Железоуглеродистые сплавы
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
| Группа стойкости | Скорость коррозии металла, мм/год | Балл |
| Совершенно стойкие | Менее 0,001 | |
| Весьма стойкие | Свыше 0,001 до 0,005 Свыше 0,005 до 0,01 | |
| Стойкие | Свыше 0,01 до 0,05 Свыше 0,05 до 0,1 | |
| Пониженно стойкие | Свыше 0,1 до 0,5 Свыше 0,5 до 1 | |
| Малостойкие | Свыше 1,0 до 5 Свыше 5 до 10 | |
| Нестойкие | Свыше 10 |
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 r = 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.