Wydajność stali nierdzewnych w stężonym kwasie siarkowym

Wydajność stali nierdzewnych w stężonym kwasie siarkowym
Kwas siarkowy jest jedną z najpowszechniej stosowanych chemikaliów na świecie i pod względem stężeńpowyżej 90% wag., jest również bardzo korozyjny. W artykule omówiono dobór materiałów dopraca ze stężonym kwasem siarkowym, szczególnie w podwyższonych temperaturach (do 200 ° C)które występują podczas jego wytwarzania. Niektóre z nowoczesnych stali nierdzewnych austenitycznych i duplex sąomówiono ich ograniczenia i zalety.
Roger Francis, RR® Materials, Wielka Brytania

WprowadzenieKwas siarkowy to substancja chemiczna stosowana w wielu gałęziach przemysłuprocesy, jak również ługowanie z nich wielu metalirudy. Jest wytwarzany z dwutlenku siarki, który może byćpowstający w wyniku spalania siarki, może być produktem ubocznymmetalurgiczny proces wytapiania lub może być wytwarzany termicznierozkład (regeneracja) zużytego kwasu. Dwutlenek siarkipoddaje się reakcji z tlenem na katalizatorze w ~ 420 ° do 625 ° C w celu utworzeniatrójtlenek siarki. Ten ostatni gaz reaguje następnie z wodą wpochłaniające wieże tworzące kwas siarkowy. Ten proces jestegzotermiczny, a kwas może osiągnąć temperaturę nawet 180 °do 200 ° C. Większość tej energii jest odzyskiwana na różne sposobyzminimalizować zużycie energii. Zwykle kwas jest następnie schładzanydo przechowywania od około 100 ° C do temperatury otoczenia.


MateriałyTradycyjnie używano do tego materiałów takich jak stal ocynkowana cegłą kwasowąnaczynia i żeliwa sferoidalne, takie jak Mondi® lub austenityczne niskostopowestale nierdzewne, takie jak 316 na rurociągi, w ograniczonym zakresiezakres temperatur i stężeń kwasów. Jednakżerozwój nowoczesnych, wysokostopowych stali nierdzewnych o ulepszonychodporność na gorący stężony kwas zmieniła materiałyopcje wyboru. Tabela 1 przedstawia skład niektórychstale nierdzewne używane z kwasem siarkowym. 304 i 316 sąpowszechne gatunki austenityczne, które są szeroko stosowane przezprzemysł chemiczny i przetwórczy. Alloy 310 to wysokochromowy,austenityczny stop niklowy o doskonałej odporności na korozję kwasowąw porównaniu z 304 i 316. ZERON®100 i 2507 sąstale nierdzewne superduplex o wartości około 50/50równowaga faz austenit / ferryt. Ta struktura daje znacznie wyższywytrzymałość (~ 2½ razy) niż w przypadku stopów austenitycznychmożliwość oszczędności grubości ścianki w zastosowaniach obejmującychwysokie ciśnienia i / lub temperatury.Saramet®, Sandvik SX® i ZeCor® wszystkie są austenitycznestale nierdzewne zawierające ~ 5% krzemu, który poprawiaodporność na korozję w gorącym mocnym kwasie. Saramet występuje w dwóchwarianty, z nieco innymi kompozycjami. ZeCor jest bardziej rozbudowanychrom i nikiel niż pozostałe dwa zastrzeżone stopy oprócz tegozawiera więcej krzemu, pierwiastka znanego z przyspieszania korozjiodporność na gorący, mocny kwas.

KorozjaRysunek 1 przedstawia krzywe izokorozji dla niektórych popularnych stopóww kwasie siarkowym. Można zauważyć, że stopy superduplex sąlepszy niż 316L. ZERON 100 jest również lepszy od 2507Uważa się, że jest to spowodowane celowym dodatkiem wolframu imiedzi do ZERON 100. Alloy 20 jest powszechnie stosowany w siarcekwas i od około 50% do 90% kwasu przewyższa ZERON100. Jednak w mocnym kwasie (GG> 90%) ZERON 100 wykazuje awyraźny wzrost odporności na korozję w porównaniu z 2507 istop 20.

Rysunek 2 porównuje krzywe izo-korozji dla tych trzechzastrzeżone stopy zawierające krzem i ZERON 100. Sąwyraźne różnice między stopami, w tym zawierającym krzemstopy wykazujące zwiększoną odporność na korozję w bardziej rozcieńczonym kwasie.Badając ten artykuł, autor nie mógł znaleźć żadnegoopublikowane dane dla stali nierdzewnej 310 w odniesieniu do tego stężenia kwasuzasięg. Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że producenci kwaśnych roślintraktuje to jako dane wrażliwe z handlowego punktu widzenia. Jednak wiadomoże odporność na korozję stali 310 ze stali nierdzewnej znacznie się zmniejszagdy stężenie kwasu spadnie poniżej 96%.Rysunek 3 przedstawia krzywe izo-korozji dla 304, 310 iSaramet 23 w bardzo mocnym kwasie1,2. Widać, że istnieje plikwzrost odporności na korozję zarówno 310, jak i Saramet wzakres temperatur 180º do 200ºC. Zakłada się, że SX iZeCor wykazuje podobne zachowanie. Oznacza to, że te stopy mogąbyć stosowany w częściach roślin kwaśnych o wyższej temperaturze. Jestbrak danych dla ZERON 100 w całym zakresie temperatur okRysunek 3 i nie wiadomo, czy również stal nierdzewna superduplexpokaż tę funkcję.

Rysunek 4 przedstawia szybkość korozji niektórych stali nierdzewnych wmocny kwas siarkowy o temperaturze 110 ° C pobrany od producentówopublikowane dane. Widać, że odporność na korozjęW przeciwieństwie do Saramet 23 zmniejsza się wraz ze wzrostem stężenia kwasuinne stopy. Przy stężeniach kwasów powyżej 100%jest nadmiarem trójtlenku siarki i mieszanina jest wtedy znana jakooleum. Wiadomo, że jest to bardziej korozyjne dla stopów takich jak Sarametniż do ZERON 100 i stopu 310.Chociaż nie ma publicznie dostępnych danych na temat stali nierdzewnej 310 inbardzo mocny kwas, jest jeden punkt danych. Na kwasiestężenie 99% i temperatura 110ºC, korozjaszybkość 310 wynosiła 0,1 mm / rok1. Wskazuje to na lepszą odpornośćZERON 100 ponad 310 ze stali nierdzewnej w tej temperaturze (Rysunek 4).ZERON 100 ma również podobną odporność na korozję jak ZeCor iSandvik SX w mocniejszym kwasie, GG> 97% wag.W komercyjnych kwaśnych instalacjach żelazo występuje zwykle w niewielkiej ilościobecny (zwykle 5 ppm), co może wpływać na szybkość korozjiniektóre stopy.

Rysunek 5 pokazuje wpływ 5 ppm żelaza naszybkość korozji ZERON 100 w temperaturze 110 ° C. Można to zobaczyć w środkubłąd eksperymentalny, nie stwierdzono istotnego wpływu żelaza nakorozja. W temperaturze 200 ° C (Rysunek 6) w 98,5% kwasie żelazo powodowało niewielkiwzrost szybkości korozji, ale nic z inżynieriiznaczenie.

Efekt prędkościPonieważ stale nierdzewne są często aktywne (w przeciwieństwie do pasywnych)w gorącym stężonym kwasie siarkowym szybkość korozji wynosi afunkcja prędkości. Powszechnie zaleca się stosowanie stopówtakich jak 316 i 310 być ograniczone do maksymalnej prędkości przepływu wynoszącej1,5 m / sek2. Próby prędkości przeprowadzono w napowietrzonej siarki 95% wagkwasem w 70 ° C przy użyciu obracających się cylindrycznych próbek. Korzystanie z analizySilvermana3 przepływ rotacyjny został obliczony jako równoważnydo 2,5 m / s w rurze NPS 4. Szybkość korozji ZERON 100był wysoki przez pierwsze dwa lub trzy dni. Następnie korozjastawka była mniejsza niż 0,1 mm / rok. Wysoka początkowa szybkość korozjibyło związane z tworzeniem się cienkiego czarnego filmu nametalowa powierzchnia. Wydaje się, że folia nadaje odporność na korozjępokazane przez późniejszy niski współczynnik strat metalu. Te wyniki pokazująże ZERON 100 może być używany w wyższych temperaturach iprędkości niż 316L w mocnym kwasie siarkowym. Testy w silniejszymkwas wykazywał jeszcze mniejsze szybkości korozji.Dodatki krzemu mają tendencję do usuwania wrażliwości na prędkośćstale nierdzewne na korozję w gorącym, mocnym kwasie siarkowym. Sandvikraportują wyjątkowo niskie szybkości korozji (GG lt; 0,01 mm / r) dla SX w 96%kwas w 70 ° C i 25 m / s w arkuszu danych stopu. Otrzymalipodobna szybkość korozji w 98,5% kwasie przy 115 ° C i przepływie 10 m / sprędkość. Saramet 35 wykazał podobnie bardzo niskie szybkości korozji w98,5% kwasu w 120 ° C przy prędkości 9 i 25 m / s4. Chociaż jestbrak danych opublikowanych dla ZeCora przy dużych prędkościach, zakłada się, żejest również lepszy od gatunków 304 i 316.

AplikacjeDane na rysunku 3 pokazują, że stop 310 może być bardzo odpowiedni dosekcja odzysku ciepła, pod warunkiem że stężenie kwasu wynosidziała na 98% lub więcej. Jednak w niektórych zakładach wycieczki doniskie stężenia kwasów są powszechne, a następnie zastrzeżoneStopy zawierające krzem są bardziej niezawodne w granicach ich zastosowania.Wszystkie trzy stopy zawierające krzem zostały użyte do budowy wież,zbiorniki, rury, armatura, sitka, dystrybutory korytowe, ciepłowymienniki i odkraplacze tam, gdzie zaistniały warunkizbyt uciążliwe dla 3105,6. Alloy 310 jest nadal szeroko stosowany w mocnych kwasach,szczególnie tam, gdzie można produkować oleum. W wymiennikach ciepłaRury 316L (często z Mo≥2,5%) są często używane z anodąochrona, aby zachować ich bierność.Powyższe dane wyraźnie pokazują dobrą odporność na korozjęZERON 100 w stężonym kwasie siarkowym w temperaturach do200 ° C. Może być szczególnie skuteczny w wysokich temperaturachsekcja regeneracji instalacji kwasu siarkowego. PCS Fosforany wUSA wystawiły szpulę NPS1 ZERON 100 na 18 miesięcy wstężony kwas o temperaturze 200 ° C. Szybkość korozji wynosiła< 0,2="" mm="">PCS wyposażył również filtr ZERON 100 przed filtrem siarkowympompa kwasu działająca w wysokich temperaturach (~ 200 ° C). Po 18miesięcy eksploatacji filtr był w doskonałym stanie. To byłznaczna poprawa w stosunku do zastosowanego filtra 310 ze stali nierdzewnejpoprzednio.ZERON 100 był również używany przez jeden z głównych związków siarkowychfirmy projektujące instalacje kwasowe dla płyt kryzowych (Rysunek 7).

To sąużywane do sterowania przepływem w takich zastosowaniach jak dystrybutory rynnowe.Wykorzystuje to dobrą odporność ZERONU na erozję i korozję100. ZERON 100 jest również dostępny jako wymiennik ciepła ze szwemrury. To sprawia, że ​​idealnie nadaje się do chłodnic kwasu, w którychwoda chłodząca jest słonawa lub morska, ponieważ ZERON 100 masprawdzona historia doskonałej odporności na to środowisko7.

DostępnośćZastosowanie tych stopów w nowych projektach generalnie nie stanowi problemuponieważ zwykle wymagana jest ilość serii młynów. Jednak w przypadku późnego dodania, naprawy lub modyfikacje instalacji, zazwyczaj są to mniejsze ilościwymagany. Zastrzeżone stopy zawierające krzem nie są objęte gwarancjąudziałowcy ze stali nierdzewnej w znacznych ilościach na takieAplikacje. Główni producenci OEM w niektórych mają ograniczone zapasyformularze produktów wspierające swoich klientów. Alloy 310 jest szeroko stosowanydostępny jako płyta, ale nie jest tak łatwo dostępny jak rury, kształtkii kołnierze.
ZERON 100 jestw ten sposób przydatnestop do zastosowań, w których szybka dostawa jest ważna lub małapotrzebne są ilości.ZERON 100 jest w pełni spawalny wszystkimi popularnymi metodami spawania łukowegotechniki i szerokie zastosowanie stopu w przemyśle naftowym i gazowymoznacza, że ​​istnieje wielu wykwalifikowanych producentów. Alloy 310 jestspawalne pod warunkiem, że węgiel jest stosunkowo niski; 0,04% torozsądne maksimum. To musi być specjalnie określone jako UNSS31000 ma maksimum węgla 0,08% i niski poziom węglawersja (UNS S31002) nie jest łatwo dostępna. Wysoki krzemstopy austenityczne są również stosunkowo łatwe do wytworzenia i wszystkie są dostępnez poziomem węgla maksymalnie 0,03%, aby zapewnić brak tworzenia się węglikówna spawaniu.

Wnioski
1. Alloy 310 ma dobrą odporność na stężony kwas siarkowyw podwyższonych temperaturach, ale nie jest tak odporny jak kwasstężenie spada z 98%. Stop nie jest łatwodostępne w formie innej niż płyta.
2. Austenityczne stale nierdzewne o wysokiej zawartości krzemu wykazują dobrą korozjęodporność na gorący stężony kwas siarkowy i są lepszeniż 310 w słabszym kwasie. Krzem nadaje tym stopom dobre właściwościodporność na kwas siarkowy przy dużych prędkościach przepływu. Te stopysą mniej odporne w oleum w porównaniu ze stopem 310.
3. ZERON 100 ma użyteczną odporność na gorące skoncentrowanekwas siarkowy pośredni między stopem 310 aaustenityczne stopy o wysokiej zawartości krzemu. Jego gotowa dostępność w szerokimgama form produktów sprawia, że ​​nadaje się zarówno do nowego zakładui ulepszenia.

Bibliografia
1. CM Schillmoller, raport techniczny Nickel Institute nr 10 057.
2. DK Louie, Podręcznik produkcji kwasu siarkowego, 2Wydanie 2008, wydane przez DKL Engineering.
3. DG Silverman, Corrosion 44, 1 (1988) 42.
4. S. Clarke, „Saramet Alloys - Applications in DemandingZastosowania kwasu siarkowego ”, AIChE Convention, Floryda, USA,Czerwiec 2003.
5. „Saramet Austentic Stainless Steel”, Aker SolutionsPublikacja, 2009.
6. S Richardson, M. Spence i J Horne, „Engineered ZeCorSprzęt do obsługi kwasu siarkowego ”, Konwencja AIChE,Floryda, USA, czerwiec 2007.
7. R. Francis i G. Byrne, „Experiences with SuperduplexStal nierdzewna w wodzie morskiej ”Świat stali nierdzewnej, tom 16,Czerwiec 2004, KCI, strona 53.® Zarejestrowane znaki towarowe

Artykuł z STAINLESS STEEL WORLD.