Aðferðir sem fela í sér heitar, óblandaðar sýrur ásamt slípiefni í föstu formi eru tvíþætt áskorun sem fá efni geta lifað af. Kísilkarbíð (SiC) varmaskiptir eru hannaðir fyrir nákvæmlega þessar refsingar aðstæður og bjóða upp á blöndu af hörku og efnafræðilegu óvirku sem er óviðjafnanlegt af fjölliðum eða málmum. Í námuvinnslu, vatnsmálmvinnslu og háþróaðri efnaframleiðslu, þar sem bæði tæring og veðrun eru til staðar samtímis, hefur SiC komið fram sem valið efni fyrir hitaflutningsbúnað sem verður að starfa áreiðanlega í mörg ár án bilunar.
Hvað er kísilkarbíð sem verkfræðiefni?
Kísilkarbíð er tilbúið keramik efni framleitt með viðbrögðum kísilsands og jarðolíukoks við hitastig yfir 2000 gráður. Fyrir notkun varmaskipta er hár-hreint, þrýstingslaust-hertrað eða endurkristallað SiC notað. Efnið sem myndast er afar hart-aðeins á við demant og bórkarbíð á Mohs mælikvarða-og sýnir nánast-alhliða efnaþol.
Helstu eiginleikar SiC sem skipta máli fyrir varmaskipti eru:
hörku:9,5 á Mohs kvarðanum (samanborið við wolframkarbíð við 9, hert stál við 7–8)
Varmaleiðni:100–200 W/m·K (fer eftir gráðu og hitastigi), sambærilegt við kolefnisstál og langt umfram PTFE eða grafít
Hámarks þjónustuhiti:Fer yfir 800 gráður í óvirku andrúmslofti; í oxandi sýrum eru hagnýt mörk lægri en samt langt yfir fjölliðum
varmaþenslustuðull:Um það bil 4,0–4,5 × 10⁻⁶ / K, nálægt því í mörgum málmum, sem dregur úr hitauppstreymi í blendingshönnun
Kostir fyrir samsetta ætandi og slípiefnisþjónustu
Slitþol
Mikil hörku SiC veitir einstaka viðnám gegn veðrun frá föstum ögnum. Í ferlum sem fela í sér slurry-svo sem útskolun steinefnaþykkni, framleiðslu títantvíoxíðs eða endurheimt hvata- slitna fastar agnir, sem eru sviflausnar í heitri sýru, hratt í gegnum málmrör, PTFE-fóðringar og jafnvel grafít. SiC rör sýna lágmarks slit eftir margra ára þjónustu í slíku umhverfi. Rofhraði SiC er venjulega einni til tveimur stærðargráðum lægri en ryðfríu stáli eða PTFE við sömu slurry aðstæður.
Tæringarþol
Kísilkarbíð er efnafræðilega óvirkt fyrir nánast öllum ætandi miðlum, með örfáum undantekningum. Það stendur gegn:
Allar steinefnasýrur (brennisteinssýra, saltsýru, saltpéturs, fosfórs, flúorsýru) á öllu styrkleikasviðinu
Alkalis (natríumhýdroxíð, kalíumhýdroxíð) allt að meðallagi styrk og hitastig
Lífræn leysiefni, klóruð kolvetni og oxunarefni (með hitamörkum)
Eina athyglisverða efnaárásin á sér stað í sterkum basa við háan hita (yfir 150 gráður) og í flúorsýru við mjög háan styrk. Fyrir yfirgnæfandi meirihluta árásargjarnra efnaferla veitir SiC alhliða viðnám betri en hvaða málm eða fjölliða sem er.
Hár hitaleiðni
A kísilkarbíð varmaskipti ætandi slípiefni slurrynotkun nýtur beins góðs af hitaleiðni SiC, sem er á bilinu 100 til 200 W/m·K-um það bil 50 sinnum hærri en PTFE og sambærileg við kolefnisstál. Þetta gerir varmaskiptum kleift að vera fyrirferðarlítil, með yfirborðskröfur mun lægri en fjölliða-valkostir. Fyrir tiltekna skyldu getur SiC skel-og-röraskipti verið einn-þriðjungur af stærð PTFE eining og hálf-stærð grafíteining.
Takmarkanir og hönnunarsjónarmið
Brotleiki og vélrænt lost
SiC er keramik og því brothætt. Það afmyndast ekki plastískt; það brotnar þegar það verður fyrir of mikilli togspennu, höggi eða alvarlegu hitalosi. Meðhöndlun meðan á uppsetningu stendur krefst aðgát: engin hamar, ekkert mikið álag á stúta og engin misjöfn leiðslur sem myndu valda beygjustundum. Lagnatengingar verða að nota sveigjanlegar tengingar eða þenslusamskeyti. Notkun verður að forðast vatnshamri, skyndilegar þrýstingsupphlaup eða hraðar hitabreytingar sem fara yfir ráðlagða hraða (venjulega 10–15 gráður á mínútu fyrir SiC).
Hitaáfallsþol
Í samanburði við önnur keramik hefur SiC tiltölulega góða hitaáfallsþol vegna mikillar hitaleiðni og miðlungs stækkunarstuðuls. Hins vegar er það ekki ónæmt. Skyndileg slökkun-til dæmis, ef köldu vatni er komið inn í heitan SiC skipti- getur það valdið sprungum. Það ætti að stjórna hitastigi. Fyrir forrit með tíðar hitauppstreymi geta hönnuðir dregið úr hámarks leyfilegum hitastigshalla.
Hár kostnaður
SiC varmaskiptar eru mun dýrari en þeir sem eru gerðir úr PTFE, grafíti eða framandi málmblöndur eins og tantal eða títan. Kostnaðaráhrifin fela í sér hráefnið sem er mjög-hreint,-orkufrekt sintunarferlið og sérhæfða vinnslu og samsetningu sem krafist er (SiC rör og slönguplötur eru venjulega tengdar með vélrænum innsigli eða þjöppunarfestingum, þar sem suðu er ekki möguleg). Hins vegar, í mikilvægum forritum þar sem niður í miðbæ til að skipta út er mældur í dögum og tapað framleiðsla í milljónum dollara, réttlætir langur endingartími SiC fyrirframfjárfestingu.
Takmörkuð hámarks rörlengd
Framleiðslutakmarkanir takmarka lengd SiC rör við venjulega 2–3 metra (6–10 fet) fyrir þvermál 12–25 mm. Slöngur með stærri þvermál eða lengri lengdir eru mögulegar en verða veldishraða dýrari. Þetta setur hönnunartakmarkanir á skel-og-röraskiptara, sem oft krefjast margra yfirferða eða stærri skeljar.
Samanburður á efnum fyrir ætandi/slípiefnisþjónustu
Eftirfarandi tafla ber saman lykilefni sem notuð eru í varmaskipta fyrir krefjandi þjónustu.
| Efni | Slitþol | Tæringarþol (sýrur) | Varmaleiðni (W/m·K) | Hlutfallslegur kostnaður (á kW) | Dæmigert hámarkshiti (gráður) |
|---|---|---|---|---|---|
| Kísilkarbíð (SiC) | Frábært | Frábært (nálægt-alhliða) | 100–200 | Hátt | >500 |
| PTFE | Aumingja | Frábært | ~0.25 | Í meðallagi | 260 |
| Grafít (fenól) | Lélegt (mjúkt) | Gott (ekki-oxandi) | 80–120 | Í meðallagi | 200 |
| Tantal | Gott (málmur) | Frábært (sýrur nema HF) | 55–60 | Mjög hátt | 300 |
| Títan (12. bekk) | Sanngjarnt | Gott (engin HF, engar sterkar afoxandi sýrur) | 15–20 | Í meðallagi | 300 |
| Hastelloy C-276 | Sanngjarnt | Gott (en hella í sig klóríð) | 10–12 | Í meðallagi | 400 |
| PTFE-fóðrað stál | Lélegt (fóðrið eyðist) | Frábært | 0,25 (auk veggviðnáms) | Lágt til í meðallagi | 260 |
SiC stendur eitt og sér í því að bjóða í senn framúrskarandi slitþol, næstum-alhliða tæringarþol og mikla hitaleiðni. Ekkert annað efni sameinar alla þrjá eiginleikana.
Dæmigert hitaskipti stillingar
Skel-og-túpa með SiC slöngum
Algengasta uppsetningin fyrirkísilkarbíð varmaskipti ætandi slípiefni slurryskyldur er skel-og-rörhönnunin. SiC rör (venjulega 12–25 mm innra þvermál, 1,5–3 mm veggþykkt) eru sett saman í SiC eða málm slöngur. Ætandi slurry flæðir inn í rör (eða utan, allt eftir hönnun), en þjónustuvökvi-kælivatn, gufa eða varmaolía-flæðir á skelhliðinni. Skelin sjálf er venjulega úr kolefnisstáli eða ryðfríu stáli, oft fóðruð með PTFE eða gúmmíi ef skel{11}}hliðarvökvinn er líka ætandi.
Bayonet og dýfa hitari
Til að hita tanka eða kæla slípiefnislausn eru SiC dýfingarhitarar og byssupúpur fáanlegar. Byssur samanstendur af innra röri og ytri lokuðu -endaröri; þjónustuvökvinn rennur í gegnum hringinn. Þessi hönnun er notuð í títantvíoxíð meltingartankum og steinefnasýrugeymslu þar sem botnhitunar er krafist.
Blokkir varmaskiptir (sjaldgæfari)
Þó að grafítblokkaskipti séu algeng, eru SiC blokkskiptir til en eru sjaldnar tilgreindir vegna flókinnar framleiðslu og kostnaðar. Mikil hörku SiC gerir það að verkum að erfitt er að bora þéttar göngur. Þegar blokkahönnun er nauðsynleg eru kísilkarbíð-gegndreypt grafít eða endurkristölluð SiC blokkir notaðir.
Umsóknir í iðnaði
Brennisteinssýrustyrkur og endurheimt
Við framleiðslu á óblandaðri brennisteinssýru úr notuðum sýrustraumum (td úr nítrunar- eða alkýleringarferlum) er sýran hituð undir lofttæmi til að gufa upp vatn. Tilvist uppleystra málma, lífrænna leifa og stundum fastra kolefnisagna skapar ætandi, slípiefni blöndu. SiC varmaskiptar þjónar sem endurkatlar og þéttar, sem veita langan endingartíma þar sem grafít eða tantal myndi bila vegna veðrunar eða tæringar.
Títantvíoxíð (TiO₂) Framleiðsla
Súlfatferlið fyrir TiO₂ litarefni felur í sér að melta ilmenít málmgrýti með heitri óblandaðri brennisteinssýru. Grugglausnin sem myndast inniheldur sviflausnar ómeltar málmgrýtiagnir og uppleyst járnsúlföt. Kæling þessa mjög ætandi, slípandi slurry er nauðsynleg fyrir kristöllun neðanstreymis. SiC skel-og-röraskiptir eru staðalbúnaður í nútíma TiO₂ verksmiðjum og koma í stað fyrri hönnunar sem þurfti að skipta um rör oft.
Námuvinnsla og vatnsmálmvinnsla
Við útskolun kopar, gulls og nikkelgrýtis eru brennisteinssýru eða sýaníðlausnir notaðar. Þegar þungaðar útskolunarlausnir eru hitaðar til að bæta málmendurheimt og þegar þær innihalda fínar leir- eða málmgrýti agnir, veita SiC varmaskipti áreiðanlega þjónustu. Í þrýstingsoxun (POX) autoclaves fyrir eldföst gullgrýti, eru SiC kælispólur notaðar í mjög ætandi, slípandi slurry umhverfi.
Framleiðsla sérefna
Klóruð milliefni, flúorefna og sum lyfjaferli fela í sér heitar, óblandaðar sýrur með hvataögnum. SiC-varmaskiptir eru tilgreindir þar sem stöðvunartími til að skipta um er óviðunandi og þar sem málmmengun frá tærðum álrörum er ekki hægt að líða.
Bestu starfsvenjur í hönnun og rekstri
Til að ná hámarks endingartíma frá SiC varmaskipti er mælt með eftirfarandi aðferðum:
Settu upp sveigjanlegar píputengingarvið alla stúta til að koma í veg fyrir að pípaspennur eða titringur berist.
Útvega þrýstiafléttingartækitil að vernda gegn varmaþenslu föstum vökva.
Stjórna hitabreytingarhraðatil að forðast hitaáfall; takmarka hitunar- og kælingarrampa við 10–15 gráður á mínútu.
Komið í veg fyrir vatnshamrimeð því að nota hægfara-loka og tryggja að þéttivatn sé tæmt úr gufukerfi.
Notaðu viðeigandi þéttingar:PTFE eða stækkað PTFE (ePTFE) hentar; notaðu aldrei grafítþéttingar (sem valda galvanískri tæringu í snertingu við SiC? Raunar er grafít samhæft en getur lekið; PTFE er staðalbúnaður).
Skoðaðu reglulegafyrir sprungur eða leka með því að nota ó-eyðandi aðferðir eins og hljóðgeislun eða þrýstingsprófun.
Farðu varlega með vararör; geymdu þær í bólstruðum grindum til að forðast að brúnin ristist.
Framtíðarþróun
Háþróaðir keramikvarmaskiptar sem nota endurkristölluð SiC og hertu kísilkarbíð halda áfram að þróast. Aukaframleiðsla (3D prentun) á SiC íhlutum er í þróun, sem gæti leyft flóknum flæðisrúmfræði og samþættum greinum, fækkað fjölda samskeyta og hugsanlegra lekapunkta. Kísilkarbíð-kísilkarbíð (SiC/SiC) keramik fylki samsett efni bjóða upp á bætta brotseigu, sem dregur úr hættu á hörmulegum bilun. Þessi þróun getur lækkað kostnað og stækkað notkun inn í enn krefjandi umhverfi, svo sem yfirkritísk vatnsoxun og bráðið salthitaflutningur.
Niðurstaða
Kísilkarbíð varmaskiptar leysa sameiginlega vandamálið af alvarlegri tæringu og núningi, sem réttlætir háan kostnað þeirra í mikilvægum, langan-líftíma. Þar sem bæði óblandaðar sýrur og slípiefni í föstu formi eru til staðar-eins og í brennisteinssýrustyrk, TiO₂ framleiðsla og vatnsmálmvinnsluefni- býður ekkert annað efni upp á sömu blöndu af mikilli hörku, alhliða efnaþol og mikilli hitaleiðni. Stökkleiki og kostnaður við SiC eru enn verulegar takmarkanir, en fyrir ferla þar sem niðritími er mældur í tapaðri framleiðslu að verðmæti milljóna dollara á dag, er áreiðanleiki akísilkarbíð varmaskipti ætandi slípiefni slurrykerfi gefur sannfærandi arðsemi af fjárfestingu. Háþróað keramik er að stækka umslagið um það sem er mögulegt í hitaflutningi og SiC leiðir þá stækkun sem stendur.
