통해 이러한 재료 제한을 보완합니다.
PTFE 설계가 실제적인 열 효율성을 달성하는 방법
첫 번째 보상 요소는 표면적입니다. PTFE 교환기는 소수의 큰 튜브 대신 다수의 작은-직경 튜브를 사용합니다. 이는 주어진 설치 공간 내에서 사용 가능한 총 열 전달 표면을 극적으로 증가시킵니다.
두 번째 요소는 튜브 벽 두께입니다. PTFE 튜브는 매우 얇은 벽으로 제조되어 열이 통과해야 하는 전도 경로를 최소화합니다. 고유 전도성이 낮더라도 얇은 장벽은 열 저항을 크게 감소시킵니다.
세 번째 요소는 유체 속도입니다. 튜브-측과 쉘{2}}측 흐름 모두 허용 가능한 압력 강하 한계 내에서 난류 또는 난류에 가까운 상태를 유지하도록 설계되었습니다. 속도가 높을수록 대류 열전달 계수가 향상되어 튜브 재료의 낮은 전도성이 상쇄됩니다.
유용한 비유는 PTFE 튜브 묶음을 튼튼하고 달라붙지 않는 빨대가 촘촘하게 모여 있는 집합으로 생각하는 것입니다.- 열은 수천 개의 평행 통로의 얇은 벽을 통해 이동하는 반면 내부 표면은 접착, 부식 및 화학적 공격을 적극적으로 밀어냅니다.
실제 부식 환경에서 이 설계는 금속 교환기보다 시간이 지남에 따라 더 안정적인 열 효율을 제공하는 경우가 많습니다. 금속은 더 높은 깨끗한-표면 성능으로 시작할 수 있지만 오염층, 부식 생성물 및 벽 저하로 인해 이러한 장점이 급속히 약화됩니다.
열 전달의 장점인 내식성
PTFE의 가장 큰 특징은 거의-일반적인 화학적 불활성입니다. 온도 한계 내에서는 거의 모든 산업용 산, 알칼리, 용매 및 산화제의 영향을 받지 않습니다. 관리할 구멍, 갈바닉 공격 및 부식 여유가 없습니다.
이러한 화학적 안정성은 열 전달 성능을 직접적으로 뒷받침합니다. PTFE 표면은 금속보다 스케일 접착 및 화학 침전물에 대한 저항력이 훨씬 뛰어납니다. 부식이 거칠어지거나 오염물이 쌓이지 않고 유효 열 전달 계수는 오랜 작동 기간 동안 일관되게 유지됩니다.
이와 대조적으로 공격적인 서비스를 제공하는 금속 교환기는 성능이 지속적으로 저하되는 경우가 많으며, 이로 인해 빈번한 청소, 더 높은 접근 온도 또는 향후 성능 저하를 보상하기 위한 대형 초기 설계가 필요합니다.
수명 주기 관점에서 볼 때 적절한 크기의 PTFE 열 교환기는 이론적 전도율이 낮더라도 더 예측 가능하고 유지 관리가 필요 없는{0}}열 효율을 제공할 수 있습니다.
공격적인 유체를 위한{0}}목적에 맞는 솔루션
PTFE 쉘 및 튜브 열교환기는 모든 적용 분야에서 금속을 대체하기 위한 것이 아닙니다. 대신, 이는 재료 안정성이 주요 제약 사항인 환경을 위해 설계된 특수 목적의-부식 방지-교환기입니다. 이 설계는 화학적 호환성, 작동 신뢰성 및 서비스 수명의 압도적인 이점을 위해 적당한 이론적 열적 불이익을 전략적으로 교환합니다.
산성 냉각, 부식성 가열 및 화학적으로 공격적인 공정의 경우 이러한 절충안은 전혀 타협되지 않는 경우가 많습니다. 이는 열 전달 성능을 장기적인-공장 가용성에 맞춰 조정하는 실용적인 최적화가 됩니다.
주어진 프로세스 작업 및 설치 제약 조건에 대해 탱크 내 코일 설계와 쉘 및 튜브 레이아웃과 같은 특정 구성-을 평가하기 전에 PTFE 열교환기 작동의 근본적인 '이유'를 이해하는 것이 중요합니다.-
