Zamenjava korodiranega kovinskega toplotnega izmenjevalnika s trdnim fluoropolimerom ali enoto iz eksotične zlitine je draga. Napredne tehnologije premazov ponujajo tretjo pot: nanašanje tanke, kemično odporne pregrade na notranje površine običajnega kovinskega izmenjevalnika, kar močno podaljša njegovo življenjsko dobo ob delčku stroškov zamenjave. Na področju površinskega inženirstva je nova generacijanapreden toplotni izmenjevalnik s prevlekami, odpornimi proti korozijipojavljajo se sistemi-vključno s fluoropolimernimi razpršilnimi oblogami, nanokompozitnimi premazi in premazi s kemičnim naparjevanjem (CVD). Te tehnologije omogočajo kovinskim izmenjevalnikom toplote, da prenesejo agresivna kemična okolja, hkrati pa ohranijo mehansko trdnost in toplotno zmogljivost.
Fluoropolimerne razpršilne obloge: PTFE-kot zaščita na kovinskih podlagah
Fluoropolimerne razpršilne obloge predstavljajo zrelo, a stalno izboljšljivo tehnologijo za zaščito površin izmenjevalnika toplote. Praški PFA, ETFE, ECTFE in PVDF so elektrostatično razpršeni na kovinske podlage in nato stopljeni v neprekinjeno plast brez luknjic. Postopek nanašanja vključuje segrevanje podlage, elektrostatično pršenje fluoropolimernega prahu in ponavljanje, da se doseže želena debelina sloja-običajno do 1000 mikronov.-14
Ti premazi zagotavljajo odpornost proti koroziji-podobno kot PTFE, hkrati pa izboljšujejo mehansko trdnost osnovne kovinske lupine. Obloge po meri so izdelane iz debele plošče iz čistega fluoropolimera za uporabo v težkih kemičnih storitvah do 230 stopinj, z debelinami od 1,5 mm do 4,7 mm.-15 Materiali za prevleke-vključno s PTFE, PVDF, ETFE, ECTFE, PFA in FEP so izbrani na podlagi kemije procesa in temperaturnih zahtev.-14
Pomembna novost je obloga iz fluoropolimera bake-tipa (npr. NFX-2700), ki se uporablja za vsa področja v stiku s tekočino in plinom večcevnih izmenjevalnikov toplote. Takšni premazi omogočajo, da oprema prenese polni vakuum pri temperaturah od okolja do 800 stopinj, odvisno od specifičnega fluoropolimernega sistema.-
Ključne prednosti fluoropolimernih pršilnih oblog vključujejo:
Skoraj-univerzalna kemična odpornost, primerljiva s trdnimi fluoropolimernimi izmenjevalci
Ohranjanje stopnje tlaka in mehanske trdnosti kovinske podlage
Možnost naknadne vgradnje obstoječih izmenjevalcev namesto njihove popolne zamenjave
Neoprijemljiva, gladka površina, ki je odporna proti umazaniji in poenostavlja čiščenje
Vendar pa so ti premazi dovzetni za poškodbe zaradi termičnega cikla, če se koeficient toplotnega raztezanja bistveno razlikuje od kovinskega substrata, luknjice ali napake na premazu pa lahko povzročijo korozijo podrezovanja, če niso pravilno naneseni in pregledani.
Nanokompozitni premazi:-izboljšana zaščita z nanodelci
Obetaven razvoj korozijsko{0}}odpornih premazov je uporaba nanokompozitnih materialov-polimernih ali keramičnih matrik, prepojenih z nanodelci, za ustvarjanje gostih, zelo oprijemljivih pregrad z izboljšano odpornostjo proti koroziji in obrabi. Nanokompozitni premazi izkoriščajo edinstvene lastnosti nanodelcev (običajno 10–100 nm v premeru) za zapolnjevanje praznin, ustvarjanje vijugastih difuzijskih poti in izboljšanje mehanskih lastnosti, ki presegajo tisto, kar lahko dosežejo običajni premazi.
Nanokompozitne obdelave za reboilerje v rafinerijah
Iterativni razvojni proces je bil uporabljen za identifikacijo in sintezo polimerne nanokompozitne površinske obdelave, posebej zasnovane za zaščito pred korozijo, ki jo povzroča kopičenje kloridnih in sulfidnih soli v destilacijskih ponovnih kotlih.-20-21 Ta ne-fluorirana obdelava, uporabljena s standardnimi metodami pršenja, je pokazala vzdržljivost, primerljivo z-najsodobnejšimi premaznimi materiali, kemična odpornost na visoko kislinske in bazične raztopine ter odpornost proti koroziji, potrjena s testiranjem ASTM B117.-20-21 Združljiv do 350 stopinj, je material predlagal potencialno podvojitev življenjske dobe sistema reboilerja na podlagi uporabe podobnih materialov na terenu.-20-21
Nanokompozitni premazi Ni-Al₂O₃ in Ni-SiO₂
Raziskave so preučevale učinek nanokompozitnih prevlek Ni-Al₂O₃ na korozijo, odpornost proti obrabi in toplotno prevodnost ploščnih izmenjevalnikov toplote iz nerjavečega jekla 316. Ti premazi, razviti z galvanizacijo v Wattsovi kopeli s koncentracijo nanodelcev Al₂O₃ 10, 20 in 30 g/L, so pokazali znatne izboljšave učinkovitosti.-22 Nanokompozit Ni-Al₂O₃ s koncentracijo ojačitve 30 g/L je pokazal večjo korozijsko odpornost kot prevleke iz čistega niklja, odpornost proti obrabi do 15 % višja od neprevlečenega nerjavečega jekla 316 in koeficient trenja do 10 % nižji.-22 Mikrotrdota je bila izmerjena pri več kot trikratni mikrotrdoti nerjavečega jekla 316 pri vseh koncentracijah ojačitve, brez luščenja ali luščenja po testiranju adhezije.-22
Podobno so raziskali nanokompozitne prevleke Ni–SiO₂ za 316 aplikacij toplotnih izmenjevalcev iz nerjavečega jekla, ki podaljšujejo življenjsko dobo v korozivnih okoljih.- Brezelektrične kompozitne prevleke Ni–P–SiO₂ so pokazale odlično učinkovitost proti obraščanju in vrhunsko odpornost proti koroziji, pri čemer prevlečene cevi bistveno zmanjšajo pojav obraščanja v primerjavi z nepremazanimi površinami.-
Nastajajoče nanokompozitne inovacije
Nedavne inovacije vključujejo novo sendvič-strukturirano večnamensko kompozitno prevleko za toplotne izmenjevalnike dimnih plinov, ki jo sestavlja-površinska plast SiC/PFA, -odporna proti koroziji, vmesna plast iz fluoriranega grafena (FG)/PFA in vezni sloj PEEK.-1 Optimizirana formulacija je po tem ohranila strukturno celovitost 60-dnevna potopitev v 90 mas. % H₂SO₄ pri 140 stopinjah, kar kaže izboljšanje odpornosti proti koroziji za več kot dva reda velikosti.-1 Toplotna prevodnost se je povečala za 13–16 %, medtem ko je bil koeficient prenosa toplote s konvekcijsko kondenzacijo 1,7–1,9-krat večji kot pri kondenzaciji po filmu.-1
Še en preboj vključuje nanokompozitni premaz »rastnega-tipa«, ki tvori gosto anorgansko medsebojno prodirajočo mrežno polimerno plast s kemično reakcijo na površini kovinskega substrata, s čimer doseže kemično vez namesto fizičnega oprijema.-59 Ta premaz je pokazal nevtralno odpornost na slano prho, ki presega 20.000 ur, dolgoročno-toleranco na temperaturo do 1600 stopinj , trdoto 6H in zmožnostjo samo-celjenja – samodejno popravi mikrorazpoke, ko so poškodovane.-59
CVD premazi: ultra-tanka, konformna zaščita
Premazi s kemičnim naparjevanjem (CVD) ponujajo ultra-tanke, konformne ovire, ki zagotavljajo izjemno odpornost proti koroziji brez ogrožanja učinkovitosti prenosa toplote. SilcoTekovi patentirani CVD premazi so molekularno vezani na substrat, kar preprečuje luščenje ali razslojevanje med toplotnim kroženjem, in se nanesejo brez-linije--vida, tako da enakomerno pokrivajo celo zapletene geometrije in dolge cevi.-29-30 Premazi so ultra tanki (manj kot ali enaki 2 µm), zato ne vplivajo učinkovitost prenosa toplote.-29
Podatki o učinkovitosti premaza
CVD{0}}naneseni premazi, kot so Dursan, Silcolloy in Siltride, pomagajo pri boju proti koroziji, obraščanju, koksanju in kontaminaciji, hkrati pa ohranjajo toplotno učinkovitost.- Posebne meritve učinkovitosti vključujejo:
Dursan: Zmanjšana korozija v 6M HCl s 160 mpy na približno 1 mpy; podvojila odpornost proti obrabi nerjavečega jekla, medtem ko je ostala dovolj tanka, da ohranja odličen prenos toplote; Aluminij, prevlečen z Dursanom-, je pokazal 74-odstotno izboljšanje učinkovitosti padca tlaka med preskusi skaliranja s sintetično morsko vodo.-29-30
Silcolloy 2000: zdrži do 800 stopinj in ponuja odlično odpornost v kislih, visoko-temperaturnih okoljih; testi kažejo 9× manj koksanja na prevlečenem nerjavnem jeklu pri 500 stopinjah v primerjavi z neprevlečenim.-29
Siltride 1000: Zagotavlja najmočnejšo zaščito pred močnimi kislinami in agresivnimi kemikalijami.-29
Neodvisna validacija Inštituta za raziskave električne energije (EPRI) in Ministrstva za energijo ZDA je ovrednotila devet tehnologij prevlek na titanovih kondenzatorskih ceveh, s čimer sta Dursanu in Notaku 2000 družbe SilcoTek podelila popolno oceno učinkovitosti za toplotno prevodnost in oprijem.-30
Priročnik za izbiro prevleke CVD
| CVD premaz | Najboljše za | Ključne lastnosti |
|---|---|---|
| Dursan | Široka kemična odpornost (pH 0–14), odpornost proti obraščanju | Odobreno-Biopharma, NSF, USP razred VI |
| Silcolloy 2000 | Visoko{0}}temperaturna stabilnost | Zdrži do 800 stopinj, odpornost proti koroziji pri pH 0–8 |
| Siltride 1000 | Močne kisline in agresivne kemikalije | Najbolj robustna zaščita |
Viri podatkov: SilcoTek-29
Prednosti in omejitve nastajajočih tehnologij premazov
Ti napredni premazi ponujajo več prepričljivih prednosti v primerjavi s trdnimi fluoropolimernimi izmenjevalci in eksotičnimi kovinskimi zlitinami:
Nižji stroški kot trdni eksotični materiali: Prevleka običajnega kovinskega izmenjevalnika je običajno delček stroškov izdelave izmenjevalnika iz tantala, cirkonija ali zlitin z visoko-nikljevo vsebnostjo.
Možnost nadgradnje obstoječih izmenjevalcev: Številne tehnologije premazov je mogoče uporabiti na kraju samem, kar podaljša življenjsko dobo obstoječe opreme brez zamenjave.
Ohranjanje mehanske trdnosti in toplotne prevodnosti kovine: Za razliko od trdnih fluoropolimernih izmenjevalnikov, prevlečeni kovinski izmenjevalniki ohranjajo visoke tlake in učinkovit prenos toplote.
Zmanjšano vzdrževanje in izpadi: Premazi, odporni-na obraščanje, preprečujejo kopičenje usedlin, zmanjšujejo pogostost čiščenja in s tem povezane izpade.-56
Vendar ostajajo omejitve:
Poškodbe zaradi termičnega cikla: Diferencialna ekspanzija med premazom in podlago lahko povzroči razpoke ali razslojevanje pri hitrih temperaturnih spremembah.
Občutljivost na mehansko zlorabo: Prevleke lahko poškodujejo mehanski udarci, abrazivni delci ali nepravilne metode čiščenja.
Tveganja luknjic: Majhne napake v prevleki lahko izpostavijo osnovno kovino koroziji, kar vodi do hitrega nelojalnega vrezovanja in lokalne okvare.
Pomembna je pravilna priprava površine: Peskanje in temeljito čiščenje sta bistvena za oprijem premaza. Slaba priprava površine je glavni vzrok za prezgodnjo odpoved premaza.
Primerjalna tabela premazov
| Tehnologija premazovanja | Tipična debelina | Najvišja temperatura | Kemična odpornost | Ključna prednost | Relativni stroški (1=najnižji) |
|---|---|---|---|---|---|
| Fluoropolimer Spray Lining (PFA/ETFE) | 0,5–1,5 mm (do 1000 µm)-14 | 230 stopinj (višje za posebne razrede) -15 | Odlično (skoraj-univerzalno, razen HF, vroče jedke) | Zrela tehnologija, široka kemična združljivost | 2–4 |
| Nanokompozit (polimer/keramika) | 150–200 µm-50 | 350 stopinj + (do 1600 stopinj za posebnost) -20-59 | Zelo dobro (širok obseg, na voljo so ne-fluorirane možnosti) | Toleranca na visoke temperature, sposobnost samo{0}}zdravljenja | 3–5 |
| CVD (na osnovi-silicija) | Manjši ali enak 2 µm-29 | 800 stopinj (Silcolloy 2000)-29 | Odlično (pH 0–14 za Dursan)-29 | Izjemno-tanek, konformen, brez toplotnih udarcev | 4–6 |
Opomba: večkratniki stroškov so približni in se močno razlikujejo glede na material premaza, velikost substrata in kompleksnost aplikacije.
Navodila za uporabo
Izbira ustrezne tehnologije premazovanja mora temeljiti na posebnih pogojih postopka:
Izberite pršilne obloge iz fluoropolimerako je potrebna široka kemična združljivost pri zmernih temperaturah (do ~230 stopinj) in je podlaga primerna za debelejše premaze. Ti so-primerni za uporabo v kemični obdelavi, farmaciji in polprevodnikih, kjer se je treba izogniti kontaminaciji.-14
Izberite nanokompozitne premazeko je potrebna višja temperaturna toleranca (350 stopinj +), odpornost proti obrabi ali ne-fluorirana kemija. Ti so še posebej učinkoviti za ponovne kotle v rafinerijah, geotermalna okolja in visoko{4}}temperaturne sisteme dimnih plinov.-20-21
Izberite CVD premazeko je potrebna ultra{0}}tanka, konformna zaščita brez vpliva na učinkovitost prenosa toplote-zlasti za zapletene geometrije, dolge snope cevi in aplikacije, ki zahtevajo izjemno čistost (polprevodniki, farmacevtski izdelki).-29-30
Zaključek
Napredni premazi podaljšujejo življenjsko dobo kovinskih izmenjevalnikov toplote v jedki uporabi in ponujajo stroškovno-učinkovito alternativo popolnim nadgradnjam materiala. Fluoropolimerne pršilne obloge zagotavljajo PTFE-kemično odpornost na kovinskih podlagah. Nanokompozitni premazi zagotavljajo izboljšano toplotno stabilnost, odpornost proti obrabi in celo samo{4}}zdravilne lastnosti. CVD premazi ustvarjajo ultra-tanke, molekularno povezane pregrade, ki ohranjajo učinkovitost prenosa toplote, hkrati pa so odporne proti koroziji, obraščanju in koksanju. Izbira premaza mora temeljiti na posebnih procesnih pogojih-temperaturi, kemičnem okolju, mehanskih zahtevah in pričakovani življenjski dobi-pri čemer je treba posebno pozornost posvetiti pripravi površine in kakovosti nanosa. Ko se te tehnologije še naprej razvijajo, bodo prevlečeni kovinski toplotni izmenjevalniki vse pogosteje nadomeščali neprevlečene zlitine in trdne fluoropolimerne enote v vse širšem obsegu korozivnih industrijskih aplikacij.
