뜨겁고 농축된 산과 연마성 고체 입자가 결합된 공정은 살아남을 수 있는 재료가 거의 없다는 이중 과제를 제시합니다. 탄화규소(SiC) 열교환기는 이러한 혹독한 조건에 맞게 설계되어 폴리머나 금속과는 비교할 수 없는 경도와 화학적 불활성의 조합을 제공합니다. 부식과 침식이 동시에 존재하는 광업, 습식 야금술 및 고급 화학 생산에서 SiC는 수년 동안 고장 없이 안정적으로 작동해야 하는 열 전달 장비를 위한 선택 재료로 부상했습니다.
엔지니어링 재료로서 탄화규소란 무엇입니까?
탄화 규소는 2000도 이상의 온도에서 규사와 석유 코크스가 반응하여 생성되는 합성 세라믹 재료입니다. 열교환기 용도에는 고순도, 무압력-소결 또는 재결정 SiC가 사용됩니다. 생성된 물질은 매우 단단하며-모스 규모에서 다이아몬드와 탄화붕소 다음으로 두 번째이며-거의-범용 내화학성을 나타냅니다.
열교환기와 관련된 SiC의 주요 특성은 다음과 같습니다.
경도:모스 척도 9.5(9의 텅스텐 카바이드, 7-8의 경화강과 비교)
열전도율:100-200 W/m·K(등급 및 온도에 따라 다름), 탄소강과 비슷하고 PTFE 또는 흑연을 훨씬 초과합니다.
최대 서비스 온도:불활성 대기에서 800도를 초과합니다. 산화성 산의 경우 실제 한계는 낮지만 여전히 폴리머보다 훨씬 높습니다.
열팽창 계수:약 4.0–4.5 × 10⁻⁶ / K, 많은 금속에 가깝고 하이브리드 설계에서 열 응력 감소
부식성 및 연마성 결합 서비스의 장점
마모 저항
SiC의 극도의 경도는 고체 입자로 인한 침식에 대한 탁월한 저항성을 제공합니다. 광물 농축 침출, 이산화티타늄 생성 또는 촉매 회수와 같은-슬러리 관련 공정에서-뜨거운 산에 부유하는 고체 입자는 금속 튜브, PTFE 라이너, 심지어 흑연을 통해 빠르게 마모됩니다. SiC 튜브는 이러한 환경에서 수년간 사용 후에도 마모가 최소화됩니다. SiC의 침식률은 일반적으로 동일한 슬러리 조건에서 스테인리스강이나 PTFE보다 1~2배 정도 낮습니다.
부식 저항
탄화규소는 몇 가지 예외를 제외하고 거의 모든 부식성 매체에 대해 화학적으로 불활성입니다. 그것은 저항합니다:
전체 농도 범위에 걸쳐 모든 무기산(황산, 염산, 질산, 인산, 불화수소산)
알칼리(수산화나트륨, 수산화칼륨) 최대 중간 농도 및 온도
유기용제, 염소화탄화수소, 산화제(온도 제한 있음)
유일하게 주목할 만한 화학적 공격은 고온(150도 이상)의 강알칼리와 매우 높은 농도의 불화수소산에서 발생합니다. 대부분의 공격적인 화학 공정에서 SiC는 모든 금속이나 폴리머보다 뛰어난 보편적인 저항성을 제공합니다.
높은 열전도율
A 탄화규소 열교환기 부식성 연마성 슬러리응용 분야는 100~200W/m·K-PTFE의 약 50배이고 탄소강과 비슷한 SiC의 열전도율로부터 직접적인 이점을 얻습니다. 이를 통해 열교환기는 폴리머- 기반 대체 제품보다 훨씬 낮은 표면적 요구 사항으로 소형화할 수 있습니다. 주어진 임무에 대해 SiC 쉘-및-튜브 교환기는 크기가-PTFE 장치의 1/3이고{10}}흑연 장치의 절반 크기일 수 있습니다.
제한 사항 및 설계 고려 사항
취성 및 기계적 충격
SiC는 세라믹이므로 부서지기 쉽습니다. 소성 변형되지 않습니다. 과도한 인장 응력, 충격 또는 심한 열충격을 받으면 파손됩니다. 설치 중 취급 시 주의가 필요합니다. 망치로 두드리는 일이 없고, 노즐에 무거운 하중이 가해지지 않으며, 굽힘 모멘트를 가할 수 있는 잘못 정렬된 배관이 있어서는 안 됩니다. 배관 연결에는 유연한 커플링이나 확장 조인트를 사용해야 합니다. 작동 시 워터 해머, 급격한 압력 서지 또는 권장 속도(일반적으로 SiC의 경우 분당 10~15도)를 초과하는 급격한 온도 변화를 피해야 합니다.
열충격 저항
다른 세라믹에 비해 SiC는 열전도율이 높고 팽창 계수가 적당하기 때문에 열충격 저항성이 비교적 좋습니다. 그러나 면역되지는 않습니다. 갑작스러운 담금질-예를 들어 뜨거운 SiC 교환기에 찬 물을 도입하면-균열이 발생할 수 있습니다. 온도 순환을 제어해야 합니다. 열 순환이 빈번한 응용 분야의 경우 설계자는 허용되는 최대 온도 변화도를 낮출 수 있습니다.
높은 비용
SiC 열교환기는 PTFE, 흑연 또는 탄탈륨이나 티타늄과 같은 이국적인 금속 합금으로 만든 열교환기에 비해 훨씬 비쌉니다. 비용 동인에는 고순도 원자재, 에너지 집약적-소결 공정, 특수 기계 가공 및 조립이 포함됩니다. SiC 튜브 및 튜브시트는 일반적으로 용접이 불가능하므로 기계적 밀봉 또는 압축 피팅을 사용하여 결합됩니다. 그러나 교체를 위한 가동 중지 시간이 며칠 단위로 측정되고 생산 손실이 수백만 달러에 달하는 중요한 응용 분야에서는 SiC의 긴 서비스 수명이 초기 투자를 정당화합니다.
제한된 최대 튜브 길이
제조 제약으로 인해 SiC 튜브 길이는 일반적으로 직경 12~25mm에 대해 2~3미터(6~10피트)로 제한됩니다. 더 큰 직경의 튜브나 더 긴 길이가 가능하지만 기하급수적으로 더 많은 비용이 듭니다. 이는 쉘-및-튜브 교환기에 설계 제한을 가하며 종종 여러 패스 또는 더 큰 쉘이 필요합니다.
부식성/연마성 슬러리 서비스용 재료 비교
다음 표에서는 까다로운 서비스를 위해 열교환기에 사용되는 주요 재료를 비교합니다.
| 재료 | 마모 저항 | 부식 저항성(산) | 열전도율(W/m·K) | 상대 비용(kW당) | 일반적인 최대 온도(도) |
|---|---|---|---|---|---|
| 실리콘 카바이드(SiC) | 훌륭한 | 훌륭함(-유니버설에 가까움) | 100–200 | 높은 | >500 |
| PTFE | 가난한 | 훌륭한 | ~0.25 | 보통의 | 260 |
| 흑연(페놀) | 나쁨 (부드러움) | 좋음(-산화되지 않음) | 80–120 | 보통의 | 200 |
| 탄탈 | 좋음(금속) | 우수(HF를 제외한 산) | 55–60 | 매우 높음 | 300 |
| 티타늄(12등급) | 공정한 | 양호(HF 없음, 강한 환원산 없음) | 15–20 | 보통의 | 300 |
| 하스텔로이 C-276 | 공정한 | 좋음(그러나 염화물에 구멍이 있음) | 10–12 | 보통의 | 400 |
| PTFE-라인 처리된 강철 | 나쁨(라이닝 침식) | 훌륭한 | 0.25(벽 저항 추가) | 낮음~보통 | 260 |
SiC는 뛰어난 내마모성, 거의-범용적인 내부식성 및 높은 열전도율을 동시에 제공하는 독보적인 제품입니다. 세 가지 특성을 모두 결합하는 다른 재료는 없습니다.
일반적인 열교환기 구성
쉘-및-SiC 튜브가 포함된 튜브
가장 일반적인 구성은탄화규소 열교환기 부식성 연마성 슬러리임무는 쉘-및-튜브 디자인입니다. SiC 튜브(일반적으로 내경 12~25mm, 벽 두께 1.5~3mm)는 SiC 또는 금속 튜브시트로 조립됩니다. 부식성 슬러리는 튜브 내부(또는 설계에 따라 외부)로 흐르고 서비스 유체-냉각수, 증기 또는 열 오일-은 셸 측면에서 흐릅니다. 쉘 자체는 일반적으로 탄소강 또는 스테인리스강으로 만들어지며, 쉘{11}} 측면 유체도 부식성이 있는 경우 PTFE 또는 고무로 라이닝되는 경우가 많습니다.
총검 및 침수 히터
연마성 슬러리의 탱크 가열 또는 냉각을 위해 SiC 침지 히터 및 총검 튜브를 사용할 수 있습니다. 총검은 내부 튜브와 외부 폐쇄형{1}}단부 튜브로 구성됩니다. 서비스 유체는 고리를 통해 흐릅니다. 이러한 설계는 바닥 가열이 필요한 이산화티타늄 분해 탱크 및 무기산 저장고에 사용됩니다.
블록 열 교환기(덜 일반적임)
흑연 블록 교환기는 일반적이지만 SiC 블록 교환기는 존재하지만 제조 복잡성과 비용으로 인해 덜 자주 지정됩니다. SiC의 높은 경도로 인해 밀도가 높은 통로 배열을 드릴링하기가 어렵습니다. 블록 설계가 필요한 경우 탄화규소-함침 흑연 또는 재결정화된 SiC 블록이 사용됩니다.
산업 응용
황산 농도 및 회수
폐산 흐름(예: 질화 또는 알킬화 공정)에서 진한 황산을 생산할 때 산은 진공 하에서 가열되어 물을 증발시킵니다. 용해된 금속, 유기 잔류물, 때로는 고체 탄소 입자가 존재하면 부식성, 마모성 혼합물이 생성됩니다. SiC 열교환기는 리보일러 및 응축기 역할을 하여 흑연이나 탄탈륨이 침식이나 부식으로 인해 손상되는 경우 긴 서비스 수명을 제공합니다.
이산화티타늄(TiO2) 생산
TiO2 안료의 황산염 공정에는 티탄철석 광석을 뜨거운 농축 황산으로 분해하는 과정이 포함됩니다. 생성된 슬러리에는 소화되지 않은 현탁 광석 입자와 용해된 황산철이 포함되어 있습니다. 부식성이 높고 연마성이 높은 이 슬러리를 냉각하는 것은 하류 결정화에 필수적입니다. SiC 쉘-및-튜브 교환기는 최신 TiO2 공장의 표준으로, 빈번한 튜브 교체가 필요한 이전 설계를 대체합니다.
광업 및 습식제련
구리, 금, 니켈 광석의 더미 침출에는 황산이나 시안화물 용액을 사용합니다. 금속 회수율을 향상시키기 위해 임신 침출 용액을 가열하는 경우, 그리고 해당 용액에 미세한 점토나 광석 입자가 포함되어 있는 경우 SiC 열 교환기는 안정적인 서비스를 제공합니다. 내화성 금광석을 위한 압력 산화(POX) 오토클레이브에서 SiC 냉각 코일은 부식성이 높고 마모성이 높은 슬러리 환경 내부에 사용됩니다.
특수화학제품 생산
염소화 중간체, 불소화학물질 및 일부 제약 공정에는 촉매 입자와 함께 뜨겁고 농축된 산이 포함됩니다. SiC 열교환기는 교체를 위한 가동 중지 시간이 허용되지 않고 부식된 합금 튜브로 인한 금속 오염이 허용될 수 없는 곳에 지정됩니다.
설계 및 운영 모범 사례
SiC 열교환기의 서비스 수명을 최대화하려면 다음 방법을 따르는 것이 좋습니다.
유연한 파이프 연결 설치배관의 변형이나 진동이 전달되는 것을 방지하기 위해 모든 노즐에 설치하십시오.
압력 완화 장치 제공갇힌 유체의 열팽창을 방지합니다.
온도 변화율 제어열충격을 피하기 위해; 가열 및 냉각 램프를 분당 10~15도로 제한합니다.
워터해머 방지천천히 닫히는- 밸브를 사용하고 증기 시스템에서 응축수가 배출되도록 합니다.
적절한 개스킷을 사용하십시오.PTFE 또는 ePTFE(확장 PTFE)가 적합합니다. 흑연 개스킷은 절대로 사용하지 마십시오(SiC와 접촉 시 갈바닉 부식을 유발합니까? 실제로 흑연은 호환 가능하지만 누출될 수 있습니다. PTFE가 표준입니다).
정기적으로 검사음향 방출이나 압력 테스트와 같은 비파괴적인 방법을 사용하여 균열이나 누출을 확인합니다.-
예비 튜브를 주의해서 다루십시오.; 가장자리가 부서지는 것을 방지하기 위해 패딩 처리된 랙에 보관하십시오.
향후 개발
재결정화된 SiC와 소결 탄화규소를 사용하는 고급 세라믹 열교환기는 계속 발전하고 있습니다. SiC 부품의 적층 제조(3D 프린팅)가 개발되고 있으며, 이를 통해 복잡한 흐름 형상과 일체형 매니폴드를 허용하여 조인트 수와 잠재적인 누출 지점을 줄일 수 있습니다. 탄화규소-탄화규소(SiC/SiC) 세라믹 매트릭스 복합재는 향상된 파괴 인성을 제공하여 치명적인 고장 위험을 줄입니다. 이러한 개발은 비용을 낮추고 초임계수 산화 및 용융염 열 전달과 같은 더욱 까다로운 환경으로 응용 분야를 확장할 수 있습니다.
결론
탄화규소 열교환기는 심각한 부식과 마모의 결합된 문제를 해결하여 중요하고 수명이 긴 응용 분야에서 높은 비용을 정당화합니다.- 황산 농도, TiO2 생성 및 습식 야금 슬러리와 같이 농축된 산과 연마성 고체 입자가 모두 존재하는 경우-다른 어떤 재료도 극강의 경도, 보편적인 화학적 저항성 및 높은 열 전도성의 동일한 조합을 제공하지 않습니다. SiC의 취약성과 비용은 여전히 상당한 한계로 남아 있지만 가동 중지 시간이 하루 수백만 달러에 달하는 생산 손실로 측정되는 공정의 경우 SiC의 신뢰성은탄화규소 열교환기 부식성 연마성 슬러리시스템은 매력적인 투자 수익을 제공합니다. 고급 세라믹은 열 전달의 가능성을 확장하고 있으며 SiC는 현재 이러한 확장을 주도하고 있습니다.
