Решение из стали с высоким-кремниевым содержанием
Концентрированная азотная кислота при температуре выше 80 градусов является одной из самых агрессивных окислительных сред в химической промышленности. Стандартные нержавеющие стали, такие как 304L и 316L, корродируют с неприемлемой скоростью. Решение, разработанное металлургами, — это сплавы -нержавеющей стали с высоким содержанием кремния-, содержащие 4–6 % кремния, такие как UNS S30600 или собственные марки. Кремний обогащает пассивную пленку, значительно повышая устойчивость к коррозии азотной кислотой.
Эти сплавы представляют собой вершину развития нержавеющей стали для работы с азотной кислотой. Они предназначены для самых требовательных применений: конденсаторы азотной кислоты, нагревательные змеевики реакторов и оборудование для концентрирования кислоты. Они дорогие, специализированные и эффективные.
ПТФЭ — это полимер без металлургической сложности. Его устойчивость к азотной кислоте обусловлена одним молекулярным фактом: связью углерод-фтор. Сравнение нержавеющей стали с высоким-кремнием и ПТФЭ в азотной кислоте проводится между лучшим доступным металлическим материалом-с тщательно разработанной пассивной пленкой-и материалом, который устойчив к кислоте, поскольку не может с ней вступать в реакцию.
Механизм кремниевой пассивной пленки
Нержавеющая сталь с высоким-кремнием устойчива к азотной кислоте благодаря образованию пассивной пленки, обогащенной диоксидом кремния. В окислительных средах хром в стали образует Cr₂O₃. Кремний, присутствующий в твердом растворе в матрице сплава, окисляется до SiO₂. SiO₂ включается в пассивную пленку, стабилизируя ее против транспассивного растворения, которое влияет на пленки с высоким содержанием хрома- в горячей азотной кислоте.
Пленка,-обогащенная кремнием, эффективна, но не неуязвима. Пленка должна постоянно поддерживаться за счет окислительной силы азотной кислоты. Если концентрация кислоты упадет-во время разбавления, цикла промывки или остановки-пленка может дестабилизироваться. Если кислота загрязняется хлоридами (в результате утечек охлаждающей воды, примесей сырья или атмосферных отложений), на дефектах пленки может возникнуть точечная коррозия. Пленка также чувствительна к металлургическому состоянию стали.-сенсибилизация в результате сварки или термообработки создает зоны, обедненные хромом-, которые обогащение кремнием не может полностью компенсировать.
| Параметр коррозии | Нержавеющая сталь с высоким-кремнием (4–6 % Si) | ПТФЭ |
|---|---|---|
| Механизм защиты от коррозии | Пассивная пленка, обогащенная SiO₂- | Собственная стабильность связи C-F |
| Скорость коррозии в 65% HNO₃ при 120 градусах (мм/год) | 0.01-0.05 | 0 |
| Скорость коррозии при снижении концентрации кислоты до 10 %. | 0,02-0,10 (пассивная пленка менее стабильна) | 0 |
| Устойчивость к хлоридной точечной коррозии | Улучшенный по сравнению со стандартным SS; не застрахован | Иммунитет |
| Коррозия зоны сварки | Возможна сенсибилизация; требует отжига в растворе | Н/Д (без сварных швов в пучке труб) |
| Чувствительность к нарушениям процесса | Умеренный (требуется ремонт пленки) | Никто |
| Теплопроводность (Вт/м·К) | 15-20 | 0.25 |
| Стоимость материала (относительная) | 6-10× | 1× |
Реакция на нарушение процесса
Наиболее существенная эксплуатационная разница между нержавеющей сталью с высоким-кремнием и ПТФЭ при работе с азотной кислотой заключается в реакции на сбои в процессе. В системе нагрева азотной кислоты могут возникать явления разбавления (обратный поток конденсата, проникновение промывочной воды, утечка пара), загрязнения хлоридами (утечка охлаждающей воды-, резкие скачки содержания примесей в сырье) или скачки температуры.
Нержавеющая сталь с высоким-кремнием может выдержать такие воздействия, если они легкие и кратковременные. Но каждое расстройство подчеркивает пассивность фильма. Повторяющиеся расстройства накапливают ущерб. Совокупный эффект незначительных отклонений в процессе на протяжении многих лет может инициировать коррозию, которая распространяется во время последующей нормальной эксплуатации.
ПТФЭ не имеет механизма кумулятивного повреждения. Каждое нарушение представляет собой дискретное событие, не оставляющее следов на материале. Сотое расстройство сохраняется так же полностью, как и первое. Эта характеристика «отсутствия-памяти» присуща химической инертности ПТФЭ и не зависит от качества управления процессом.
Сравнение стоимости и занимаемой площади
Теплообменники из-нержавеющей стали с высоким содержанием кремния стоят в 6-10 раз дороже, чем эквиваленты из ПТФЭ при той же тепловой нагрузке, что обусловлено стоимостью специализированного сплава и сложностью изготовления. Стальной теплообменник компактен: его теплопроводность 15-20 Вт/м·К требует всего от 1/60 до 1/80 площади поверхности ПТФЭ.
ПТФЭ теплообменники крупнее и требуют больше места для установки. Там, где доступно пространство и допустима большая занимаемая площадь, ПТФЭ обеспечивает более низкую общую стоимость установки без риска коррозии. Там, где пространство сильно ограничено,-как при модернизации некоторых существующих предприятий,-компактность кремниевой нержавеющей стали с высоким содержанием кремния оправдывает ее более высокую стоимость и ограниченный риск коррозии.
Краткое содержание
Теплообменники из ПТФЭ безоговорочно устойчивы к горячей концентрированной азотной кислоте благодаря присущей им молекулярной инертности, в то время как нержавеющая сталь с высоким-кремнием использует пассивную пленку,-обогащенную кремнием, которая, хотя и обладает высокой стойкостью, может быть нарушена в результате нарушений технологического процесса, загрязнения хлоридами или повышенной чувствительности сварных швов. ПТФЭ устраняет совокупное коррозионное повреждение, не требует процедур восстановления после сбоев и стоит гораздо меньше, чем специальная сталь. Более крупный след ПТФЭ — компромиссный вариант-. При работе с азотной кислотой при температурном пределе ПТФЭ, составляющем 260 градусов, ПТФЭ является выбором с меньшим-риском и меньшими-затратами, если позволяет пространство.
Инженерная поддержка при выборе материала из нержавеющей стали из ПТФЭ или нержавеющей стали с высоким-высоким содержанием кремния при работе с азотной кислотой доступна после предоставления информации о концентрации кислоты, нормальном и отклоненном температурном диапазоне, риске загрязнения хлоридами и наличии свободного места для установки.
