Issiq, konsentrlangan kislotalar va abraziv qattiq zarralar bilan birlashtirilgan jarayonlar ikki tomonlama qiyinchilik tug'diradi, bu esa bir nechta materiallar omon qolishi mumkin. Silikon karbid (SiC) issiqlik almashtirgichlari polimerlar yoki metallar bilan taqqoslanmaydigan qattiqlik va kimyoviy inertlikning kombinatsiyasini taklif qiluvchi aynan shu jazolash shartlari uchun ishlab chiqilgan. Bir vaqtning o'zida korroziya va eroziya mavjud bo'lgan konchilik, gidrometallurgiya va ilg'or kimyoviy ishlab chiqarishda SiC yillar davomida ishonchli ishlashi kerak bo'lgan issiqlik uzatish uskunalari uchun tanlov materiali sifatida paydo bo'ldi.
Silikon karbid muhandislik materiali sifatida nima?
Silikon karbid - 2000 darajadan yuqori haroratlarda silika qumi va neft koksining reaktsiyasi natijasida ishlab chiqarilgan sintetik keramik material. Issiqlik almashtirgich ilovalari uchun yuqori{2}}tozalik, bosimsiz-sinterlangan yoki qayta kristallangan SiC ishlatiladi. Olingan material Mohs shkalasi boʻyicha-olmos va bor karbididan keyin ikkinchi oʻrinda turadi va-universal kimyoviy qarshilik koʻrsatadi.
Issiqlik almashinuvchilari uchun SiC ning asosiy xususiyatlari quyidagilardan iborat:
Qattiqlik:Mohs shkalasi bo'yicha 9,5 (volfram karbid bilan solishtiring 9, qotib qolgan po'lat 7-8)
Issiqlik o'tkazuvchanligi:100–200 Vt/m·K (navbat va haroratga qarab), uglerodli po'lat bilan solishtirish mumkin va PTFE yoki grafitdan ancha yuqori
Maksimal xizmat ko'rsatish harorati:Inert atmosferada 800 darajadan oshadi; oksidlovchi kislotalarda amaliy chegaralar pastroq, lekin hali ham polimerlardan ancha yuqori
Issiqlik kengayish koeffitsienti:Taxminan 4,0–4,5 × 10⁻⁶ / K, ko'plab metallarga yaqin, gibrid dizaynlarda termal stressni kamaytiradi
Kombinatsiyalangan korroziv va abraziv xizmatning afzalliklari
Aşınmaya qarshilik
SiC ning haddan tashqari qattiqligi qattiq zarrachalarning eroziyasiga ajoyib qarshilik ko'rsatadi. Mineral konsentratlarni yuvish, titan dioksidi ishlab chiqarish yoki katalizatorni qayta tiklash- kabi atalalarni oʻz ichiga olgan jarayonlarda-issiq kislotada toʻxtatilgan qattiq zarrachalar metall quvurlar, PTFE qoplamalari va hatto grafit orqali tez eskiradi. SiC quvurlari bunday muhitda ko'p yillik xizmatdan keyin minimal eskirishni ko'rsatadi. SiC ning eroziya tezligi odatda bir xil atala sharoitida zanglamaydigan po'latdan yoki PTFEdan bir-ikki daraja pastroqdir.
Korroziyaga qarshilik
Silikon karbid deyarli barcha korroziy muhitlarga kimyoviy jihatdan inertdir, faqat bir nechta istisnolar. U qarshilik ko'rsatadi:
Barcha mineral kislotalar (sulfat, xlorid, azot, fosfor, gidroflorik) to'liq konsentratsiya oralig'ida
Ishqorlar (natriy gidroksidi, kaliy gidroksidi) o'rtacha konsentratsiya va haroratgacha
Organik erituvchilar, xlorli uglevodorodlar va oksidlovchi moddalar (harorat chegaralari bilan)
Yagona sezilarli kimyoviy hujum yuqori haroratlarda (150 darajadan yuqori) kuchli ishqorlarda va juda yuqori konsentratsiyalarda gidroflorik kislotada sodir bo'ladi. Agressiv kimyoviy jarayonlarning aksariyati uchun SiC har qanday metall yoki polimerdan ustun bo'lgan universal qarshilikni ta'minlaydi.
Yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi
A kremniy karbid issiqlik almashinuvchisi korroziv abraziv ataladastur SiC ning issiqlik o'tkazuvchanligidan to'g'ridan-to'g'ri foyda oladi, u 100 dan 200 Vt/m·K-PTFEdan taxminan 50 baravar ko'p va uglerodli po'lat bilan solishtirish mumkin. Bu issiqlik almashtirgichlarni ixcham bo'lishiga imkon beradi, sirt maydoni talablari polimer asosidagi muqobillarga qaraganda ancha past. Belgilangan vazifa uchun SiC qobig'i-va{8}}trubka almashtirgichi PTFE birligining-uchdan bir qismi va-grafit blokining o'lchamining yarmiga teng bo'lishi mumkin.
Cheklovlar va dizayn masalalari
Mo'rtlik va mexanik zarba
SiC keramika va shuning uchun mo'rt. U plastik deformatsiyalanmaydi; haddan tashqari kuchlanish, zarba yoki kuchli termal zarba ta'sirida sinadi. O'rnatish vaqtida ishlov berish ehtiyotkorlikni talab qiladi: bolg'acha urish, nozullarga og'ir yuk tushmaslik va egilish momentlarini keltirib chiqaradigan noto'g'ri chiziqli quvurlar yo'q. Quvurlarni ulashda moslashuvchan muftalar yoki kengaytiruvchi birikmalar qo'llanilishi kerak. Ishlash suv bolg'asi, keskin bosim ko'tarilishi yoki tavsiya etilgan me'yorlardan oshib ketadigan haroratning tez o'zgarishiga yo'l qo'ymaslik kerak (odatda SiC uchun daqiqada 10-15 daraja).
Termal zarba qarshiligi
Boshqa keramika bilan solishtirganda, SiC yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi va o'rtacha kengayish koeffitsienti tufayli nisbatan yaxshi termal zarba qarshiligiga ega. Biroq, u immunitetga ega emas. To'satdan o'chirish-masalan, issiq SiC almashtirgichga sovuq suv kiritish-yorilishga olib kelishi mumkin. Harorat aylanishini nazorat qilish kerak. Tez-tez termal velosipedda ishlaydigan ilovalar uchun dizaynerlar maksimal ruxsat etilgan harorat gradientini kamaytirishi mumkin.
Yuqori narx
SiC issiqlik almashinuvchilari PTFE, grafit yoki tantal yoki titan kabi ekzotik metall qotishmalaridan tayyorlanganidan sezilarli darajada qimmatroq. Xarajat omillariga yuqori-tozalikdagi xom ashyo, energiya{2}}intensiv sinterlash jarayoni va zarur bo'lgan maxsus ishlov berish va yig'ish kiradi (SiC quvurlari va quvurlari odatda mexanik muhrlar yoki siqish armaturalari bilan birlashtiriladi, chunki payvandlash mumkin emas). Biroq, almashtirish uchun ishlamay qolish muddati kunlar bilan o'lchanadigan va ishlab chiqarishni yo'qotadigan millionlab dollarlar bilan o'lchanadigan muhim ilovalarda SiC ning uzoq xizmat qilish muddati dastlabki investitsiyalarni oqlaydi.
Cheklangan maksimal quvur uzunligi
Ishlab chiqarish cheklovlari SiC trubkasi uzunligini 12-25 mm diametrli odatda 2-3 metr (6-10 fut) bilan cheklaydi. Kattaroq diametrli quvurlar yoki uzunroq uzunliklar mumkin, ammo ular eksponent ravishda qimmatroq bo'ladi. Bu qobiq{8}}va{9}}trubka almashtirgichlar uchun dizayn cheklovlarini qo'yadi, ko'pincha bir nechta o'tish yoki kattaroq qobiqlarni talab qiladi.
Korroziv/abraziv atala xizmati uchun materiallarni taqqoslash
Quyidagi jadvalda qiyin xizmatlar uchun issiqlik almashtirgichlarda ishlatiladigan asosiy materiallar taqqoslanadi.
| Material | Aşınmaya qarshilik | Korroziyaga qarshilik (kislotalar) | Issiqlik o'tkazuvchanligi (Vt/m·K) | Nisbiy xarajat (kVt uchun) | Odatda maksimal harorat (daraja) |
|---|---|---|---|---|---|
| Silikon karbid (SiC) | Ajoyib | Zo'r (-universalga yaqin) | 100–200 | Yuqori | >500 |
| PTFE | Bechora | Ajoyib | ~0.25 | O'rtacha | 260 |
| Grafit (fenol) | Yomon (yumshoq) | Yaxshi (-oksidlanmaydigan) | 80–120 | O'rtacha | 200 |
| Tantal | Yaxshi (metall) | Zo'r (HFdan tashqari kislotalar) | 55–60 | Juda baland | 300 |
| Titan (12-sinf) | Yarmarka | Yaxshi (HF yo'q, kuchli qaytaruvchi kislotalar yo'q) | 15–20 | O'rtacha | 300 |
| Hastelloy C-276 | Yarmarka | Yaxshi (lekin xloridlarda chuqurlik) | 10–12 | O'rtacha | 400 |
| PTFE{0}}qoplamali po'lat | Kambag'al (astar eroziyalanadi) | Ajoyib | 0,25 (ortiqcha devor qarshiligi) | Past va o'rtacha | 260 |
SiC bir vaqtning o'zida mukammal ishqalanishga chidamlilik, deyarli universal korroziyaga-qarshilik va yuqori issiqlik o'tkazuvchanligini taklif qilishda yakka o'zi. Boshqa hech qanday material uchta xususiyatni birlashtirmaydi.
Odatda issiqlik almashtirgich konfiguratsiyasi
Shell-va-SiC quvurlari bilan naycha
uchun eng keng tarqalgan konfiguratsiyakremniy karbid issiqlik almashinuvchisi korroziv abraziv atalavazifalari qobiq-va{1}}truba dizaynidir. SiC quvurlari (odatda ichki diametri 12-25 mm, devor qalinligi 1,5-3 mm) SiC yoki metall quvurlarga yig'iladi. Korroziv shlak quvurlar ichida (yoki dizaynga qarab tashqarida) oqadi, xizmat ko'rsatish suyuqligi-sovutish suvi, bug' yoki termal moy-qobiq tomonida oqadi. Qobiqning o'zi odatda karbonli po'latdan yoki zanglamaydigan po'latdan yasalgan bo'lib, agar qobiq yonidagi suyuqlik ham korroziy bo'lsa, ko'pincha PTFE yoki kauchuk bilan qoplangan.{11}}
Bayonet va suv isitgichlari
Tankni isitish yoki abraziv shlamlarni sovutish uchun SiC immersion isitgichlar va nayzali quvurlar mavjud. Nayuz ichki truba va tashqi yopiq-oxirgi trubadan iborat; xizmat suyuqligi halqa orqali oqadi. Ushbu dizaynlar titanium dioksid hazm qilish tanklarida va pastki isitish zarur bo'lgan mineral kislotalarni saqlashda qo'llaniladi.
Blokli issiqlik almashinuvchilari (kamroq)
Grafit blokli almashtirgichlar keng tarqalgan bo'lsa-da, SiC blokli almashtirgichlar mavjud, ammo ishlab chiqarishning murakkabligi va narxi tufayli kamroq aniqlanadi. SiC ning yuqori qattiqligi zich o'tish massivlarini burg'ulashni qiyinlashtiradi. Blok dizayni zarur bo'lganda, kremniy karbid-singdirilgan grafit yoki qayta kristallangan SiC bloklari ishlatiladi.
Sanoatdagi ilovalar
Sulfat kislota konsentratsiyasi va qayta tiklanishi
Ishlatilgan kislota oqimidan konsentrlangan sulfat kislota ishlab chiqarishda (masalan, nitrlash yoki alkillanish jarayonlarida) kislota suvni bug'lantirish uchun vakuum ostida qizdiriladi. Erigan metallar, organik qoldiqlar va ba'zan qattiq uglerod zarralari mavjudligi korroziy, abraziv aralashmani hosil qiladi. SiC issiqlik almashtirgichlari grafit yoki tantalning eroziya yoki korroziya bilan ishlamay qolishi mumkin bo'lgan uzoq xizmat muddatini ta'minlaydigan qayta qozon va kondensator sifatida xizmat qiladi.
Titan dioksidi (TiO₂) ishlab chiqarish
TiO₂ pigmenti uchun sulfat jarayoni ilmenit rudasini issiq konsentrlangan sulfat kislota bilan hazm qilishni o'z ichiga oladi. Olingan atala tarkibida to'xtatilgan hazm bo'lmagan ruda zarralari va erigan temir sulfatlar mavjud. Bu yuqori korroziv, abraziv atalani sovutish quyi oqimdagi kristallanish uchun zarurdir. SiC qobig'i-va-truba almashtirgichlari zamonaviy TiO₂ zavodlarida standart bo'lib, quvurlarni tez-tez almashtirishni talab qiladigan oldingi dizaynlarni almashtiradi.
Konchilik va gidrometallurgiya
Mis, oltin va nikel rudalarini yigʻib yuvishda sulfat kislota yoki sianid eritmalaridan foydalaniladi. Homilador yuvish eritmalari metallning qayta tiklanishini yaxshilash uchun qizdirilganda va bu eritmalar nozik loy yoki ruda zarralarini o'z ichiga olgan bo'lsa, SiC issiqlik almashinuvchilari ishonchli xizmat ko'rsatadi. Olovga chidamli oltin rudalari uchun bosimli oksidlanish (POX) avtoklavlarida SiC sovutish bobinlari yuqori korroziv, abraziv atala muhitida ishlatiladi.
Maxsus kimyoviy mahsulotlar ishlab chiqarish
Xlorli oraliq mahsulotlar, ftorokimyoviy moddalar va ba'zi farmatsevtik jarayonlar katalizator zarralari bilan issiq, konsentrlangan kislotalarni o'z ichiga oladi. SiC issiqlik almashinuvchilari almashtirish uchun to'xtab qolish vaqtlari qabul qilinishi mumkin bo'lmagan va korroziyaga uchragan qotishma quvurlardan metall ifloslanishiga yo'l qo'yib bo'lmaydigan hollarda ko'rsatiladi.
Dizayn va operatsion eng yaxshi amaliyotlar
SiC issiqlik almashinuvchisidan maksimal xizmat muddatiga erishish uchun quyidagi amaliyotlar tavsiya etiladi:
Moslashuvchan quvur ulanishlarini o'rnatingquvur kuchlanishini yoki tebranishini uzatishni oldini olish uchun barcha nozullarda.
Bosim o'chirish moslamalari bilan ta'minlangtutilgan suyuqliklarning termal kengayishidan himoya qilish uchun.
Haroratni o'zgartirish tezligini nazorat qilishtermal zarba oldini olish uchun; isitish va sovutish rampalarini daqiqada 10-15 darajaga cheklash.
Suv bolg'asining oldini olishsekin{0}}yopish klapanlari yordamida va bug 'tizimlaridan kondensat oqib chiqishini ta'minlash orqali.
Tegishli qistirmalardan foydalaning:PTFE yoki kengaytirilgan PTFE (ePTFE) mos keladi; hech qachon grafit qistirmalarini ishlatmang (bu SiC bilan aloqa qilganda galvanik korroziyaga olib keladi? Aslida grafit mos keladi, lekin sizib chiqishi mumkin; PTFE standartdir).
Vaqti-vaqti bilan tekshiringakustik emissiya yoki bosim sinovi kabi buzmaydigan usullar yordamida-yoriqlar yoki oqish uchun.
Zaxira quvurlarni ehtiyotkorlik bilan ishlating; chetlari parchalanmasligi uchun ularni to'ldirilgan tokchalarda saqlang.
Kelajakdagi ishlanmalar
Qayta kristallangan SiC va sinterlangan kremniy karbiddan foydalanadigan ilg'or keramik issiqlik almashtirgichlar rivojlanishda davom etmoqda. SiC komponentlarini qo'shimcha ishlab chiqarish (3D bosib chiqarish) ishlab chiqilmoqda, bu murakkab oqim geometriyalari va integral manifoldlarga imkon beradi, bo'g'inlar sonini va potentsial oqish nuqtalarini kamaytiradi. Silikon karbid-kremniy karbid (SiC/SiC) keramik matritsali kompozitlar sinishning mustahkamligini ta'minlaydi va halokatli buzilish xavfini kamaytiradi. Ushbu ishlanmalar xarajatlarni kamaytirishi va ilovalarni o'ta kritik suv oksidlanishi va erigan tuzning issiqlik o'tkazuvchanligi kabi yanada talabchan muhitlarga kengaytirishi mumkin.
Xulosa
Silikon karbidli issiqlik almashtirgichlar jiddiy korroziya va aşınma muammosini hal qiladi, bu esa muhim, uzoq{0}}foydali ilovalarda ularning yuqori narxini oqlaydi. Konsentrlangan kislotalar ham, abraziv qattiq zarrachalar ham-sulfat kislota konsentratsiyasi, TiO₂ ishlab chiqarish va gidrometallurgik shlamlarda mavjud boʻlganda-hech bir material haddan tashqari qattiqlik, universal kimyoviy qarshilik va yuqori issiqlik oʻtkazuvchanligining bir xil kombinatsiyasini taʼminlamaydi. SiC ning mo'rtligi va narxi sezilarli cheklovlar bo'lib qolmoqda, ammo ishlamay qolish vaqti kuniga millionlab dollarlik ishlab chiqarishni yo'qotish bilan o'lchanadigan jarayonlar uchun ishonchliligikremniy karbid issiqlik almashinuvchisi korroziv abraziv atalatizim investitsiyalardan ishonchli daromad olishni ta'minlaydi. Ilg'or keramika issiqlik uzatishda mumkin bo'lgan konvertni kengaytirmoqda va SiC hozirda bu kengayishda etakchilik qilmoqda.
