ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 1995 года по МПК F28F21/00 

Изобретение относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано в химической промышленности для охлаждения и нагрева в высокоагрессивных средах.

Известно, что теплообменное оборудование изготавливают из кислотостойкой стали (1). Однако, в условиях химических производств, где имеется многокомпонентный кислотный состав реакционных масс при высокой температуре коррозионная стойкость кислотостойкой стали недостаточна.

В ряде химических производств применяют теплообменные трубы изготовленные из серебра и тантала (2). К существенным недостаткам теплообменных труб из серебра следует отнести относительно низкую коррозионную стойкость в концентрированных кислотах при повышенных температурах, высокую стоимость. Тантал отличается высокой коррозионной стойкостью и высокой стоимостью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является теплообменник, применяемый для производства серной кислоты, выполненный из кислотостойкой стали и содержащий до 5,8% кремния (3). Недостатком такого теплообменника для сред содержащих серную кислоту и для условий при высокой температуре является недостаточная коррозионная стойкость, и как следствие необходимость использования дополнительной анодной защиты.

Целью изобретения является повышение коррозионной стойкости теплообменной трубы в концентрированной серной кислоте при температурах до 100^оС.

Указанная цель достигается тем, что теплообменную трубу изготавливают из сплава циркония, на которую со стороны агрессивной среды наносят кислотостойкое покрытие из окиси кремния или окиси циркония толщиной 20-500 мкм.

Сплавы циркония характеризуются относительно высокой коррозионной стойкостью в концентрированных кислотах при повышенных температурах, теплопроводностью, технологичностью мехобработки и значительно дешевле, чем другие материалы. Кроме того на поверхность циркония можно легко нанести сплошные толстые коррозионностойкие керамические покрытия, которые в значительной степени увеличивают коррозионную стойкость металла в горячих концентрированных кислотах.

Толщина керамического покрытия не должна быть меньше 20 мкм, так как в альтернативном случае из-за химического растворения покрытия может резко уменьшаться срок службы теплообменника (покрытие исчезает и резко возрастает скорость коррозии). Действительно, если толщина оксидного покрытия (ZrO₂), полученного на поверхности циркония после его высокотемпературной обработки в потоке кислорода менее 20 мкм, то средняя величина коррозии, оцениваемая по удельному уменьшению массы образцов, возрастает через 10 часов более, чем в 110 раз и, кроме того начинается процесс наводораживания металла.

При толщине керамического покрытия более 500 мкм большая вероятность растрескивания покрытия из-за больших внутренних напряжений. Особенно большая вероятность растрескивания покрытия, а следовательно резкого уменьшения коррозионной стойкости теплообменной поверхности, при колебании или изменении температуры агрессивной среды. Кроме того, чем больше толщина кислотостойкого покрытия, тем хуже теплопроводность.

Для экспериментальной проверки заявляемого изобретения были подготовлены опытные образцы цилиндрической формы с диаметром 18-20 мм и высотой 25-30 мм изготовленные из сплава циркония Э-110 с покрытием из окиси кремния и окиси циркония.

Покрытие из окиси циркония получали обработкой образца из переплавленного иодидного цикрония (температура плавления 1900^оС в среде химически чистого аргона (Р_арг ≃ 1,3˙10⁵ ПА) с последующей высо- котемпературной (1000^оС) обработкой в потоке кислорода (P ≃1,2˙10⁵ПА).

Покрытие из оплавленного оксида кремния получали методом микроплазменного электролиза. Режим электролиза: температура электролита - 70^оС, напряжение между анодом (образец) и катодом (ванна из нержавеющей стали) - 510 В, выпрямленный ток I_мах = 9 А; электролит - водный раствор силиката натрия (45 г/л Na₂SiO₃).

Полученные образцы испытывали на коррозионную стойкость в 98%-ной серной кислоте и в реакционной массе производства 2,5-дихлорфенил-3-метил-5-пиразолон-4-сульфокислоты (состав массы: диазосое- динения 73%, концентрированная (92,5%) серная кислота - 10%, фильтрат - 17%.

Для сравнения коррозионной стойкости в качестве кислотостойких материалов выбраны наиболее коррозионностойкие материалы тантал и серебро.

Результаты испытаний приведены в таблице.

В примерах 1-3 толщина кислотостойкого покрытия менее 20 мкм, в примере 7 - толщина покрытия более 500 мкм, примеры 8 и 9 для сравнения в качестве аналога и прототипа.

Из данных табл. 1 следует, что коррозионная стойкость образцов из сплава циркония с кислотостойким покрытием с толщиной от 20 до 500 мкм является удовлетворительной и из данных материалов можно изготавливать теплообменники для химической промышленности (например для сред производства 2,5-дихлорфенил-3-метил-5-пиразолон-4-сульфокислоты). Коррозионная стойкость циркония с заявленным покрытием в 3,67˙10⁴ раз больше коррозионной стойкости серебра в 98% серной кислоте при 98^оС, а следовательно и еще больше коррозионной стойкости кислотостойкой стали системы никель-хром-кремний (по прототипу). Коррозионная стойкость циркония с заявленным покрытием практически одинакова с танталом. Однако, стоимость тантала намного (более, чем в 10 раз) больше стоимости циркония.

Таким образом, применение теплообменной трубы из сплавов циркония с покрытием из окиси циркония и окиси кремния для изготовления теплообменников для химических производств позволяет значительно снизить их коррозионный износ и тем самым снизить капитальные затраты.

Использование: в теплообменном оборудовании, используемом в химической промышленности в высокоагрессивных средах. Сущность изобретения: для повышения коррозионной стойкости теплообменной трубы в концентрированной серной кислоте при температуре до 100°С, она изготовлена из сплава циркония с кислотостойким покрытием со стороны агрессивной среды, толщиной 20 - 500 мкм. В качестве кислотостойкого покрытия используют окись циркония или окись кремния. 1 табл.

ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, применяемых в реакционных массах с концентрированной серной кислотой при температурах до 100^oС, выполненная из коррозионностойкого материала, отличающаяся тем, что в качестве коррозионностойкого материала использован сплав циркония, причем стенки трубы со стороны агрессивной среды имеют кислотостойкое покрытие из окиси кремния или окиси циркония толщиной 20 - 500 мкм.