Procesai, kuriuose dalyvauja karštos, koncentruotos rūgštys ir abrazyvinės kietosios dalelės, kelia dvigubą iššūkį, kurį gali išgyventi tik nedaugelis medžiagų. Silicio karbido (SiC) šilumokaičiai yra sukurti būtent tokioms nepalankioms sąlygoms ir siūlo kietumo ir cheminio inertiškumo derinį, neprilygstamą polimerams ar metalams. Kasybos, hidrometalurgijos ir pažangiosios chemijos gamybos srityse, kur vienu metu yra korozija ir erozija, SiC tapo pasirinkta medžiaga šilumos perdavimo įrangai, kuri daugelį metų turi veikti patikimai be gedimų.
Kas yra silicio karbidas kaip inžinerinė medžiaga?
Silicio karbidas yra sintetinė keraminė medžiaga, gaunama reaguojant kvarco smėliui ir naftos koksui aukštesnėje nei 2000 laipsnių temperatūroje. Šilumokaičiams naudojamas didelio -grynumo, beslėgis-sukepintas arba perkristalizuotas SiC. Gauta medžiaga yra labai kieta-antra tik deimantui ir boro karbidui pagal Moso skalę-ir pasižymi beveik -universaliu cheminiu atsparumu.
Pagrindinės SiC savybės, svarbios šilumokaičiams, yra šios:
Kietumas:9,5 pagal Moso skalę (palyginkite su volframo karbidu 9, grūdintu plienu 7–8)
Šilumos laidumas:100–200 W/m·K (priklausomai nuo klasės ir temperatūros), panašus į anglinį plieną ir gerokai viršija PTFE arba grafitą
Maksimali eksploatavimo temperatūra:Inertinėje atmosferoje viršija 800 laipsnių; Oksiduojančiose rūgštyse praktinės ribos yra žemesnės, bet vis tiek gerokai viršija polimerus
Šiluminio plėtimosi koeficientas:Apytiksliai 4,0–4,5 × 10⁻⁶ / K, artimas daugelio metalų, sumažina šiluminį įtempį hibridinėse konstrukcijose
Kombinuotos korozijos ir abrazyvinės priežiūros privalumai
Atsparumas dilimui
Ypatingas SiC kietumas užtikrina išskirtinį atsparumą erozijai nuo kietųjų dalelių. Procesuose, kuriuose dalyvauja suspensijos,{1}}pvz., mineralinių koncentratų išplovimas, titano dioksido gamyba arba katalizatoriaus regeneravimas-, karštoje rūgštyje suspenduotos kietosios dalelės greitai susidėvi per metalinius vamzdelius, PTFE įdėklus ir net grafitą. SiC vamzdžiai turi minimalų susidėvėjimą po daugelio metų naudojimo tokioje aplinkoje. SiC erozijos greitis paprastai yra nuo vieno iki dviejų laipsnių mažesnis nei nerūdijančio plieno arba PTFE identiškomis srutos sąlygomis.
Atsparumas korozijai
Silicio karbidas yra chemiškai inertiškas beveik visoms korozinėms terpėms, išskyrus keletą išimčių. Jis priešinasi:
Visos mineralinės rūgštys (sieros, druskos, azoto, fosforo, fluoro) visame koncentracijos diapazone
Šarmai (natrio hidroksidas, kalio hidroksidas) iki vidutinės koncentracijos ir temperatūros
Organiniai tirpikliai, chlorinti angliavandeniliai ir oksidatoriai (su temperatūros ribomis)
Vienintelis pastebimas cheminis poveikis įvyksta stipriuose šarmuose aukštoje temperatūroje (virš 150 laipsnių) ir vandenilio fluorido rūgštyje, kai koncentracija yra labai didelė. Daugumai agresyvių cheminių procesų SiC užtikrina universalų atsparumą, pranašesnį už bet kokį metalą ar polimerą.
Aukštas šilumos laidumas
A silicio karbido šilumokaičio ėsdinanti abrazyvinė srutosTaikymas tiesiogiai naudingas dėl SiC šilumos laidumo, kuris svyruoja nuo 100 iki 200 W/m·K-maždaug 50 kartų didesnis nei PTFE ir panašus į anglinį plieną. Tai leidžia šilumokaičiams būti kompaktiškiems, o paviršiaus ploto reikalavimai yra daug mažesni nei polimerinių{5}}alternatyvų. Tam tikroms reikmėms SiC apvalkalo-ir
Apribojimai ir dizaino svarstymai
Trapumas ir mechaninis smūgis
SiC yra keramika, todėl trapus. Plastiškai nesideformuoja; jis lūžta, kai patiria per didelį tempimo įtempį, smūgį ar stiprų šiluminį šoką. Tvarkymas montavimo metu reikalauja kruopštumo: negalima kalti, neapkrauti purkštukų ir nesureguliuoti vamzdynų, kurie gali sukelti lenkimo momentus. Vamzdynų jungtims turi būti naudojamos lanksčios movos arba kompensacinės jungtys. Eksploatacijos metu reikia vengti vandens plaktuko, staigių slėgio šuolių ar staigių temperatūros pokyčių, viršijančių rekomenduojamą greitį (paprastai 10–15 laipsnių per minutę SiC).
Atsparumas šiluminiam smūgiui
Palyginti su kita keramika, SiC pasižymi gana geru atsparumu šiluminiam smūgiui dėl didelio šilumos laidumo ir vidutinio plėtimosi koeficiento. Tačiau tai nėra imunitetas. Staigus gesinimas-pavyzdžiui, šalto vandens įleidimas į karštą SiC šilumokaitį-gali sukelti įtrūkimus. Temperatūros ciklą reikia kontroliuoti. Tais atvejais, kai šiluminis ciklas dažnai keičiasi, dizaineriai gali sumažinti didžiausią leistiną temperatūros gradientą.
Didelė kaina
SiC šilumokaičiai yra žymiai brangesni nei pagaminti iš PTFE, grafito ar egzotiškų metalų lydinių, tokių kaip tantalas ar titanas. Sąnaudas lemia didelės-grynos žaliavos, daug energijos reikalaujantis sukepinimo procesas ir reikalingas specializuotas apdirbimas bei surinkimas (SiC vamzdžiai ir vamzdžių lakštai paprastai sujungiami mechaniniais sandarikliais arba suspaudžiamomis jungtimis, nes suvirinti neįmanoma). Tačiau svarbiose programose, kur prastovos pakeitimo metu matuojamos dienomis, o prarasta gamyba – milijonais dolerių, ilgas SiC tarnavimo laikas pateisina išankstines investicijas.
Ribotas maksimalus vamzdžio ilgis
Gamybos apribojimai riboja SiC vamzdžių ilgį iki 2–3 metrų (6–10 pėdų), kai skersmuo 12–25 mm. Galimi didesnio skersmens arba ilgesni vamzdžiai, tačiau jie tampa eksponentiškai brangesni. Tai apriboja apvalkalų{8}}ir vamzdžių
Korozinių / abrazyvinių srutų tarnybos medžiagų palyginimas
Šioje lentelėje palyginamos pagrindinės medžiagos, naudojamos sudėtingoms paslaugoms skirtuose šilumokaičiuose.
| Medžiaga | Atsparumas dilimui | Atsparumas korozijai (rūgštys) | Šilumos laidumas (W/m·K) | Santykinė kaina (už kW) | Tipinė maksimali temperatūra ( laipsnis ) |
|---|---|---|---|---|---|
| Silicio karbidas (SiC) | Puikiai | Puikus (beveik{0}}universalus) | 100–200 | Aukštas | >500 |
| PTFE | Vargšas | Puikiai | ~0.25 | Vidutinis | 260 |
| Grafitas (fenolis) | Prastas (minkštas) | Geras (ne{0}}oksiduojantis) | 80–120 | Vidutinis | 200 |
| Tantalas | Geras (metalinis) | Puikus (rūgštys, išskyrus HF) | 55–60 | Labai aukštas | 300 |
| Titanas (12 klasė) | Sąžininga | Geras (be HF, nėra stiprių redukuojančių rūgščių) | 15–20 | Vidutinis | 300 |
| Hastelloy C-276 | Sąžininga | Geras (bet su chloridais) | 10–12 | Vidutinis | 400 |
| PTFE{0}}apmuštas plienas | Prastas (pamušalas erozuoja) | Puikiai | 0,25 (plius sienos atsparumas) | Žemas ar vidutinio sunkumo | 260 |
SiC yra vienintelis, tuo pačiu pasižymėdamas puikiu atsparumu dilimui, beveik{0}}universaliu atsparumu korozijai ir aukštu šilumos laidumu. Jokia kita medžiaga neapjungia visų trijų savybių.
Tipinės šilumokaičio konfigūracijos
Shell{0}}ir-vamzdis su SiC vamzdeliais
Dažniausiai naudojama konfigūracijasilicio karbido šilumokaičio ėsdinanti abrazyvinė srutospareiga yra apvalkalo{0}}ir-vamzdžio dizainas. SiC vamzdžiai (paprastai 12–25 mm vidinio skersmens, 1,5–3 mm sienelės storio) surenkami į SiC arba metalinius vamzdžių lakštus. Korozinė suspensija teka vamzdžių viduje (arba išorėje, priklausomai nuo konstrukcijos), o eksploatacinis skystis -aušinimo vanduo, garai arba terminė alyva- teka korpuso pusėje. Pats apvalkalas paprastai yra pagamintas iš anglinio plieno arba nerūdijančio plieno, dažnai padengtas PTFE arba guma, jei korpuso šoninis skystis taip pat yra korozinis.
Bajonetiniai ir panardinami šildytuvai
Bako šildymui arba abrazyvinių suspensijų aušinimui yra SiC panardinamųjų šildytuvų ir bajonetinių vamzdžių. Bajonetą sudaro vidinis vamzdis ir išorinis uždaras{1}}galinis vamzdis; eksploatacinis skystis teka per žiedą. Šios konstrukcijos naudojamos titano dioksido pūdymo rezervuaruose ir mineralinių rūgščių saugyklose, kur reikalingas dugno šildymas.
Blokiniai šilumokaičiai (rečiau)
Nors grafito blokiniai šilumokaičiai yra įprasti, SiC blokiniai šilumokaičiai egzistuoja, tačiau jie rečiau nurodomi dėl gamybos sudėtingumo ir kainos. Didelis SiC kietumas apsunkina tankių praėjimų masyvų gręžimą. Kai reikalingas blokų dizainas, naudojami silicio karbidu{2}}įmirkyti grafitas arba perkristalizuoti SiC blokai.
Taikymas pramonėje
Sieros rūgšties koncentracija ir regeneravimas
Gaminant koncentruotą sieros rūgštį iš panaudotų rūgščių srautų (pvz., iš nitravimo ar alkilinimo procesų), rūgštis kaitinama vakuume, kad išgaruotų vanduo. Ištirpusių metalų, organinių likučių ir kartais kietų anglies dalelių buvimas sukuria korozinį, abrazyvinį mišinį. SiC šilumokaičiai naudojami kaip reboileriai ir kondensatoriai, užtikrinantys ilgą tarnavimo laiką, kai grafitas ar tantalas sugestų dėl erozijos ar korozijos.
Titano dioksido (TiO₂) gamyba
TiO₂ pigmento sulfato procesas apima ilmenito rūdos skaidymą karšta koncentruota sieros rūgštimi. Gautoje srutoje yra suspenduotų nesuvirškintų rūdos dalelių ir ištirpusių geležies sulfatų. Šios labai ėsdinančios, abrazyvinės srutos aušinimas yra būtinas kristalizacijai pasroviui. SiC apvalkalo{3}}ir
Kasyba ir hidrometalurgija
Vario, aukso ir nikelio rūdų išplovimui naudojami sieros rūgšties arba cianido tirpalai. Kai nėščiųjų išplovimo tirpalai kaitinami siekiant pagerinti metalo regeneraciją ir kai juose yra smulkių molio ar rūdos dalelių, SiC šilumokaičiai užtikrina patikimą aptarnavimą. Slėgio oksidacijos (POX) autoklavuose, skirtuose ugniai atsparioms aukso rūdoms, SiC aušinimo ritės naudojamos labai ėsdinančios, abrazyvinės srutos aplinkoje.
Specialiųjų cheminių medžiagų gamyba
Chlorinti tarpiniai produktai, fluorochemikalai ir kai kurie farmaciniai procesai apima karštas, koncentruotas rūgštis su katalizatoriaus dalelėmis. SiC šilumokaičiai nurodomi ten, kur prastovas keistis yra nepriimtinas ir kur negalima toleruoti metalo užteršimo dėl korozijos lydinio vamzdžių.
Geriausia projektavimo ir eksploatavimo praktika
Norint pasiekti maksimalų SiC šilumokaičio tarnavimo laiką, rekomenduojama laikytis šios praktikos:
Sumontuokite lanksčias vamzdžių jungtisprie visų purkštukų, kad būtų išvengta vamzdžio įtempimo ar vibracijos perdavimo.
Pateikite slėgio mažinimo įtaisusapsaugoti nuo įstrigusių skysčių šiluminio plėtimosi.
Kontroliuoti temperatūros kitimo greitįišvengti terminio šoko; apriboti šildymo ir vėsinimo rampas iki 10–15 laipsnių per minutę.
Neleiskite vandens plaktukonaudojant lėtai{0}}uždarančius vožtuvus ir užtikrinant kondensato nutekėjimą iš garų sistemų.
Naudokite tinkamus tarpiklius:Tinka PTFE arba išplėstas PTFE (ePTFE); niekada nenaudokite grafito tarpiklių (dėl kurių, susilietus su SiC, atsiranda galvaninė korozija? Iš tikrųjų grafitas yra suderinamas, bet gali nutekėti; PTFE yra standartinis).
Periodiškai tikrinkitedėl įtrūkimų ar nuotėkių naudojant neardomuosius metodus, tokius kaip akustinės emisijos arba slėgio bandymas.
Atsargiai elkitės su atsarginiais vamzdeliais; laikykite juos paminkštintose lentynose, kad išvengtumėte kraštų atskilimo.
Ateities įvykiai
Pažangūs keraminiai šilumokaičiai, naudojantys perkristalizuotą SiC ir sukepintą silicio karbidą, toliau tobulinami. Plėtojama papildoma SiC komponentų gamyba (3D spausdinimas), kuri leistų sudaryti sudėtingas srauto geometrijas ir integruotus kolektorius, sumažinant jungčių skaičių ir galimus nuotėkio taškus. Silicio karbido-silicio karbido (SiC/SiC) keraminės matricos kompozitai pagerina atsparumą lūžiams ir sumažina katastrofiško gedimo riziką. Šie pokyčiai gali sumažinti sąnaudas ir išplėsti pritaikymą dar sudėtingesnėje aplinkoje, pavyzdžiui, superkritinėje vandens oksidacijoje ir išlydytos druskos šilumos perdavimas.
Išvada
Silicio karbido šilumokaičiai išsprendžia bendrą didelės korozijos ir dilimo problemą, pateisindami jų dideles sąnaudas, kai naudojami kritiniai, ilgai eksploatuojami{0}. Kai yra ir koncentruotų rūgščių, ir abrazyvinių kietųjų dalelių, -kaip sieros rūgšties koncentracija, TiO₂ gamyba ir hidrometalurginės suspensijos-, jokia kita medžiaga nepasiūlo tokio paties ypatingo kietumo, universalaus cheminio atsparumo ir didelio šilumos laidumo derinio. SiC trapumas ir kaina tebėra reikšmingi apribojimai, tačiau procesų, kurių prastovos matuojamos prarasta gamyba, kurios vertė siekia milijonus dolerių per dieną, patikimumassilicio karbido šilumokaičio ėsdinanti abrazyvinė srutossistema suteikia įtikinamą investicijų grąžą. Pažangi keramika išplečia šilumos perdavimo galimybes, o SiC šiuo metu yra tokia plėtra.
