Procesele care implică acizi fierbinți, concentrați combinați cu particule solide abrazive prezintă o provocare dublă căreia puține materiale pot supraviețui. Schimbătoarele de căldură cu carbură de siliciu (SiC) sunt proiectate exact pentru aceste condiții de pedeapsă, oferind o combinație de duritate și inerție chimică de neegalat de polimeri sau metale. În minerit, hidrometalurgie și producția chimică avansată, unde atât coroziunea, cât și eroziunea sunt prezente simultan, SiC a apărut ca materialul de alegere pentru echipamentele de transfer de căldură care trebuie să funcționeze fiabil ani de zile, fără defecțiuni.
Ce este carbura de siliciu ca material de inginerie?
Carbura de siliciu este un material ceramic sintetic produs prin reacția nisipului de siliciu și a cocsului de petrol la temperaturi care depășesc 2000 de grade. Pentru aplicațiile cu schimbătoare de căldură, se folosește SiC sinterizat sau recristalizat de-puritate ridicată, fără presiune-. Materialul rezultat este extrem de dur-al doilea numai după diamant și carbură de bor pe scara Mohs-și prezintă o rezistență chimică aproape-universală.
Proprietățile cheie ale SiC relevante pentru schimbătoarele de căldură includ:
Duritate:9,5 pe scara Mohs (comparați cu carbura de tungsten la 9, cu oțelul călit la 7–8)
Conductivitate termica:100–200 W/m·K (în funcție de calitate și temperatură), comparabil cu oțelul carbon și depășind cu mult PTFE sau grafit
Temperatura maxima de serviciu:Depășește 800 de grade în atmosfere inerte; în acizii oxidanți, limitele practice sunt mai mici, dar totuși mult peste polimeri
Coeficientul de dilatare termica:Aproximativ 4,0–4,5 × 10⁻⁶ / K, aproape de cea a multor metale, reducând stresul termic în modelele hibride
Avantaje pentru service combinat coroziv și abraziv
Rezistenta la abraziune
Duritatea extremă a SiC oferă o rezistență excepțională la eroziunea particulelor solide. În procesele care implică nămoluri-cum ar fi scurgerea concentratului mineral, producția de dioxid de titan sau recuperarea catalizatorului-particulele solide suspendate în acid fierbinte se uzează rapid prin tuburile metalice, căptușeli de PTFE și chiar grafit. Tuburile SiC prezintă o uzură minimă după ani de funcționare în astfel de medii. Rata de eroziune a SiC este de obicei cu unu până la două ordine de mărime mai mică decât cea a oțelului inoxidabil sau PTFE în condiții identice de șlam.
Rezistenta la coroziune
Carbura de siliciu este inertă din punct de vedere chimic pentru aproape toate mediile corozive, cu doar câteva excepții. Rezistă:
Toți acizii minerali (sulfuric, clorhidric, azotic, fosforic, fluorhidric) în întregul interval de concentrație
Alcaline (hidroxid de sodiu, hidroxid de potasiu) până la concentrații și temperaturi moderate
Solvenți organici, hidrocarburi clorurate și agenți de oxidare (cu limite de temperatură)
Singurul atac chimic notabil are loc în alcalii puternici la temperaturi ridicate (peste 150 de grade) și în acidul fluorhidric la concentrații foarte mari. Pentru marea majoritate a proceselor chimice agresive, SiC oferă o rezistență universală superioară oricărui metal sau polimer.
Conductivitate termică ridicată
A schimbător de căldură cu carbură de siliciu șlam abraziv corosivaplicația beneficiază direct de conductivitatea termică a SiC, care variază de la 100 la 200 W/m·K-de aproximativ 50 de ori mai mare decât cea a PTFE și comparabilă cu oțelul carbon. Acest lucru permite schimbătoarelor de căldură să fie compacte, cu cerințe de suprafață mult mai mici decât alternativele pe bază de polimeri-. Pentru o anumită sarcină, un schimbător de carcasă SiC-și-tub poate avea o-treime din dimensiunea unei unități de PTFE și o-jumătate din dimensiunea unei unități de grafit.
Limitări și considerații de proiectare
fragilitate și șoc mecanic
SiC este o ceramică și, prin urmare, fragilă. Nu se deformează plastic; se fracturează atunci când este supus unei solicitări excesive de tracțiune, impact sau șoc termic sever. Manipularea în timpul instalării necesită îngrijire: fără lovire, fără încărcări grele pe duze și fără conducte nealiniate care ar impune momente de încovoiere. Conexiunile de conducte trebuie să utilizeze cuplaje flexibile sau rosturi de dilatare. Funcționarea trebuie să evite loviturile de berbec, creșterea bruscă a presiunii sau schimbările rapide de temperatură care depășesc ratele recomandate (de obicei 10-15 grade pe minut pentru SiC).
Rezistenta la socuri termice
În comparație cu alte ceramice, SiC are o rezistență relativ bună la șoc termic datorită conductivității sale termice ridicate și coeficientului de dilatare moderat. Cu toate acestea, nu este imun. Scăderea bruscă-de exemplu, introducerea apei reci într-un schimbător de SiC fierbinte-poate cauza crăpare. Ciclul de temperatură trebuie controlat. Pentru aplicațiile cu cicluri termice frecvente, proiectanții pot reduce gradientul de temperatură maxim admisibil.
Cost ridicat
Schimbătoarele de căldură SiC sunt semnificativ mai scumpe decât cele fabricate din PTFE, grafit sau aliaje de metal exotic, cum ar fi tantalul sau titanul. Factorii de cost includ materia primă de-puritate ridicată, procesul de sinterizare-intensiv de energie și prelucrarea și asamblarea specializate necesare (tuburile și foile tubulare din SiC sunt de obicei îmbinate cu etanșări mecanice sau fitinguri de compresie, deoarece sudarea nu este posibilă). Cu toate acestea, în aplicațiile critice în care timpul de oprire pentru înlocuire este măsurat în zile și pierderea de producție în milioane de dolari, durata lungă de viață a SiC justifică investiția inițială.
Lungime maximă limitată a tubului
Constrângerile de producție limitează lungimile tuburilor de SiC la 2–3 metri (6–10 picioare) pentru diametre de 12–25 mm. Tuburile cu diametru mai mare sau lungimi mai mari sunt posibile, dar devin exponențial mai scumpe. Acest lucru impune limitări de proiectare pentru schimbătoarele cu carcasă-și-tuburilor, necesitând adesea mai multe treceri sau carcase mai mari.
Comparația materialelor pentru serviciul de șlamuri corozive/abrazive
Următorul tabel compară materialele cheie utilizate în schimbătoarele de căldură pentru servicii dificile.
| Material | Rezistenta la abraziune | Rezistență la coroziune (acizi) | Conductivitate termică (W/m·K) | Cost relativ (per kW) | Temperatură maximă tipică (grade) |
|---|---|---|---|---|---|
| Carbură de siliciu (SiC) | Excelent | Excelent (aproape-universal) | 100–200 | Ridicat | >500 |
| PTFE | Sărac | Excelent | ~0.25 | Moderat | 260 |
| Grafit (fenolic) | Sărac (moale) | Bun (ne-oxidant) | 80–120 | Moderat | 200 |
| Tantal | Bun (metal) | Excelent (acizi cu excepția HF) | 55–60 | Foarte sus | 300 |
| Titan (gradul 12) | Corect | Bun (fără HF, fără acizi reducători puternici) | 15–20 | Moderat | 300 |
| Hastelloy C-276 | Corect | Bun (dar cu sâmburi în cloruri) | 10–12 | Moderat | 400 |
| Oțel căptușit-PTFE | Slab (căptușeala se erodează) | Excelent | 0,25 (plus rezistența peretelui) | Scăzut spre moderat | 260 |
SiC este singurul care oferă simultan o rezistență excelentă la abraziune, o rezistență la coroziune aproape-universală și o conductivitate termică ridicată. Niciun alt material nu combină toate cele trei atribute.
Configurații tipice ale schimbătorului de căldură
Shell-și-tub cu tuburi SiC
Cea mai comună configurație pentruschimbător de căldură cu carbură de siliciu șlam abraziv corosivsarcinile este designul carcasei-și-tubului. Tuburile din SiC (de obicei cu diametrul interior de 12–25 mm, grosimea peretelui de 1,5–3 mm) sunt asamblate în foi de SiC sau metal. Suspensia corozivă curge în interiorul tuburilor (sau în exterior, în funcție de proiectare), în timp ce un fluid de serviciu-apă de răcire, abur sau ulei termic- curge pe partea carcasei. Carcasa în sine este de obicei realizată din oțel carbon sau oțel inoxidabil, adesea căptușită cu PTFE sau cauciuc, dacă fluidul-lateral de carcasă este și el coroziv.
Baionetă și încălzitoare cu imersie
Pentru încălzirea rezervorului sau răcirea șlamurilor abrazive sunt disponibile încălzitoare cu imersie SiC și tuburi baionetă. O baionetă constă dintr-un tub interior și un tub exterior închis-capăt; fluidul de serviciu curge prin inel. Aceste modele sunt utilizate în rezervoarele de digestie cu dioxid de titan și în depozitarea acizilor minerali unde este necesară încălzirea fundului.
Schimbătoare de căldură în bloc (mai puțin frecvente)
În timp ce schimbătoarele de blocuri de grafit sunt obișnuite, schimbătoarele de blocuri SiC există, dar sunt specificate mai rar din cauza complexității și costului de fabricație. Duritatea mare a SiC face dificilă găurirea marilor de trecere densă. Când sunt necesare modele de bloc, se folosesc grafit impregnat cu carbură de siliciu-sau blocuri de SiC recristalizate.
Aplicații în industrie
Concentrarea și recuperarea acidului sulfuric
În producerea acidului sulfuric concentrat din fluxurile de acid uzat (de exemplu, din procesele de nitrare sau alchilare), acidul este încălzit sub vid pentru a evapora apa. Prezența metalelor dizolvate, a reziduurilor organice și uneori a particulelor solide de carbon creează un amestec corosiv, abraziv. Schimbătoarele de căldură SiC servesc ca refierbe și condensatoare, oferind o durată lungă de viață în cazul în care grafitul sau tantalul ar eșua prin eroziune sau coroziune.
Producția de dioxid de titan (TiO₂).
Procesul de sulfatare pentru pigmentul TiO₂ implică digerarea minereului de ilmenit cu acid sulfuric concentrat fierbinte. Suspensia rezultată conține particule de minereu nedigerate în suspensie și sulfați de fier dizolvați. Răcirea acestui nămol abraziv extrem de coroziv este esențială pentru cristalizarea în aval. Schimbătoarele-și-tuburilor SiC sunt standard în instalațiile moderne de TiO₂, înlocuind modelele anterioare care necesitau înlocuirea frecventă a tubului.
Mineritul și Hidrometalurgia
Leșierea în grămada de minereuri de cupru, aur și nichel utilizează acid sulfuric sau soluții de cianură. Atunci când soluțiile de leșiere gravide sunt încălzite pentru a îmbunătăți recuperarea metalului și când aceste soluții conțin particule fine de argilă sau minereu, schimbătoarele de căldură SiC oferă servicii de încredere. În autoclavele de oxidare sub presiune (POX) pentru minereurile de aur refractare, serpentinele de răcire SiC sunt utilizate în mediul de nămol abraziv, extrem de coroziv.
Producția de produse chimice de specialitate
Intermediarii clorurați, substanțele fluorochimice și unele procese farmaceutice implică acizi fierbinți, concentrați, cu particule de catalizator. Schimbătoarele de căldură SiC sunt specificate acolo unde timpul de nefuncționare pentru înlocuire este inacceptabil și unde contaminarea cu metal de la tuburile din aliaj corodate nu poate fi tolerată.
Cele mai bune practici de proiectare și operaționale
Pentru a obține o durată de viață maximă de la un schimbător de căldură SiC, se recomandă următoarele practici:
Instalați racorduri flexibile pentru țevila toate duzele pentru a preveni transmiterea încordării sau vibrațiilor țevii.
Furnizați dispozitive de reducere a presiuniipentru a proteja împotriva expansiunii termice a fluidelor prinse.
Controlați ratele de schimbare a temperaturiipentru a evita șocul termic; limitați rampele de încălzire și răcire la 10-15 grade pe minut.
Preveniți ciocanul de berbecprin utilizarea supapelor cu închidere lentă-și asigurându-vă că condensul este evacuat din sistemele de abur.
Folosiți garnituri adecvate:PTFE sau PTFE expandat (ePTFE) sunt adecvate; nu utilizați niciodată garnituri din grafit (care provoacă coroziune galvanică în contact cu SiC? De fapt, grafitul este compatibil, dar poate curge; PTFE este standard).
Inspectați periodicpentru fisuri sau scurgeri folosind metode ne-distructive, cum ar fi testarea emisiei acustice sau a presiunii.
Manipulați tuburile de rezervă cu grijă; depozitați-le în suporturi căptușite pentru a evita ciobirea marginilor.
Evoluții viitoare
Schimbătoarele de căldură ceramice avansate care utilizează SiC recristalizat și carbură de siliciu sinterizată continuă să evolueze. Se dezvoltă fabricarea aditivă (imprimare 3D) a componentelor SiC, care ar putea permite geometrii complexe de curgere și colectoare integrale, reducând numărul de îmbinări și potențialele puncte de scurgere. Compozitele cu matrice ceramică cu carbură de siliciu-carbură de siliciu (SiC/SiC) oferă o rezistență îmbunătățită la rupere, reducând riscul defecțiunii catastrofale. Aceste evoluții pot reduce costurile și pot extinde aplicațiile în medii și mai solicitante, cum ar fi oxidarea supercritică a apei și transferul de căldură cu sare topită.
Concluzie
Schimbătoarele de căldură cu carbură de siliciu rezolvă problema combinată a coroziunii severe și a abraziunii, justificând costul lor ridicat în aplicații critice, cu durată lungă{0}}de viață. Acolo unde sunt prezente atât acizi concentrați, cât și particule solide abrazive-ca în concentrația de acid sulfuric, producția de TiO₂ și suspensiile hidrometalurgice-niciun alt material nu oferă aceeași combinație de duritate extremă, rezistență chimică universală și conductivitate termică ridicată. fragilitatea și costul SiC rămân limitări semnificative, dar pentru procesele în care timpul de nefuncționare este măsurat în producție pierdută în valoare de milioane de dolari pe zi, fiabilitatea unuischimbător de căldură cu carbură de siliciu șlam abraziv corosivsistem oferă o rentabilitate convingătoare a investiției. Ceramica avansată extinde anvelopa a ceea ce este posibil în transferul de căldură, iar SiC conduce în prezent această expansiune.
