De prestaties van roestvast staal in geconcentreerd zwavelzuur

De prestaties van roestvast staal in geconcentreerd zwavelzuur
Zwavelzuur is een van de meest gebruikte chemicaliën ter wereld en in concentratiesgroter dan 90 gew.%, is het ook erg corrosief. Dit artikel bespreekt de materiaalkeuze vooromgaan met geconcentreerd zwavelzuur, vooral bij hoge temperaturen (tot 200 ° C)die optreden tijdens de fabricage. Enkele van de moderne austenitische en duplex roestvaste staalsoorten zijnherzien en hun beperkingen en voordelen worden besproken.
Door Roger Francis, RR® Materials, Verenigd Koninkrijk

InvoeringZwavelzuur is een chemische stof die in tal van industrieën wordt gebruiktprocessen en bij het uitlogen van vele metalen uit hunertsen. Het wordt geproduceerd uit zwaveldioxide, wat kan zijngegenereerd door het verbranden van zwavel, kan het een bijproduct zijn van eenmetallurgisch smeltproces, of het kan worden geproduceerd door thermischontleding (regeneratie) van verbruikt zuur. Het zwaveldioxidereageert met zuurstof boven een katalysator bij ~ 420 ° tot 625 ° C om te vormenzwaveltrioxide. Dit laatste gas reageert dan met water in deabsorberende torens om zwavelzuur te vormen. Dit proces isexotherm en het zuur kan temperaturen tot 180 ° bereikentot 200 ° C. De meeste van deze energie wordt op verschillende manieren teruggewonnenminimaliseer het energieverbruik. Meestal wordt het zuur dan afgekoeldvan ongeveer 100 ° C tot omgevingstemperatuur voor opslag.


MaterialenTraditioneel werden hiervoor materialen gebruikt zoals met zuurbaksteen bekleed staalvaten en ductiele ijzers, zoals Mondi® of laaggelegeerd austenitischroestvrij staal zoals 316 voor leidingen, binnen een beperkt aantaltemperatuur en zuurconcentratiebereik. echter, deontwikkeling van moderne, hooggelegeerde roestvaste staalsoorten, met verbeterdeweerstand tegen heet geconcentreerd zuur heeft de materialen veranderdselectie opties. Tabel 1 toont de samenstelling van enkeleroestvrij staal dat wordt gebruikt met zwavelzuur. 304 en 316 zijnde gewone austenitische kwaliteiten die veel worden gebruikt door dechemische en procesindustrie. Legering 310 is een hoog chroomgehalte,nikkel-austenitische legering met een superieure zuurcorrosiebestendigheidvergeleken met 304 en 316. ZERON®100 en 2507 zijnsuperduplex roestvrij staal met een geschatte 50/50austeniet / ferriet fasebalans. Deze structuur geeft een veel hogersterkte (~ 2½ keer) dan die van de austenitische legeringen en aanbiedingende mogelijkheid van besparing op wanddikte voor toepassingen waarbijhoge drukken en / of temperaturen.Saramet®, Sandvik SX® en ZeCor® zijn allemaal merkgebonden austenitischroestvrij staal met ~ 5% silicium, wat decorrosieweerstand in heet sterk zuur. Saramet is er in tweevarianten, met iets andere composities. ZeCor is slanker inchroom en nikkel dan de andere twee gepatenteerde legeringen, maar hetbevat meer silicium, een element waarvan bekend is dat het corrosie bevordertweerstand in heet, sterk zuur.

CorrosieFiguur 1 toont de isocorrosiecurves voor enkele gangbare legeringenin zwavelzuur. Het is te zien dat de superduplex-legeringen zijnsuperieur aan 316L. ZERON 100 is ook superieur aan 2507, dat isvermoedelijk te wijten aan de opzettelijke toevoegingen van wolfraam enkoper tot ZERON 100. Legering 20 wordt algemeen gebruikt in zwavelzuurzuur en van ongeveer 50% tot 90% zuur is het superieur aan ZERON100. In sterk zuur (GG gt; 90%) vertoont ZERON 100 echter eenduidelijke toename in corrosiebestendigheid vergeleken met 2507 enlegering 20.

Figuur 2 vergelijkt de iso-corrosiecurves voor de driemerkgebonden legeringen die silicium en ZERON 100 bevatten. Er zijnduidelijke verschillen tussen de legeringen, met de siliciumhoudendelegeringen met verbeterde corrosieweerstand in meer verdund zuur.Bij het onderzoeken van dit artikel kon de auteur er geen vindengepubliceerde gegevens voor 310 roestvrij staal boven deze zuurconcentratiebereik. Dit komt waarschijnlijk door de fabrikanten van zure plantenbeschouw dit als commercieel gevoelige gegevens. Het is echter bekenddat de corrosieweerstand van 310 roestvrij staal aanzienlijk afneemtwanneer de zuurconcentratie onder 96% daalt.Figuur 3 toont de isocorrosiecurves voor 304, 310 enSaramet 23 in zeer sterk zuur1,2. Het is te zien dat er eenverhoging van de corrosieweerstand van zowel 310 als Saramet inhet temperatuurbereik 180º tot 200ºC. Aangenomen wordt dat SX enZeCor vertoont vergelijkbaar gedrag. Dit betekent dat deze legeringen dat kunnenworden gebruikt in de hogere temperatuurdelen van zure planten. Er isgeen gegevens voor ZERON 100 over het volledige temperatuurbereik vanFiguur 3 en het is niet bekend of superduplex roestvast staal ooktoon deze functie.

Figuur 4 toont de corrosiesnelheid van sommige roestvaste staalsoorten insterk zwavelzuur bij 110 ° C afkomstig van de fabrikantengepubliceerde gegevens. Het is te zien dat de corrosieweerstand vanSaramet 23 neemt af met toenemende zuurconcentratie in tegenstelling totde andere legeringen. Bij zuurconcentraties groter dan 100% daaris overmaat zwaveltrioxide en het mengsel is dan bekend alsoleum. Het is bekend dat dit corrosiever is voor legeringen zoals Sarametdan naar ZERON 100 en legering 310.Hoewel er geen publiekelijk beschikbare gegevens zijn over 310 stainless inzeer sterk zuur, er is een enkel datapunt. Bij een zuurconcentratie van 99% en een temperatuur van 110ºC, de corrosiesnelheid van 310 was 0,1 mm / jaar1. Dit toont de verbeterde weerstand vanZERON 100 boven 310 roestvrij bij deze temperatuur (Figuur 4).ZERON 100 heeft ook vergelijkbare corrosiebestendigheid als ZeCor enSandvik SX in sterker zuur,> 97 gew.%.In commerciële zure fabrieken is er meestal een kleine hoeveelheid ijzeraanwezig (typisch 5ppm) en dit kan de corrosiesnelheid vansommige legeringen.

Figuur 5 toont het effect van 5ppm ijzer op decorrosiesnelheid van ZERON 100 bij 110 ° C. Dat is te zien van binnenexperimentele fout, er was geen significant effect van ijzer opcorrosie. Bij 200 ° C (Figuur 6) in 98,5% zuur veroorzaakte ijzer een kleinetoename van de corrosiesnelheid, maar niets van engineeringbetekenis.

Het effect van snelheidOmdat roestvrij staal vaak actief is (in tegenstelling tot passief)in heet, geconcentreerd zwavelzuur is de corrosiesnelheid afunctie van snelheid. Het wordt algemeen aanbevolen dat legeringenzoals 316 en 310 worden beperkt tot een maximale stroomsnelheid van1,5 m / sec2. Snelheidstesten zijn uitgevoerd in belucht 95 gew.% Zwavelzuurzuur bij 70 ° C met behulp van roterende cilindrische monsters. Met behulp van de analysevan Silverman3 de rotatiestroom werd berekend als equivalenttot 2,5 m / sec in een NPS 4-buis. De corrosiesnelheid van ZERON 100was hoog gedurende de eerste twee of drie dagen. Daarna de corrosietarief was minder dan 0,1 mm / jaar. De hoge aanvankelijke corrosiesnelheidwerd geassocieerd met de vorming van een dunne zwarte film op demetalen oppervlak. De film lijkt corrosiebestendigheid te verlenen zoalsblijkt uit het daaropvolgende lage metaalverliespercentage. Deze resultaten laten ziendat ZERON 100 kan worden gebruikt bij hogere temperaturen ensnelheden dan 316L in sterk zwavelzuur. Tests in sterkerzuur vertoonde zelfs lagere corrosiesnelheden.Siliciumtoevoegingen hebben de neiging om de snelheidsgevoeligheid van te verwijderenroestvast staal tot corrosie in heet, sterk zwavelzuur. Sandvikmeld extreem lage corrosiesnelheden (GG lt; 0,01 mm / j) voor SX in 96%zuur bij 70 ° C en 25 m / sec in het gegevensblad van de legering. Ze verkregeneen vergelijkbare corrosiesnelheid in 98,5% zuur bij 115 ° C en een stroming van 10 m / secsnelheid. Saramet 35 vertoonde vergelijkbare zeer lage corrosiesnelheden in98,5% zuur bij 120 ° C bij een snelheid van 9 en 25 m / s4. Hoewel er isgeen gegevens gepubliceerd voor ZeCor bij hoge snelheden, wordt aangenomen dathet is ook superieur aan de soorten 304 en 316.

ToepassingenUit de gegevens in figuur 3 blijkt dat legering 310 zeer geschikt kan zijnde warmteterugwinningssectie op voorwaarde dat de zuurconcentratiedraait op 98% of hoger. Bij sommige planten zijn er echter excursies naarlage zuurconcentraties komen vaak voor en dan het eigendomSiliciumhoudende legeringen zijn betrouwbaarder, binnen hun gebruiksgrenzen.Alle drie de siliciumhoudende legeringen zijn gebruikt voor torens,tanks, buizen, fittingen, zeven, trogverdelers, warmtewisselaars en mistverwijderaars waar de omstandigheden zijn geweestte zwaar voor 3105,6. Legering 310 wordt nog steeds veel gebruikt in sterk zuur,vooral waar oleum kan worden geproduceerd. In warmtewisselaars,316L (vaak met Mo ≥2,5%) buizen worden vaak gebruikt met anodiekbescherming om ze passief te houden.Bovenstaande gegevens laten duidelijk de goede corrosiebestendigheid zien vanZERON 100 in geconcentreerd zwavelzuur bij temperaturen tot200 ° C. Het kan vooral effectief zijn bij hitte op hoge temperatuurterugwinningssectie van zwavelzuurfabrieken. PCS-fosfaten in deUSA heeft een NPS1-spoel van ZERON 100 gedurende 18 maanden ingeconcentreerd zuur bij 200 ° C. De corrosiesnelheid was< 0,2="" mm="">PCS hebben ook een ZERON 100-filter stroomopwaarts van een zwavelzuur gemonteerdzuurpomp die bij hoge temperaturen werkt (~ 200 ° C). Na 18maanden in dienst was het filter in uitstekende staat. Dit was eensubstantiële verbetering ten opzichte van het gebruikte 310 roestvrijstalen filtereerder.ZERON 100 is ook gebruikt door een van de belangrijkste zwavelhoudendebedrijven voor het ontwerpen van zuurfabrieken voor orifice-platen (Figuur 7).

Dit zijngebruikt om de stroom te regelen in toepassingen zoals trogverdelers.Dit maakt gebruik van de goede weerstand tegen erosiecorrosie van ZERON100. ZERON 100 is ook verkrijgbaar als naadgelaste warmtewisselaarslangen. Dit maakt het bij uitstek geschikt voor zuurkoelers waar dekoelwater is brak of zeewater, aangezien ZERON 100 eenbewezen geschiedenis van uitstekende weerstand tegen deze omgeving7.

BeschikbaarheidHet gebruik van deze legeringen voor nieuwe projecten is doorgaans geen probleemaangezien een door een fabriek lopende hoeveelheid gewoonlijk vereist is. Voor late toevoegingreparaties of aanpassingen aan de installatie, kleinere hoeveelheden zijn over het algemeenverplicht. De gepatenteerde siliciumhoudende legeringen worden niet gehouden doorvoorraadhouders van roestvrij staal in aanzienlijke hoeveelheden voor dergelijketoepassingen. De grote OEM's hebben in sommige landen beperkte voorradenproductformulieren om hun klanten te ondersteunen. Legering 310 is op grote schaalverkrijgbaar als plaat, maar is niet zo gemakkelijk verkrijgbaar als buizen, fittingenen flenzen.
ZERON 100 isdus een handiglegering voor toepassingen waarbij snelle levering belangrijk of klein ishoeveelheden zijn nodig.ZERON 100 is volledig lasbaar door alle gangbare booglassentechnieken en het brede gebruik van de legering door de olie- en gasindustriebetekent dat er veel gekwalificeerde fabrikanten zijn. Legering 310 islasbaar mits de koolstof redelijk laag is; 0,04% is eenredelijk maximum. Dit moet speciaal worden gespecificeerd als UNSS31000 heeft een koolstofmaximum van 0,08% en het lage koolstofgehalteversie (UNS S31002) is niet direct beschikbaar. Het hoge siliciumgehalteaustenitische legeringen zijn ook relatief eenvoudig te vervaardigen en komen allemaalmet koolstofgehaltes van maximaal 0,03% om ervoor te zorgen dat er geen carbiden worden gevormdop lassen.

Conclusies
1. Legering 310 heeft een goede weerstand tegen geconcentreerd zwavelzuurbij verhoogde temperaturen, maar het is niet zo resistent als het zuurconcentratie daalt van 98%. De legering is niet gemakkelijkverkrijgbaar in andere dan plaatvorm.
2. De austenitische roestvaste staalsoorten met een hoog siliciumgehalte hebben een goede corrosieweerstand in heet geconcentreerd zwavelzuur en zijn beterdan 310 in zwakker zuur. Het silicium geeft deze legeringen goedweerstand tegen zwavelzuur bij hoge stroomsnelheden. Deze legeringenzijn minder resistent in oleum vergeleken met legering 310.
3. ZERON 100 heeft een nuttige weerstand tegen hete geconcentreerdzwavelzuur, intermediair tussen die van legering 310 en deaustenitische legeringen met een hoog siliciumgehalte. Zijn gemakkelijke beschikbaarheid in een bredeassortiment productvormen maakt het geschikt voor zowel nieuwe plantenen upgrades.

Referenties
1. CM Schillmoller, Nickel Institute Technical Report nr. 10 057.
2. DK Louie, Handbook of Sulfuric Acid Manufacturing, 2eEditie, 2008, uitgegeven door DKL Engineering.
3. DG Silverman, Corrosion 44, 1 (1988) 42.
4. S. Clarke, “Saramet-legeringen - toepassingen in veeleisendeSulfuric Acid Applications ”, AIChE Convention, Florida, VS,Juni 2003.
5. "Saramet Austentisch roestvrij staal", Aker SolutionsPublicatie, 2009.
6. S Richardson, M Spence en J Horne, “Engineered ZeCorApparatuur voor zwavelzuurservice ”, AIChE-conventie,Florida, VS, juni 2007.
7. R. Francis en G. Byrne, “Ervaringen met SuperduplexStainless Steel in Seawater ”Stainless Steel World, Vol 16,Juni 2004, KCI, pagina 53.® Geregistreerde handelsmerken

Het artikel uit STAINLESS STEEL WORLD.