Процеси, що включають гарячі концентровані кислоти в поєднанні з абразивними твердими частинками, представляють подвійну проблему, яку можуть витримати небагато матеріалів. Теплообмінники з карбіду кремнію (SiC) розроблені саме для таких суворих умов, пропонуючи поєднання твердості та хімічної інертності, незрівнянного з полімерами чи металами. У гірничодобувній промисловості, гідрометалургії та сучасному хімічному виробництві, де одночасно присутні і корозія, і ерозія, SiC став найкращим матеріалом для теплообмінного обладнання, яке має надійно працювати роками без збоїв.
Що таке карбід кремнію як інженерний матеріал?
Карбід кремнію - це синтетичний керамічний матеріал, який виготовляється шляхом реакції кварцевого піску та нафтового коксу при температурах понад 2000 градусів. Для теплообмінників використовується високо{2}}чистий, -спечений або рекристалізований SiC без тиску. Отриманий матеріал надзвичайно твердий-поступається лише алмазу та карбіду бору за шкалою Мооса-і має майже-універсальну хімічну стійкість.
Ключові властивості SiC, що стосуються теплообмінників, включають:
твердість:9,5 за шкалою Мооса (порівняйте з карбідом вольфраму 9, загартованою сталлю 7–8)
Теплопровідність:100–200 Вт/м·K (залежно від марки та температури), порівнянно з вуглецевою сталлю та значно перевищує PTFE або графіт
Максимальна робоча температура:Перевищує 800 градусів в інертній атмосфері; в окислювальних кислотах практичні межі нижчі, але все ще набагато вище полімерів
Коефіцієнт теплового розширення:Приблизно 4,0–4,5 × 10⁻⁶/K, близьке до значення багатьох металів, що зменшує термічний стрес у гібридних конструкціях
Переваги для комбінованого корозійного та абразивного обслуговування
Стійкість до стирання
Надзвичайна твердість SiC забезпечує виняткову стійкість до ерозії від твердих частинок. У процесах із застосуванням суспензій-, таких як вилуговування мінерального концентрату, виробництво діоксиду титану або відновлення каталізатора-тверді частинки, зважені в гарячій кислоті, швидко зношуються через металеві труби, PTFE вкладиші та навіть графіт. SiC-труби демонструють мінімальний знос після років служби в таких середовищах. Швидкість ерозії SiC зазвичай на один-два порядки нижча, ніж у нержавіючої сталі або PTFE за однакових умов суспензії.
Стійкість до корозії
Карбід кремнію хімічно інертний практично до всіх корозійних середовищ, лише за кількома винятками. Він протистоїть:
Усі мінеральні кислоти (сірчана, соляна, азотна, фосфорна, плавикова) у всьому діапазоні концентрацій
Луги (гідроксид натрію, гідроксид калію) до помірних концентрацій і температур
Органічні розчинники, хлоровані вуглеводні та окислювачі (з температурними обмеженнями)
Єдина помітна хімічна атака відбувається в сильних лугах при високих температурах (вище 150 градусів) і в плавиковій кислоті в дуже високих концентраціях. Для переважної більшості агресивних хімічних процесів SiC забезпечує універсальну стійкість, яка перевершує будь-який метал або полімер.
Висока теплопровідність
A карбід кремнію теплообмінник корозійна абразивна суспензіяЗастосування виграє безпосередньо від теплопровідності SiC, яка коливається від 100 до 200 Вт/м·K-приблизно в 50 разів більше, ніж у PTFE, і порівнянна з вуглецевою сталлю. Це дозволяє теплообмінникам бути компактними, а вимоги до площі поверхні значно нижчі, ніж до альтернатив-полімерів. Для певного режиму роботи корпусно--і-трубний теплообмінник із SiC може бути на-третину розміру PTFE блоку та на-половину розміру графітового блоку.
Обмеження та особливості дизайну
Крихкість і механічний удар
SiC є керамікою і тому крихкою. Не деформується пластично; він ламається при надмірному розтягуванні, ударі або сильному термічному ударі. Поводження під час монтажу вимагає обережності: без ударів молотком, без великих навантажень на форсунки та без зміщень труб, які створюють згинальні моменти. Для з’єднання трубопроводів необхідно використовувати гнучкі муфти або компенсатори. При експлуатації слід уникати гідроударів, раптових стрибків тиску або різких змін температури, що перевищують рекомендовані швидкості (зазвичай 10–15 градусів за хвилину для SiC).
Стійкість до термічного удару
Порівняно з іншою керамікою SiC має відносно хорошу стійкість до термічного удару завдяки своїй високій теплопровідності та помірному коефіцієнту розширення. Однак він не має імунітету. Раптове загартування-наприклад, введення холодної води в гарячий SiC-обмінник-може спричинити розтріскування. Необхідно контролювати зміну температури. Для додатків із частими тепловими циклами розробники можуть зменшити максимально допустимий температурний градієнт.
Висока вартість
SiC теплообмінники значно дорожчі, ніж ті, що виготовлені з PTFE, графіту або екзотичних металевих сплавів, таких як тантал або титан. Причини витрат включають -високу чистоту сировини, енерго-інтенсивний процес спікання, а також необхідну спеціальну механічну обробку та складання (SiC-труби та трубні дошки зазвичай з’єднуються за допомогою механічних ущільнень або компресійних фітингів, оскільки зварювання неможливе). Однак у критичних додатках, де час простою для заміни вимірюється днями, а втрата виробництва обчислюється мільйонами доларів, тривалий термін служби SiC виправдовує початкові інвестиції.
Обмежена максимальна довжина труби
Виробничі обмеження обмежують довжину труб SiC зазвичай до 2–3 метрів (6–10 футів) для діаметрів 12–25 мм. Труби більшого діаметру або більшої довжини можливі, але вони експоненціально дорожчі. Це накладає обмеження на дизайн кожухотрубних-і-трубчастих теплообмінників, часто вимагаючи кількох проходів або більших корпусів.
Порівняння матеріалів для корозійних/абразивних суспензій
У наступній таблиці порівнюються основні матеріали, що використовуються в теплообмінниках для складних послуг.
| матеріал | Стійкість до стирання | Стійкість до корозії (кислоти) | Теплопровідність (Вт/м·K) | Відносна вартість (за кВт) | Типова максимальна температура (градус) |
|---|---|---|---|---|---|
| Карбід кремнію (SiC) | Чудово | Відмінно (майже-універсальний) | 100–200 | Високий | >500 |
| PTFE | Бідний | Чудово | ~0.25 | Помірний | 260 |
| Графіт (фенольний) | Поганий (м'який) | Добре (-не окислюється) | 80–120 | Помірний | 200 |
| тантал | Добре (метал) | Відмінно (кислоти, крім HF) | 55–60 | Дуже високий | 300 |
| Титан (клас 12) | ярмарок | Добре (без HF, без сильних відновних кислот) | 15–20 | Помірний | 300 |
| Hastelloy C-276 | ярмарок | Хороший (але питтинг у хлоридах) | 10–12 | Помірний | 400 |
| Сталь з покриттям із PTFE- | Погано (підкладка руйнується) | Чудово | 0,25 (плюс опір стіни) | Від низького до помірного | 260 |
Одночасно SiC забезпечує відмінну стійкість до стирання, майже{0}}універсальну стійкість до корозії та високу теплопровідність. Жоден інший матеріал не поєднує в собі всі три властивості.
Типові конфігурації теплообмінника
Кожухотрубна-і-труба з SiC трубками
Найпоширеніша конфігурація длякарбід кремнію теплообмінник корозійна абразивна суспензіяобов’язками є конструкція-і-труб. SiC труби (зазвичай внутрішній діаметр 12–25 мм, товщина стінки 1,5–3 мм) збираються в SiC або металеві трубні дошки. Корозійний шлам тече всередину труб (або назовні, залежно від конструкції), тоді як робоча рідина-охолоджуюча вода, пара або термальне масло-тече з боку корпусу. Сама оболонка зазвичай виготовляється з вуглецевої або нержавіючої сталі, часто покрита PTFE або гумою, якщо рідина-з боку оболонки також є корозійною.
Байонетні та занурювальні нагрівачі
Для нагрівання резервуарів або охолодження абразивних суспензій доступні занурювальні нагрівачі SiC і байонетні труби. Багнет складається з внутрішньої труби та зовнішньої закритої -кінцевої труби; робоча рідина протікає через кільцевий простір. Ці конструкції використовуються в резервуарах для виварювання діоксиду титану та сховищах мінеральної кислоти, де потрібне нижнє нагрівання.
Блокові теплообмінники (менш поширені)
У той час як графітові блокові обмінники є звичайними, SiC блокові обмінники існують, але їх вказують рідше через складність виробництва та вартість. Висока твердість SiC ускладнює свердління щільних каналів. Якщо потрібні блочні конструкції, використовуються графітові-просочені карбідом кремнію або блоки з перекристалізованого SiC.
Застосування в промисловості
Концентрація та регенерація сірчаної кислоти
При виробництві концентрованої сірчаної кислоти з відпрацьованих кислотних потоків (наприклад, у процесі нітрування або алкілування) кислоту нагрівають у вакуумі для випаровування води. Наявність розчинених металів, органічних залишків і іноді твердих частинок вуглецю створює корозійну абразивну суміш. Теплообмінники SiC служать ребойлерами та конденсаторами, забезпечуючи тривалий термін служби там, де графіт або тантал руйнуються через ерозію або корозію.
Виробництво діоксиду титану (TiO₂).
Сульфатний процес отримання пігменту TiO₂ включає зброджування ільменітової руди гарячою концентрованою сірчаною кислотою. Отримана суспензія містить зважені частинки нерозщепленої руди та розчинені сульфати заліза. Охолодження цієї висококорозійної, абразивної суспензії має важливе значення для подальшої кристалізації. Кожухотрубні-і-обмінники SiC є стандартними для сучасних заводів TiO₂, замінюючи попередні конструкції, які потребували частої заміни труб.
Гірництво та гідрометалургія
При кучовому вилуговуванні мідних, золотих і нікелевих руд використовують розчини сірчаної кислоти або ціанідів. Коли концентровані розчини вилуговування нагрівають для покращення відновлення металу, і якщо ці розчини містять дрібні частки глини або руди, теплообмінники SiC забезпечують надійну роботу. В автоклавах окислення під тиском (POX) для тугоплавких золотих руд охолоджуючі змійовики SiC використовуються всередині висококорозійного абразивного шламу.
Виробництво спеціальних хімікатів
Хлоровані проміжні продукти, фторхімічні речовини та деякі фармацевтичні процеси включають гарячі концентровані кислоти з частинками каталізатора. Теплообмінники SiC призначені для тих випадків, коли час простою для заміни є неприйнятним і де забруднення металу від корозійних труб зі сплаву неприпустимо.
Передовий досвід проектування та експлуатації
Щоб досягти максимального терміну служби теплообмінника SiC, рекомендуються наступні методи:
Встановити гнучкі з’єднання трубна всіх форсунках, щоб запобігти передачі напруги або вібрації труби.
Забезпечити пристрої для скидання тискудля захисту від теплового розширення захоплених рідин.
Контролюйте швидкість зміни температуриуникнути термічного удару; обмежте нагрівання та охолодження до 10–15 градусів за хвилину.
Запобігайте гідроударуза допомогою клапанів із повільним-закриттям і забезпеченням зливу конденсату з парових систем.
Використовуйте відповідні прокладки:Підходить PTFE або розширений PTFE (ePTFE); ніколи не використовуйте графітові прокладки (які викликають гальванічну корозію при контакті з SiC? Насправді графіт сумісний, але може витікати; PTFE є стандартним).
Періодично оглядайтедля виявлення тріщин або витоків за допомогою не-руйнівних методів, таких як акустична емісія або випробування тиском.
Обережно поводьтеся із запасними трубками; зберігайте їх у м’яких полицях, щоб уникнути відколів країв.
Майбутні розробки
Удосконалені керамічні теплообмінники, що використовують рекристалізований SiC і спечений карбід кремнію, продовжують розвиватися. Розробляється адитивне виробництво (3D-друк) компонентів SiC, що може дозволити складну геометрію потоку та інтегральні колектори, зменшуючи кількість з’єднань і потенційних точок витоку. Карбід кремнію-Карбід кремнію (SiC/SiC) композити з керамічною матрицею забезпечують покращену в’язкість до руйнування, зменшуючи ризик катастрофічного руйнування. Ці розробки можуть знизити витрати та розширити застосування у ще більш вимогливих середовищах, таких як надкритичне окислення води та теплопередача розплавленої солі.
Висновок
Теплообмінники з карбіду кремнію вирішують комплексну проблему сильної корозії та стирання, що виправдовує їхню високу вартість у критичних -застосуваннях із тривалим терміном служби. Там, де присутні як концентровані кислоти, так і абразивні тверді частинки-як у концентрації сірчаної кислоти, виробництві TiO₂ і гідрометалургійних суспензіях-жоден інший матеріал не пропонує такого ж поєднання надзвичайної твердості, універсальної хімічної стійкості та високої теплопровідності. Крихкість і вартість SiC залишаються суттєвими обмеженнями, але для процесів, де час простою вимірюється втратою продукції на мільйони доларів на день, надійністькарбід кремнію теплообмінник корозійна абразивна суспензіясистема забезпечує переконливу віддачу від інвестицій. Удосконалена кераміка розширює можливості теплопередачі, і SiC наразі лідирує в цьому розширенні.
