Лекция: Материалы химических реакторов

1

Материалы химических реакторов

Выбор материала

В химической промышленности, в том числе и в промышленности органических полупродуктов, для изготовления аппаратуры используются весьма разнообразные материалы. Это объясняется разнообразием и специфичностью требований, предъявляемых к конструкционным материалам для химической аппаратуры. Применяемые для этих целей материалы должны иметь:

1) достаточную механическую прочность;

2) стойкость к коррозионному воздействию перерабатываемых веществ;

3) обладать соответствующими физическими свойствами (например, хорошей теплопроводностью);

4) легко поддаваться механической обработке;

5) не оказывать ингибирующего действия в процессах, проводимых в данной аппаратуре;

6) не влиять на чистоту продуктов реакции;

7) быть дешевыми и доступными.

Главным требованием для материалов химических аппаратов в большинстве случаев является их коррозионная стойкость, так как она определяет долговечность химического оборудования.

Коррозия металлов

Коррозией (от лат. слова "corrosio" - разъедать) называется разрушение материала вследствие взаимодействия его со внешней средой. Различают два типа коррозии - химическую и электрохимическую.

Химической коррозией называется разрушение металла окислением его в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе.

В этом случае происходит взаимодействие металла с составными частями среды - с газами и неэлектролитами.

Электрохимической коррозией называется разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока. В этом случае наряду с химическими процессами (отдача электронов) протекают и электрические (перенос электронов от одного участка к другому). К электрохимической коррозии относятся все случаи коррозии в водных растворах.

По характеру разрушений коррозия металлов бывает сплошной (равномерной), местной и межкристаллитной.

Сплошная коррозия не представляет особой опасности для конструкций и аппаратов особенно в тех случаях, когда потери металлов не превышают технически обоснованных норм. Ее последствия могут быть сравнительно легко учтены.

Значительно опаснее местная коррозия, хотя потери металла здесь могут быть и небольшими. Один из наиболее опасных видов местной коррозии - это точечная. Она заключается в образовании сквозных поражений, т.е. в образовании точечных полостей - так называемых питтингов. Местной коррозии благоприятствуют морская вода, растворы солей, в частности галогенидных (хлорид натрия, магния и др.). Опасность местной коррозии состоит в том, что, снижая прочность отдельных участков, она резко уменьшает надежность конструкций, сооружений, аппаратов.

Наиболее опасным видом коррозии является межкристаллитная, при которой разрушение происходит по границам кристаллитов в глубине металла.

Скорость коррозии металла оценивается весовым методом, основанным на определении изменения веса образца после воздействия агрессивной среды.

Для количественной оценки степени коррозионных разрушений принята десятибалльная шкала.

Коррозионная стойкость материалов

Для изготовления химической аппаратуры должны использоваться конструкционные материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1-0,5 мм/год; чаще применяются материалы стойкие (скорость коррозии 0,01-0,05 мм/год).

Железоуглеродистые сплавы

Наиболее широкое распространение в качестве материалов для химической аппаратуры получили стали и чугуны.

Они обладают

- высокой механической прочностью;

- хорошими физическими свойствами (высокая теплопроводность, малая теплоемкость и др.);

- вполне доступны и достаточно дешевы, что делает их основными конструкционными материалами общего и химического машиностроения.

В чистом железе без остатка может раствориться не более 2 % углерода. Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, называют сталями; сплавы, в которых более 2,14 % углерода (обычно от 2 до 5-6%), - чугуном.

По содержанию углерода углеродистую сталь делят на:

- низкоуглеродистую (до 0,25 % углерода);

- среднеуглеродистую (от 0,25 до 0,6 % углерода);

- высокоуглеродистую (выше 0,6 % углерода).

Легированные стали, в свою очередь, подразделяют на:

- низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов);

- среднелегированные (от 2,5 до 10 % легирующих элементов);

- высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов).

В зависимости от назначения стали подразделяются на:

- конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий;

- инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65 % углерода;

- с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар;

- с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора стали подразделяют на:

- стали обыкновенного качества (до 0,06 % серы и до 0,07 % фосфора);

- качественные (до 0,035 % серы и фосфора);

- высококачественные (до 0,025 % серы и фосфора);

- особо высококачественные (до 0,025 % фосфора и до 0,015 % серы).

Сталь обладает хорошими механическими и физическими свойствами, хорошо поддается обработке, относительно доступна и дешева. Главными ее недостатками являются невысокая химическая стойкость и влияние на чистоту готового продукта.

Чугуны. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % С, называется чугуном.

Главным достоинством чугуна является низкая стоимость и доступность.

К недостаткам чугуна,, приводящих к тому, что доля чугунных изделий в химическом машиностроении в последнее время существенно снижается, можно отнести следующие:

1) пониженная прочность чугуна по сравнению со сталью, вследствие чего его применяют при температуре стенки сосуда или аппарата от -15 до +250 °С при температуре обогревающей среды не более 650 °С и давлении до 1,0 МПа;

2) ограниченная возможность его механической обработки, поэтому чугун может быть использован только в виде литья. Это, кстати, можно отнести и к достоинствам, потому что благодаря литью изделиям из чугуна можно придавать самую сложную форму;

3) из-за хрупкости чугуна стенки аппаратов приходится делать толстыми (в 2 раза толще, чем для стальных аппаратов), поэтому чугунная аппаратура всегда значительно тяжелее стальной и имеет более низкие коэффициенты теплопередачи;

4) из-за того, что чугун не поддается сварке, рубашки чугунных аппаратов всегда выполняют съемными и крепят к дополнительному фланцу на корпусе. Это приводит к уменьшению поверхности теплообмена чугунных аппаратов по сравнению со стальными аппаратами того же объема.

Цветные металлы

Алюминий. Главными достоинствами алюминия, благодаря которым он получил довольно широкое распространение в качестве материала химической аппаратуры являются следующие:

1) доступность по сравнению с другими цветными металлами (алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих другим минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8 % (масс.));

2) легкость (плотность алюминия при 20 °С = 2,699 г/см³);

3) высокая теплопроводность (в 4,5 раза выше стали);

4) стойкость к воздействию некоторых агрессивных агентов (например, концентрированной азотной кислоты, фосфорной и органических кислот), которая объясняется образованием на его поверхности плотной сплошной окисной пленки Al₂O₃.

Главным недостатком, ограничивающим применение алюминия, является его низкая механическая прочность. Кроме того, алюминий и его сплавы неустойчивы в щелочных средах:

Al + NaOH + H₂O = Al(OH)₂ONa + 3/2H₂.

Алюминий применяется для изготовления мерников, резервуаров большой емкости, небольших реакционных аппаратов, теплообменников и других аппаратов, работающих без давления и при температуре стенок не выше 200 °С.

Медь. Главными достоинствами меди являются:

1) высокая теплопроводность (в 6 раз выше стали);

2) легкость обработки;

3) повышение прочности при низких температурах при сохранении пластичных свойств.

Благодаря этому медь является ценным конструкционным материалом в криогенной технике, а также широко применяется для изготовления теплообменной аппаратуры.

Главным недостатком меди, как и алюминия, является недостаточная механическая прочность.

Коррозионная активность меди не очень велика. Она весьма устойчива в нейтральных и щелочных средах, а также в растворах органических кислот.

В минеральных кислотах, а также в присутствии соединений серы медь легко подвергается коррозии., т.к. не образует защитных оксидных пленок.

Кроме того, медь имеет низкие литейные свойства и не применяется для литых деталей. Основными материалами для литья деталей и арматуры являются сплавы на основе меди - бронзы и латуни.

Латунью называется сплав меди с цинком, содержащий от 10 до 50 % цинка.

Из латуней изготовляют детали трубопроводов, фланцы, бобышки, теплообменные агрегаты, антифрикционные и коррозионностойкие детали.

Бронза - это сплав меди с оловом и другими элементами: алюминием, бериллием, кремнием, марганцем, свинцом. Бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошо сопротивляются коррозии и обрабатываются резанием. Бронзы находят применение в узлах трения (подшипники скольжения, червячные и винтовые передачи), в водяной, паровой и масляной арматуре.

Свинец. В прошлом свинец был весьма распространенным конструкционным материалом в химическом машиностроении. В настоящее время его применение сокращается вследствие низкой механической прочности и высокой стоимости. Всюду, где возможно, свинец заменяют пластмассами или нержавеющими сталями.

Никель. Вследствие высокой механической прочности и значительной химической стойкости никель считается одним из лучших материалов химического аппаратостроения.

Никель отличается высокой устойчивостью к воздействию горячих растворов и расплавов щелочей.

Он устойчив к коррозионному действию большинства органических кислот и растворов солей (азотнокислых, хлористых, сернокислых).

Его также можно применять в тех случаях, когда требуется высокая чистота продукта или недопустимо применение кислотостойких сталей вследствие их действия как катализатора, ускоряющего ход нежелательных реакций.

Однако малая доступность и дороговизна никеля пока препятствуют его широкому распространению.

Обычно из никеля изготавливаются особо ответственные аппараты (реакторы, теплообменники, вкладыши и их детали), которые должны обладать высокой химической стойкостью и механической прочностью и, кроме того, обеспечивать достаточно хороший теплообмен.

Тантал обладает хорошей пластичностью, прочностью, а также тугоплавкостью (температура его плавления 3000 °С) и низкой упругостью паров. Он хорошо куется, плющится, штампуется, но плохо сваривается.

Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства органических и неорганических кислот, растворов солей и других агрессивных сред.

Однако, как и никель, тантал чрезвычайно дорог. Он стоит примерно в 100 раз дороже хромоникелевой стали. Поэтому, из-за крайне высокой стоимости единицы объема, он применяется почти исключительно в виде фольги толщиной 0,15-0,3 мм для обкладки аппаратов.

Титан по прочности немного уступает стали, а удельный вес его почти в 2 раза меньше (4,5 г/см³). Он куется, штампуется, сваривается, хорошо поддается механической обработке, что дает возможность изготовлять из него самое разнообразное оборудование.

Титан не подвергается коррозии ни в нейтральных, ни во многих кислых растворах.

Разрушается титан в среде серной кислоты, концентрированной соляной кислоты, щавелевой кислоты, особенно при повышенной концентрации и температуре.

Т.к. стоимость титана велика (в 8-10 раз выше легированной стали), значительный интерес представляют стальные аппараты, облицованные тонким титановым листом. Однако титан со сталью не сваривается, и конструкционное решение подобных аппаратов представляет трудности.