Der Werkstoff Siliziumkarbid (SiC) mit seiner gegenüber Metallen völlig fehlenden Duktilität und andersartigen Eigenschaften fordert von Konstrukteuren und Technologen innovative Problemlösungen, wenn es um größere Bauteilvolumina und Abmessungen geht. Insbesondere Härte und Sprödigkeit der Keramik setzen einer Bearbeitung des gesinterten Produkts Grenzen. Hauptsächlich erfolgt die Formgebung des keramischen Bauteils im sog. Grünzustand. Der Beherrschung der Bearbeitungsverfahren kommt ein wesentlicher Einfluss auf die Kostenstruktur zu. Diese Schwierigkeit mag mit ein Grund sein für das langjährige Verharren vieler Hersteller beim SiC-Rohrbündeltyp.

Herausragendes Einsatzkriterium für Siliziumkarbid ist die nahezu universelle Chemikalienbeständigkeit. An dieser Stelle muss jedoch klar zwischen direkt gesintertem SiC, sog. SSiC, und siliziuminfiltriertem SiC, sog. SiSiC, unterschieden werden. Der Anteil an freiem Silizium im siliziuminfiltrierten SiC kann je nach Verfahren bis zu 16 % betragen. Diese Komponente kann chemisch angegriffen und herausgewaschen werden. Abgesehen von der Produktkontamination geht damit eine starke Materialschädigung einher. Im SiC-Wärmetauscherbau für korrosionsfeste Anwendungen werden deshalb fast ausschließlich SSiC-Typen eingesetzt. In der Literatur sind jedoch nur wenige und nicht sehr umfangreiche Beständigkeitsstudien zu finden. Nach dem Ergebnis ist ausnahmslos SSiC für den langfristigen Einsatz geeignet. Mehr noch als durch diese wenigen Zahlen wird die Feststellung durch die langjährigen und vielfältigen Anwendungserfahrungen bestätigt.

Ein weiterer wesentlicher Punkt für die Einsatzempfehlungen ist die Reinheit des Werkstoffs bzw. seine fehlende Neigung zur Produktkontamination. Technologisch- und sinterbedingt können sich Stäube an der SiC-Oberfläche ablagern, die zu Fehlinterpretationen führen können. Für eine Anwendung im hochreinen Bereich der Elektronikchemikalien wurde SiC in einem Chemikaliengemisch, überwiegend aus Flusssäure bestehend, gespült und die Partikelabnahme gemessen. Im Ergebnis war das Material für den Einsatz im ppt-Reinheitsbereich geeignet.

Siliziumkarbid hat auch beim Vergleich der Wärmeleitfähigkeiten von korrosionsfesten Materialien eine herausragende Stellung. Eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit wird in der Auswirkung auf die Wärmedurchgangszahl k und damit auf Baugröße und Effektivität eines Wärmetauschers in der Fachpresse jedoch häufig überbewertet, da sie doch nur Bestandteil eines von mehreren Summanden in der Berechnungsgleichung ist. Weiterhin hängt die Wärmeleitfähigkeit über die Biot-Zahl mit der Thermoschockbeständigkeit zusammen. Der Thermoschockparameter R1, der auch als die ertragbare Kurzzeittemperaturdifferenz angesehen werden kann, liegt bei SSiC je nach Typ etwa bei ≥200 K. Dies ist ein wichtiger Wert für Anfahrvorgänge von Wärmetauschern und er deckt damit fast den gesamten Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen des Apparats ab.

Verschiedene Apparatetypen

Der dominierende SiC-Wärmetauscher war und ist wegen des vergleichsweise einfachen Aufbaus der Rohrbündelapparat. Mangels Alternativen wurden daher oft SiC-Rohrbündelapparate in Prozesse gezwängt, für die sie nicht optimal geeignet waren.

Das Corresic-Programm von GAB Neumann bietet eine Wärmetauscherpalette unter Verwendung monolitischen Siliziumkarbids, SSiC. Es beinhaltet Rohrbündel-, Block- und Ringnutwärmetauscher. Damit wird es möglich, prozessspezifisch SiC-Wärmetauscher anzubieten. Voraussetzung für diese Apparatevielfalt waren u. a. technologische Innovationen bei der Grünbearbeitung, die Steigerung der Prozesssicherheit auf 100 % und die Entwicklung von geeigneten Fügeverfahren, wie das Tasic-Fügeverfahren.

Mit dem Corresic-Programm wird gewissermaßen die Tür aufgestoßen zu einer breiteren SiC-Nutzung im Apparatebau. Hohe Chemikalienbeständigkeit verbunden mit minimalem Verschleiß, sehr gute thermische Eigenschaften sowie durch Konstruktion und Werkstoff erreichte optimale hydrodynamische Bedingungen ermöglichen eine effektive Prozessgestaltung.

Halle 4.0, Stand F65

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Die Autoren: Tobias Schnurpfeil Geschäftsführer, GAB Neumann Matthias Reitz Produktmanager SiC, GAB Neumann