Подмяната на корозирал метален топлообменник с блок от твърд флуорополимер или екзотична сплав е скъпо. Усъвършенстваните технологии за нанасяне на покритие предлагат трети път: прилагане на тънка, химически устойчива бариера върху вътрешните повърхности на конвенционален метален топлообменник, драматично удължаване на експлоатационния му живот на част от цената на подмяна. В областта на повърхностното инженерство, ново поколение наусъвършенстван топлообменник с устойчиви на корозия покритияпоявяват се системи-включително флуорополимерни спрей облицовки, нанокомпозитни покрития и покрития с химическо отлагане на пари (CVD). Тези технологии позволяват на металните топлообменници да издържат на агресивни химически среди, като същевременно запазват механичната здравина и термичните характеристики.
Флуорополимерни спрей облицовки: PTFE-като защита върху метални основи
Флуорополимерните спрей облицовки представляват зряла, но непрекъснато подобряваща се технология за защита на повърхностите на топлообменника. PFA, ETFE, ECTFE и PVDF прахове се напръскват електростатично върху метални субстрати и след това се сливат в непрекъснат слой без дупки-. Процесът на нанасяне включва нагряване на субстрата, електростатично пръскане на флуорополимерен прах и повторение за изграждане на желаната дебелина на слоя-обикновено до 1000 микрона.-14
Тези покрития осигуряват устойчивост на корозия, подобна на PTFE{0}}, като същевременно се възползват от механичната здравина на долната метална обвивка. Персонализираните облицовки се произвеждат от дебели чисти флуорополимерни листове за използване в тежки химически услуги до 230 градуса, с дебелини, вариращи от 1,5 mm до 4,7 mm.-15 Материалите за покритие-включително PTFE, PVDF, ETFE, ECTFE, PFA и FEP-са избрани въз основа на изискванията за химия на процеса и температура.-14
Забележително развитие е облицовката от флуорополимер тип bake- (напр. NFX-2700), приложена към всички контактни зони с течност и газ на многотръбни топлообменници. Такива покрития позволяват на оборудването да издържа на пълен вакуум при температури от околната среда до 800 градуса, в зависимост от конкретната флуорополимерна система.-
Основните предимства на флуорополимерните спрей облицовки включват:
Почти-универсална химическа устойчивост, сравнима с твърдите флуорополимерни обменници
Запазване на номиналното налягане и механичната якост на металния субстрат
Възможност за преоборудване на съществуващи топлообменници, вместо да ги заменяте изцяло
Не{0}}залепващо, гладко повърхностно покритие, което е устойчиво на замърсяване и опростява почистването
Въпреки това, тези покрития са податливи на повреда от термични цикли, ако коефициентът на термично разширение се различава значително от металния субстрат, а дупките или дефектите на покритието могат да доведат до корозия при подрязване, ако не са правилно нанесени и проверени.
Нанокомпозитни покрития:-Подобрена защита от наночастици
Обещаващо развитие в корозионно{0}}устойчивите покрития е използването на нанокомпозитни материали-полимерни или керамични матрици, напоени с наночастици за създаване на плътни, силно прилепващи бариери с повишена устойчивост на корозия и абразия. Нанокомпозитните покрития използват уникалните свойства на наночастиците (обикновено с диаметър 10–100 nm), за да запълнят празнини, да създадат криволичещи пътища на дифузия и да подобрят механичните свойства отвъд това, което могат да постигнат конвенционалните покрития.
Нанокомпозитни обработки за ребойлери на рафинерии
Използван е итеративен процес на разработка за идентифициране и синтезиране на полимерно нанокомпозитно повърхностно третиране, специално проектирано да предпазва от корозия, предизвикана от натрупване на хлоридни и сулфидни соли в дестилационни ребойлери.-20-21 Приложено чрез стандартни методи за пръскане, това не-флуорирано третиране демонстрира издръжливост, сравнима с-най-съвременните покривни материали, химическа устойчивост на високи киселинни и основни разтвори и устойчивост на корозия, потвърдена от изпитване ASTM B117.-20-21 Съвместим до 350 градуса, материалът предполага потенциално удвояване на живота на системата за ребойлер въз основа на внедряване на място на подобни материали.-20-21
Нанокомпозитни покрития Ni-Al₂O₃ и Ni-SiO₂
Изследванията изследват ефекта на нанокомпозитните покрития Ni-Al₂O₃ върху корозията, устойчивостта на износване и топлопроводимостта на пластинчати топлообменници от неръждаема стомана 316. Разработени чрез галванопластика във вана на Watts с концентрации на наночастици Al2O3 от 10, 20 и 30 g/L, тези покрития демонстрират значителни подобрения в производителността.-22 Нанокомпозитът Ni-Al₂O₃ с концентрация на подсилване 30 g/L показва по-висока устойчивост на корозия от чистите никелови покрития, устойчивост на износване до 15% по-висока от непокритата неръждаема стомана 316 и коефициент на триене до 10% по-нисък.-22 Микротвърдостта е измерена при повече от три пъти по-висока от тази на неръждаема стомана 316 за всички концентрации на армировка, без да се наблюдава лющене или лющене след тестване на адхезията.-22
По подобен начин нанокомпозитните покрития Ni–SiO₂ са изследвани за 316 приложения на топлообменници от неръждаема стомана, удължавайки експлоатационния живот в корозивни среди.- Безелектрическите композитни покрития Ni–P–SiO₂ са показали отлична производителност против замърсяване и превъзходна устойчивост на корозия, като тръбите с покритие значително намаляват явленията на замърсяване в сравнение с непокритите повърхности.-
Нововъзникващи нанокомпозитни иновации
Последните иновации включват ново сандвич-структурирано многофункционално композитно покритие за топлообменници на димни газове, включващо устойчив на износване-SiC/PFA повърхностен слой, устойчив на корозия-флуориран графен (FG)/PFA междинен слой и свързващ слой PEEK.-1 Оптимизираната формула запазва структурната цялост след 60 дни потапяне в 90 тегл.% H₂SO₄ при 140 градуса, което показва повече от два порядъка по големина на устойчивостта на корозия.-1 Топлинната проводимост се повишава с 13–16%, докато коефициентът на топлопреминаване при конвективна кондензация е 1,7–1,9 пъти по-висок от кондензацията по филм.-1
Друг пробив включва нанокомпозитно покритие от „тип растеж-“, което образува плътен неорганичен взаимопроникващ мрежов полимерен слой чрез химическа реакция върху повърхността на металния субстрат, постигайки химическо свързване, а не физическа адхезия.-59 Това покритие демонстрира неутрална устойчивост на солен спрей над 20 000 часа, дългосрочна-температурна толерантност до 1600 градуса , твърдост 6H и способност за само-възстановяване-автоматично възстановяване на микропукнатини при повреда.-59
CVD покрития: ултра{0}}тънка, конформна защита
Покритията от химическо отлагане на пари (CVD) предлагат ултра{0}}тънки, конформни бариери, които осигуряват изключителна устойчивост на корозия, без да се компрометира ефективността на преноса на топлина. Патентованите CVD покрития на SilcoTek са молекулярно свързани към субстрата, предотвратявайки лющене или разслояване при термичен цикъл, и се нанасят извън -линия--на видимост, покривайки равномерно дори сложни геометрии и дълги тръби.-29-30 Покритията са ултратънки (По-малко или равно на 2 µm), така че не влияят ефективност на топлообмен.-29
Данни за ефективността на покритието
CVD{0}}нанесените покрития като Dursan, Silcolloy и Siltride помагат в борбата с корозията, замърсяването, коксуването и замърсяването, като същевременно запазват топлинните характеристики.- Специфичните показатели за ефективност включват:
Дурсан: Намалена корозия в 6M HCl от 160 mpy до приблизително 1 mpy; удвоява устойчивостта на износване на неръждаемата стомана, като същевременно остава достатъчно тънка, за да поддържа отличен топлообмен; Алуминият с- покритие от Dursan показа 74% подобрение на ефективността на падане на налягането по време на тестове за скалиране със синтетична морска вода.-29-30
Silcolloy 2000: Издържа до 800 градуса и предлага отлична устойчивост в киселинни, високо-температурни среди; тестовете показват 9 пъти по-малко коксуване върху неръждаема стомана с покритие при 500 градуса в сравнение с непокрита.-29
Siltride 1000: Осигурява най-здравата защита срещу силни киселини и агресивни химикали.-29
Независимо валидиране от Изследователския институт за електроенергия (EPRI) и Министерството на енергетиката на САЩ оцениха девет технологии за покритие върху титаниеви кондензаторни тръби, като присъдиха на Dursan и Notak 2000 на SilcoTek перфектна оценка както за топлопроводимост, така и за адхезия.-30
Ръководство за избор на CVD покритие
| CVD покритие | Най-добро за | Ключови свойства |
|---|---|---|
| Дурсан | Широка химическа устойчивост (pH 0–14), устойчивост на замърсяване | Одобрен-от Biopharma, NSF, USP клас VI |
| Silcolloy 2000 | Висока{0}}температурна стабилност | Издържа до 800 градуса, устойчивост на корозия при pH 0–8 |
| Siltride 1000 | Силни киселини и агресивни химикали | Най-здравата защита |
Източници на данни: SilcoTek-29
Предимства и ограничения на нововъзникващите технологии за нанасяне на покрития
Тези усъвършенствани покрития предлагат няколко убедителни предимства както пред твърдите флуорополимерни обменници, така и пред екзотичните метални сплави:
По-ниска цена от твърди екзотични материали: Покриването на конвенционален метален топлообменник обикновено е малка част от разходите за производство на топлообменник от тантал, цирконий или високо{0}}никелови сплави.
Възможност за модернизация на съществуващи топлообменници: Много технологии за покритие могат да се прилагат на място, удължавайки живота на съществуващото оборудване без подмяна.
Запазване на механичната якост и топлопроводимост на метала: За разлика от твърдите флуорополимерни топлообменници, покритите метални топлообменници поддържат високо налягане и ефективен топлопренос.
Намалена поддръжка и престой: Устойчивите на замърсяване покрития предотвратяват натрупването на отлагания, намалявайки честотата на почистване и свързания с това престой.-56
Ограниченията обаче остават:
Термично циклично увреждане: Диференциалното разширение между покритието и субстрата може да причини напукване или разслояване при бързи температурни промени.
Чувствителност към механично натоварване: Покритията могат да се повредят от механично въздействие, абразивни частици или неправилни методи за почистване.
Рискове от пинхол: Малки дефекти в покритието могат да изложат подлежащия метал на корозия, което води до бързо подрязване и локализирана повреда.
Правилната подготовка на повърхността е от решаващо значение: Пескоструйното почистване и цялостното почистване са от съществено значение за адхезията на покритието. Лошата подготовка на повърхността е водеща причина за преждевременна повреда на покритието.
Таблица за сравнение на покритията
| Технология на покритието | Типична дебелина | Максимална температура | Химическа устойчивост | Ключово предимство | Относителна цена (1=най-ниска) |
|---|---|---|---|---|---|
| Флуорополимерна спрей облицовка (PFA/ETFE) | 0,5–1,5 mm (до 1000 µm)-14 | 230 градуса (по-висока за специалност)-15 | Отличен (почти-универсален с изключение на HF, горещи каустики) | Зряла технология, широка химическа съвместимост | 2–4 |
| Нанокомпозит (полимер/керамика) | 150–200 µm-50 | 350 градуса + (до 1600 градуса за специалност) -20-59 | Много добро (широка гама, налични са не{0}}флуорирани опции) | Устойчивост на висока температура,-способност за самовъзстановяване | 3–5 |
| CVD (базиран-на силиций) | По-малко или равно на 2 µm-29 | 800 градуса (Silcolloy 2000)-29 | Отличен (pH 0–14 за Dursan)-29 | Ултра{0}}тънък, конформен, без термично увреждане | 4–6 |
Забележка: Множителите на разходите са приблизителни и варират значително в зависимост от материала на покритието, размера на субстрата и сложността на приложението.
Ръководство за кандидатстване
Изборът на подходяща технология за покритие трябва да се основава на специфични условия на процеса:
Изберете облицовки от спрей от флуорополимеркогато се изисква широка химическа съвместимост при умерени температури (до ~230 градуса) и субстратът може да поеме по-дебели покрития. Те са -подходящи за химическа обработка, фармацевтични и полупроводникови приложения, където трябва да се избягва замърсяване.-14
Изберете нанокомпозитни покритиякогато се изисква по-висока температурна толерантност (350 градуса +), устойчивост на абразия или не-флуорирана химия. Те са особено ефективни за ребойлери на рафинерии, геотермални среди и високо{4}}температурни системи за димни газове.-20-21
Изберете CVD покритиякогато е необходима ултра{0}}тънка, конформна защита, без да се засяга ефективността на пренос на топлина-особено за сложни геометрии, дълги тръбни снопове и приложения, изискващи изключителна чистота (полупроводници, фармацевтични).-29-30
Заключение
Усъвършенстваните покрития удължават живота на металните топлообменници при корозивна експлоатация, като предлагат разход{0}}ефективна алтернатива на пълните надстройки на материала. Флуорополимерните спрей облицовки осигуряват подобна на PTFE -химическа устойчивост върху метални субстрати. Нанокомпозитните покрития осигуряват повишена термична стабилност, устойчивост на абразия и дори само-възстановяващи се свойства. CVD покритията създават ултра-тънки, молекулярно свързани бариери, които запазват ефективността на преноса на топлина, като същевременно са устойчиви на корозия, замърсяване и коксуване. Изборът на покритие трябва да се основава на специфични условия на процеса-температура, химическа среда, механични изисквания и очакван експлоатационен живот-с особено внимание към подготовката на повърхността и качеството на нанасяне. Тъй като тези технологии продължават да се развиват, металните топлообменници с покритие все повече ще заменят както непокритите сплави, така и твърдите флуорополимерни единици в разширяваща се гама от корозивни индустриални приложения.
