Prosessit, joissa käytetään kuumia, väkeviä happoja yhdistettynä hankaaviin kiinteisiin hiukkasiin, muodostavat kaksinkertaisen haasteen, jonka vuoksi harvat materiaalit voivat selviytyä. Piikarbidi (SiC) -lämmönvaihtimet on suunniteltu juuri näitä rankkoja olosuhteita varten, ja ne tarjoavat kovuuden ja kemiallisen inerttiyden yhdistelmän, jota polymeereillä tai metalleilla ei ole. Kaivosteollisuudessa, hydrometallurgiassa ja kehittyneessä kemian tuotannossa, joissa sekä korroosio että eroosio esiintyvät samanaikaisesti, piikarbidi on noussut valituksi materiaaliksi lämmönsiirtolaitteisiin, joiden on toimittava luotettavasti vuosia ilman vikaa.
Mikä on piikarbidi suunnittelumateriaalina?
Piikarbidi on synteettinen keraaminen materiaali, joka tuotetaan piihiekan ja maaöljykoksin reaktiolla yli 2000 asteen lämpötiloissa. Lämmönvaihdinsovelluksissa käytetään korkean -puhtauden, paineetonta-sintrattua tai uudelleenkiteytettyä piikarbidia. Tuloksena oleva materiaali on erittäin kovaa-toiseksi vain timantille ja boorikarbidille Mohsin asteikolla-, ja sen kemikaalien kestävyys on lähes -yleinen.
Lämmönvaihtimien kannalta tärkeitä piikarbidin ominaisuuksia ovat:
Kovuus:9,5 Mohsin asteikolla (vertaa volframikarbidiin 9, karkaistuun teräkseen 7–8)
Lämmönjohtavuus:100–200 W/m·K (riippuen laadusta ja lämpötilasta), verrattavissa hiiliteräkseen ja ylittää huomattavasti PTFE:n tai grafiitin
Suurin käyttölämpötila:Ylittää 800 astetta inertissä ilmakehässä; hapettavissa hapoissa käytännön rajat ovat alhaisemmat, mutta silti paljon polymeerien yläpuolella
Lämpölaajenemiskerroin:Noin 4,0–4,5 × 10⁻⁶ / K, lähellä monien metallien arvoa, mikä vähentää lämpörasitusta hybridirakenteissa
Edut yhdistetylle syövyttävälle ja hioma-ainepalvelulle
Kulutuskestävyys
SiC:n äärimmäinen kovuus tarjoaa poikkeuksellisen kestävyyden kiinteiden hiukkasten aiheuttamaa eroosiota vastaan. Prosesseissa, joissa käytetään lietteitä,-kuten mineraalirikasteiden liuotus, titaanidioksidin tuotanto tai katalyytin talteenotto-kuumahappoon suspendoituneet kiinteät hiukkaset kuluvat nopeasti metalliputkien, PTFE-vuorausten ja jopa grafiitin läpi. SiC-putkien kuluminen on vähäistä vuosien käytön jälkeen tällaisissa ympäristöissä. SiC:n eroosionopeus on tyypillisesti yhdestä kahteen suuruusluokkaa pienempi kuin ruostumattoman teräksen tai PTFE:n samanlaisissa lieteolosuhteissa.
Korroosionkestävyys
Piikarbidi on kemiallisesti inertti käytännöllisesti katsoen kaikille syövyttäville aineille, muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta. Se vastustaa:
Kaikki mineraalihapot (rikki, kloorivety, typpi, fosfori, fluorivety) koko pitoisuusalueella
Alkalit (natriumhydroksidi, kaliumhydroksidi) kohtalaisiin pitoisuuksiin ja lämpötiloihin asti
Orgaaniset liuottimet, klooratut hiilivedyt ja hapettimet (lämpötilarajoilla)
Ainoa merkittävä kemiallinen hyökkäys tapahtuu vahvoissa emäksissä korkeissa lämpötiloissa (yli 150 astetta) ja fluorivetyhapossa erittäin korkeissa pitoisuuksissa. Suurimpaan osaan aggressiivisista kemiallisista prosesseista piikarbidi tarjoaa yleisen kestävyyden, joka on parempi kuin mikä tahansa metalli tai polymeeri.
Korkea lämmönjohtavuus
A piikarbidin lämmönvaihdin syövyttävä hankaava lietesovellus hyötyy suoraan piikarbidin lämmönjohtavuudesta, joka vaihtelee välillä 100-200 W/m·K-noin 50 kertaa PTFE:hen verrattuna ja on verrattavissa hiiliteräkseen. Tämän ansiosta lämmönvaihtimet voivat olla kompakteja, ja niiden pinta-alavaatimukset ovat paljon pienemmät kuin polymeeri{5}}pohjaisilla vaihtoehdoilla. Tietyssä käyttötarkoituksessa SiC-kuori-ja-putkivaihdin voi olla kolmasosa PTFE-yksikön koosta-ja puolet grafiittiyksikön koosta.
Rajoitukset ja suunnittelunäkökohdat
Hauraus ja mekaaninen isku
SiC on keraamista ja siksi hauras. Se ei muotoile plastisesti; se murtuu, kun se altistuu liialliselle vetojännitykselle, iskulle tai voimakkaalle lämpöiskulle. Käsittely asennuksen aikana vaatii huolellisuutta: ei vasaraa, suuttimien raskasta kuormitusta eikä taivutusmomentteja aiheuttavia vääriä putkia. Putkiliitoksissa on käytettävä joustavia liittimiä tai laajennusliitoksia. Käytössä on vältettävä vesivasaraa, äkillisiä painepiikkejä tai nopeita lämpötilan muutoksia, jotka ylittävät suositellut nopeudet (tyypillisesti 10–15 astetta minuutissa piikarbidille).
Lämpöshokin kestävyys
Muuhun keramiikkaan verrattuna SiC:llä on suhteellisen hyvä lämpöiskunkestävyys korkean lämmönjohtavuuden ja kohtuullisen laajenemiskertoimen ansiosta. Se ei kuitenkaan ole immuuni. Äkillinen sammutus-esimerkiksi kylmän veden lisääminen kuumaan piikarbidinvaihtimeen-voi aiheuttaa halkeilua. Lämpötilan kiertoa tulee valvoa. Sovelluksissa, joissa käytetään usein lämpökiertoa, suunnittelijat voivat alentaa suurinta sallittua lämpötilagradienttia.
Korkeat kustannukset
SiC-lämmönvaihtimet ovat huomattavasti kalliimpia kuin PTFE:stä, grafiitista tai eksoottisista metalliseoksista, kuten tantaalista tai titaanista, valmistetut. Kustannustekijöitä ovat korkea-puhtaus raaka-aine, energiaintensiivinen sintrausprosessi sekä vaadittava erikoiskoneistus ja kokoonpano (SiC-putket ja -levyt liitetään yleensä mekaanisilla tiivisteillä tai puristusliittimillä, koska hitsaus ei ole mahdollista). Kuitenkin kriittisissä sovelluksissa, joissa vaihtoseisokit mitataan päivissä ja menetetyt tuotanto miljoonissa dollareissa, piikarbidin pitkä käyttöikä oikeuttaa ennakkoinvestoinnin.
Rajoitettu enimmäisputken pituus
Valmistusrajoitukset rajoittavat piikarbidiputkien pituuden tyypillisesti 2–3 metriin (6–10 jalkaa) halkaisijaltaan 12–25 mm. Suuremmat halkaisijat tai pidemmät putket ovat mahdollisia, mutta ne tulevat eksponentiaalisesti kalliimmaksi. Tämä asettaa suunnittelurajoituksia kuori-ja-putkivaihtimille, mikä vaatii usein useita läpikulkuja tai suurempia kuoria.
Syövyttävän/hankaavan lietteen huoltoon tarkoitettujen materiaalien vertailu
Seuraavassa taulukossa verrataan tärkeimpiä materiaaleja, joita käytetään lämmönvaihtimissa haastaviin palveluihin.
| Materiaali | Kulutuskestävyys | Korroosionkestävyys (hapot) | Lämmönjohtavuus (W/m·K) | Suhteellinen hinta (per kW) | Tyypillinen maksimilämpötila ( aste ) |
|---|---|---|---|---|---|
| Piikarbidi (SiC) | Erinomainen | Erinomainen (lähes-universaali) | 100–200 | Korkea | >500 |
| PTFE | Huono | Erinomainen | ~0.25 | Kohtalainen | 260 |
| Grafiitti (fenolinen) | Huono (pehmeä) | Hyvä (ei{0}}hapettava) | 80–120 | Kohtalainen | 200 |
| Tantaali | Hyvä (metalli) | Erinomainen (hapot paitsi HF) | 55–60 | Erittäin korkea | 300 |
| Titaani (luokka 12) | Reilu | Hyvä (ei HF, ei vahvoja pelkistäviä happoja) | 15–20 | Kohtalainen | 300 |
| Hastelloy C-276 | Reilu | Hyvä (mutta täynnä klorideja) | 10–12 | Kohtalainen | 400 |
| PTFE{0}}vuorattu teräs | Huono (vuori kuluu) | Erinomainen | 0,25 (plus seinävastus) | Matalasta kohtalaiseen | 260 |
SiC on yksinään tarjoten samanaikaisesti erinomaisen kulutuskestävyyden, lähes -universaalin korroosionkestävyyden ja korkean lämmönjohtavuuden. Mikään muu materiaali ei yhdistä kaikkia kolmea ominaisuutta.
Tyypilliset lämmönvaihtimen kokoonpanot
Shell-ja-putki piikarbidiputkilla
Yleisin kokoonpano vartenpiikarbidin lämmönvaihdin syövyttävä hankaava lietetehtävänä on kuoren{0}}ja-putken suunnittelu. SiC-putket (tyypillisesti sisähalkaisija 12–25 mm, seinämän paksuus 1,5–3 mm) kootaan piikarbidi- tai metalliputkilevyiksi. Syövyttävä liete virtaa putkien sisällä (tai ulkopuolella, mallista riippuen), kun taas huoltoneste-jäähdytysvesi, höyry tai lämpööljy-virtaa vaipan puolella. Itse kuori on yleensä valmistettu hiiliteräksestä tai ruostumattomasta teräksestä, usein vuorattu PTFE:llä tai kumilla, jos myös kuoren sivuneste on syövyttävää.
Bajonetti- ja uppolämmittimet
Säiliön lämmitykseen tai hiomalietteiden jäähdyttämiseen on saatavana piikarbidi-upotuslämmittimiä ja bajonettiputkia. Bajonetti koostuu sisäputkesta ja ulommasta suljetusta -päätyputkesta; huoltoneste virtaa renkaan läpi. Näitä malleja käytetään titaanidioksidin mädätyssäiliöissä ja mineraalihappovarastoissa, joissa tarvitaan pohjalämmitystä.
Lohkolämmönvaihtimet (vähemmän yleiset)
Vaikka grafiittilohkovaihtimet ovat yleisiä, SiC-lohkovaihtimia on olemassa, mutta niitä määritetään harvemmin valmistuksen monimutkaisuuden ja kustannusten vuoksi. SiC:n korkea kovuus vaikeuttaa tiheiden kulkureittien poraamista. Kun vaaditaan lohkorakenteita, käytetään piikarbidilla{2}}kyllästettyä grafiittia tai uudelleenkiteytettyä piikarbidia.
Sovellukset teollisuudessa
Rikkihapon pitoisuus ja talteenotto
Valmistettaessa väkevää rikkihappoa käytetyistä happovirroista (esim. nitraus- tai alkylointiprosesseista) happoa kuumennetaan tyhjiössä veden haihduttamiseksi. Liuenneiden metallien, orgaanisten jäämien ja joskus kiinteiden hiilihiukkasten läsnäolo muodostaa syövyttävän, hankaavan seoksen. SiC-lämmönvaihtimet toimivat uudelleenkeittiminä ja lauhduttimina ja tarjoavat pitkän käyttöiän, jos grafiitti tai tantaali rikkoutuisi eroosion tai korroosion vuoksi.
Titaanidioksidin (TiO₂) tuotanto
TiO₂-pigmentin sulfaattiprosessissa ilmeniittimalmi keitetään kuumalla väkevällä rikkihapolla. Tuloksena oleva liete sisältää suspendoituneita sulamattomia malmihiukkasia ja liuenneita rautasulfaatteja. Tämän erittäin syövyttävän, hankaavan lietteen jäähdyttäminen on välttämätöntä kiteytymisen jälkeen. SiC-kuori-ja-putkivaihtimet ovat vakiona nykyaikaisissa TiO₂-tehtaissa, ja ne korvaavat aikaisemmat mallit, jotka vaativat usein putken vaihtoa.
Kaivostoiminta ja hydrometallurgia
Kupari-, kulta- ja nikkelimalmien kasaliuotuksessa käytetään rikkihappo- tai syanidiliuoksia. SiC-lämmönvaihtimet tarjoavat luotettavaa palvelua, kun liuotusliuoksia kuumennetaan metallien talteenoton parantamiseksi ja kun ne sisältävät hienoja savi- tai malmihiukkasia. Painehapetus (POX) -autoklaaveissa tulenkestäviä kultamalmeja varten piikarbidijäähdytyskäärejä käytetään erittäin syövyttävässä, hankaavassa lieteympäristössä.
Erikoiskemikaalien tuotanto
Klooratut välituotteet, fluorikemikaalit ja jotkut farmaseuttiset prosessit sisältävät kuumia, väkeviä happoja, joissa on katalyyttihiukkasia. SiC-lämmönvaihtimet on määritelty kohteisiin, joissa vaihtokatkoksia ei voida hyväksyä ja joissa ruostuneiden metalliseosputkien metallikontaminaatiota ei voida hyväksyä.
Suunnittelun ja toiminnan parhaat käytännöt
SiC-lämmönvaihtimen maksimaalisen käyttöiän saavuttamiseksi suositellaan seuraavia käytäntöjä:
Asenna joustavat putkiliitoksetkaikissa suuttimissa estääkseen putken jännityksen tai tärinän siirtymisen.
Tarjoa paineenalennuslaitteitasuojaamaan loukkuun jääneiden nesteiden lämpölaajenemiselta.
Säädä lämpötilan muutosnopeuttalämpöshokin välttämiseksi; rajoittaa lämmitys- ja jäähdytysrampit 10–15 asteeseen minuutissa.
Estä vesivasarakäyttämällä hitaasti{0}}sulkevia venttiileitä ja varmistamalla, että kondenssivesi poistetaan höyryjärjestelmistä.
Käytä sopivia tiivisteitä:PTFE tai paisutettu PTFE (ePTFE) ovat sopivia; älä koskaan käytä grafiittitiivisteitä (jotka aiheuttavat galvaanista korroosiota joutuessaan kosketuksiin piikarbidin kanssa? Grafiitti on yhteensopiva, mutta saattaa vuotaa; PTFE on vakiona).
Tarkasta säännöllisestihalkeamien tai vuotojen varalta käyttämällä -tuhoamattomia menetelmiä, kuten akustisia päästöjä tai painetestausta.
Käsittele varaputkia varovasti; säilytä niitä pehmustetuissa telineissä, jotta vältytään reunojen halkeilulta.
Tulevaisuuden kehitys
Kehittyneet keraamiset lämmönvaihtimet, joissa käytetään uudelleenkiteytettyä piikarbidia ja sintrattua piikarbidia, kehittyvät edelleen. Piikarbidikomponenttien additiivinen valmistus (3D-tulostus) on kehitteillä, mikä voisi mahdollistaa monimutkaiset virtausgeometriat ja integroidut jakoputket, mikä vähentää liitosten määrää ja mahdollisia vuotokohtia. Piikarbidi-piikarbidi (SiC/SiC) keraamiset matriisikomposiitit tarjoavat paremman murtumislujuuden, mikä vähentää katastrofaalisen vaurion riskiä. Tämä kehitys saattaa alentaa kustannuksia ja laajentaa sovelluksia entistä vaativampiin ympäristöihin, kuten ylikriittiseen veden hapetukseen ja sulan suolan lämmönsiirtoon.
Johtopäätös
Piikarbidilämmönvaihtimet ratkaisevat vakavan korroosion ja hankauksen yhteisongelman, mikä oikeuttaa niiden korkeat kustannukset kriittisissä ja pitkäikäisissä{0}}sovelluksissa. Jos läsnä on sekä väkeviä happoja että hankaavia kiinteitä hiukkasia,-kuten rikkihappopitoisuudessa, TiO₂:n tuotannossa ja hydrometallurgisissa lietteissä-, mikään muu materiaali ei tarjoa samaa yhdistelmää äärimmäisestä kovuudesta, yleisestä kemikaalinkestävyydestä ja korkeasta lämmönjohtavuudesta. Piikarbidin hauraus ja hinta ovat edelleen merkittäviä rajoituksia, mutta prosesseissa, joissa seisokkeja mitataan miljoonien dollarien arvosta päivässä menetettynä tuotannossa,piikarbidin lämmönvaihdin syövyttävä hankaava lietejärjestelmä tarjoaa vakuuttavan sijoitetun pääoman tuoton. Edistyksellinen keramiikka laajentaa lämmönsiirron mahdollisuutta, ja piikarbidi johtaa tällä hetkellä tätä laajenemista.
