Выбор конструкционных материалов и средств защиты от коррозии химического оборудования

Выбор конструкционных материалов и средств защиты от коррозии химического оборудования

1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ АГРЕГАТА

1.1 Введение

На стадии создания проекта цеха очистки дымовых газов МСЗ № 4 «Руднево» в этом разделе решается задача, направленная на создание надежных долговечных и высокоэффективных агрегатов.

Выбор конструкционных материалов для данного цеха производится на основе исходных данных на проектирование, таких как температура среды, химический и процентный состав рабочей среды, абразивный износ, а также все параметры окружающей среды связанные с атмосферной коррозией.

Разрушение металлических аппаратов, конструкций, трубопроводов и других металлических изделий может быть вызвано различными причинами. Однако основной причиной, вызывающей коррозионное разрушение металлов и сплавов, является протекание на их поверхности электрохимических или химических реакций вследствие воздействия внешней среды. В зависимости от характера этих реакций коррозионные процессы происходят по двум механизмам — электрохимическому и химическому.

1. К химической коррозии относятся процессы, протекающие при непосредственном химическом взаимодействии между металлом и агрессивной средой и не сопровождающиеся возникновением электрического тока.

2. К электрохимической коррозии, являющейся гетерогенной электрохимической реакцией, относятся коррозионные процессы, протекающие в водных растворах электролитов, влажных газах, расплавленных солях и щелочах.

Электрохимическая коррозия в зависимости от характера агрессивной среды и условий протекания может быть:

1) кислотная (в растворах кислот);

2) щелочная (в растворах щелочей);

3) солевая (в водных растворах солей);

4) в расплавленных солях и щелочах;

5) атмосферная (в атмосфере воздуха или любого другого газа); это наиболее распространенный вид коррозии;

6) почвенная (под воздействием на металл почвы или грунта); этому виду коррозии подвержены трубопроводы и другие подземные сооружения;

7) коррозия внешним током или электрокоррозия (под влиянием тока от внешнего источника); коррозия, наблюдаемая обычно у подземных сооружений и обусловленная тем, что часть токов, ответвляясь с электроустановок, проходит через землю в находящиеся в ней сооружения; этот вид коррозии наблюдается также в электролизных цехах;

8) контактная (вызываемая контактом двух разнородных металлов, имеющих разные потенциалы).

В приведенных выше условиях возможны также следующие виды коррозии:

1) коррозия под напряжением — коррозия при одновременном воздействии на металл агрессивной коррозионной среды и механических напряжений; в зависимости от характера напряжений различают коррозию при постоянных растягивающих внешних нагрузках или внутренних напряжениях — коррозионное растрескивание и коррозию при переменных нагрузках — коррозионную усталость; многие аппараты в химической промышленности работают в указанных условиях и подвержены этому виду коррозии в случае неправильного конструирования отдельных узлов;

2) коррозионная кавитация — коррозия металла в условиях ударного воздействия агрессивной среды (например, разрушение лопастей гребного винта парохода);

3) коррозия при трении — коррозия металла в условиях трения;

4) биокоррозия — коррозия металлов при участии продуктов, выделяемых микроорганизмами в грунтах и электролитах.

Известны и другие виды коррозии в зависимости от условий эксплуатации конструкций и сооружений (коррозия при переменном погружении, при полном погружении, коррозия газо-жидкостная и др.).

1.2 Общая характеристика условий эксплуатации агрегата

Технологическая схема состоит из четырех последовательно связанных аппаратов:

циклона,

мокро-сухого абсорбера, с узлом приготовления известкового молока,

реактора,

рукавного фильтра.

Рассмотрим исследуемые аппараты. Запыленные дымовые газы после котла с t = 190 0C поступают в циклон, где происходит первичная очистка дымовых газов от золы. Далее дымовые газы поступают в мокро-сухой абсорбер, где за счет контакта с распыленным известковым молоком, происходит очистка от HF, HCL, SO2, а также процесс охлаждения при испарении воды до t = 190 0C.

Для осаждения кислотосодержащих остатков в дымовых газах, а также диоксинов, фуранов и тяжелых металлов предусмотрен реактор летучей золы, в котором эти вредные вещества связываются сухим адсорбентом («Вюльфрасорп С»). С этой целью адсорбент, представляющий собой смесь из гидроксида кальция и активированного угля с большой удельной поверхностью, впрыскивается перед рукавным фильтром в противотоке в дымовые газы. Сужение типа трубы Вентури вгазоходе после распылительного абсорбера служит для равномерного распределения адсорбента по сечению газохода. Выше названные вредные вещества вступают в реакцию с адсорбентом и, прежде всего, со слоями твердых частиц, агломерирующимися на внешней стороне рукавов рукавного фильтра (лепешка). Адсорбент подается пневматически из силоса, соответственно, к местам распыления в газоходе.

Рукавный фильтр скомпонованный в виде модульной конструкции служит для улавливания содержащихся в дымовых газах:

· летучей золы, не осаженной в циклонах,

· остаточных веществ после распылительного абсорбера и реактора летучей золы.

Известковое молочко готовится на подготовительной линии, состоящей из последовательно соединенных аппаратов:

· силос гидроксида кальция

· мешалка

· насосы

Силос гидроксида кальция объемом 200 м³ представляет металлическую цилиндрическую стальную емкость, которая находится в помещении. Температура помещения поддерживается на уровне 18 — 20 0C. Гидроксид кальция поступает через дозирующее устройство в мешалку для приготовления суспензии. Кроме реагента в мешалку подается хим. подготовленная вода с такой же температурой.

1.3 Характеристика коррозионных процессов и мероприятий по защите от коррозии агрегата

Последовательно рассмотрим три исследуемые агрегата.

Агрегат эксплуатируется при повышенной температуре t = 190 0C. Среда внутри аппарата газовая с наличием коррозионно-активных кислых газов HF, HCL, SO2 содержание которых не превышает сотых долей процента. Для обеспечения защиты от коррозии рекомендуется поддержание температурного режима. Это обеспечивается созданием теплоизоляционного защитного слоя с наружи аппарата. В случае не соблюдения режима возможно образование конденсата на внутренних частях аппарата, который увеличит скорость коррозии в несколько раз.

Газовая коррозия — это частный и наиболее распространенный случай химической коррозии. Газовой коррозии обычно подвержены металлические конструкции, работающие в условиях воздействия агрессивных газовых сред при высоких температурах. Под газовой коррозией понимают также и многочисленные случаи разрушения металлов, вызываемого окислением их при высокой температуре в отсутствии агрессивных газов. В данном аппарате возможен процесс газовой коррозии.

Дымовые газы содержат сернистые соединения, которые при наличии водяного пара образуют сероводород, являющийся агрессивной средой.

Дымовые газы, содержащие SO2 при температуре выше 150 °C заметно разрушают углеродистую сталь, однако наиболее сильная коррозия наблюдается при температурах ниже критической, когда пары воды конденсируются с поглощением сернистого газа.

Основными агрессивными веществами, вызывающими коррозию аппаратуры при очистке газов, особенно в присутствии кислорода, являются СО2 и H2S.

В водном растворе при повышенной, температуре углеродистая сталь реагирует с СО2 и H2S с образованием растворимых бикарбоната и сульфида железа.

Кроме газовой коррозии на данный агрегат, кроме газовой коррозии, действует атмосферная коррозия. Воздух представляет собой смесь газов. Основными газами, входящими в состав воздуха, являются азот (78,03%), кислород (20,99%), аргон (0,94%), а также водород, углекислый газ и другие газы в незначительных количествах. В зависимости от районирования и климатических условий воздух содержит значительное количество влаги и пыли.

коррозия химический аппарат абсорбер Промышленная атмосфера содержит углекислый газ, окись углерода, сернистый ангидрид и другие вещества, которые попадают в нее при выбрасывании дымовых и промышленных газов. Кроме указанных газов, промышленная атмосфера содержит много пыли, включающей кремнезем, земляные породы, сажу и другие вещества.

Исследования показывают, что при содержании в атмосфере 0,01% SO2 и влажности 70% потери в весе углеродистой стали в течение 90 дней на 100 см2поверхности достигает 120 мг. Если в этой атмосфере имеется сажа, то скорость коррозии углеродистой стали возрастает в 2 раза.

Углеродистая сталь начинает корродировать на воздухе при влажности его свыше 65%, когда на поверхности изделия образуется водяная пленка. Атмосферная коррозия ускоряется при наличии в воздухе пыли и газов, выбрасываемых промышленными предприятиями.

Углеродистые стали при комнатной температуре реагируют с кислородом воздуха и покрываются тонкой пленкой окислов. При высоких температурах диффузия воздушной среды через пленку окисла к металлу возрастает, окисление металла ускоряется, и толщина слоя продуктов коррозии увеличивается. В атмосферебез водяного пара углеродистая сталь корродирует значительно медленнее, чем в атмосфере с водяным паром.

В целях зашиты агрегатов от атмосферной коррозии, предусматривается покрытие аппаратуры лаками или другими покрытиями. В химическом аппаратостроении лакокрасочным антикоррозионным покрытиям подвергается преимущественно аппаратура из углеродистой стали и чугуна. Аппаратура из высоколегированных сталей и цветных металлов и сплавов, как правило, лакокрасочным покрытиям не подвергается.

Выбор лакокрасочного покрытия стальной и чугунной химической аппаратуры определяется:

1) степенью агрессивности воздействия окружающей среды на изделие и условиями эксплуатации его;

2) требованиями качества отделки поверхности изделия;

3) цветом покрытия.

Класс покрытия, характеризующий качество отделки поверхности, выбирается в зависимости от назначения изделия, условия и места эксплуатации его. Для химической аппаратуры внутрироссийских поставок обычно применяют IV класс отделки поверхности и реже III класс.

Для химической аппаратуры рекомендуются следующие цвета покрытий: серый, серебристо-алюминиевый, белый. Выбор лакокрасочных покрытий по условиям эксплуатации химической аппаратур осуществляется по ряду критериев и в нашем случае для агрегатов при температурах в пределах 25 ± 10 0C. (силос и мешалка) группа П (стойкие внутри помещений), а для циклона и абсорбера группа Т0 (термостойкие).

1.4 Общая характеристика конструктивного и материального оформления агрегата с описанием принятых решений

Циклон и та часть абсорбера, которая контактирует с дымовыми газами до их нейтрализации известковым молочком, изготавливают из корозионно-стойких сталей. Результаты коррозионных испытаний различных сталей в процессе очистки дымовых газов показали, что скорость коррозии хромоникелевой стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–79 не превышает 0,003 мм/год. Её применение не целесообразно.

В реакционном пространстве абсорбера образуются соли кальция, которые оседают на стенках агрегата. В этом случае следует применить сталь Ст3сп5 ГОСТ 380–94. В местах контакта стенок с не нейтрализованным дымовым газом следует применять сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–79.

Корпус силоса и мешалки взаимодействует с гидроксидом кальция, в первом случае в виде порошка, а во втором в виде водной суспензии в этой среде себя прекрасно зарекомендовала сталь 20 ГОСТ 1050–88. Скорость коррозии при температуре до 45 0С составляет 0,0063 мм/год

Описания мероприятий по защите агрегата от атмосферной коррозии.

В целях зашиты агрегатов от атмосферной коррозии, предусматривается покрытие аппаратуры лаками или другими покрытиями. В химическом аппаратостроении лакокрасочным антикоррозионным покрытиям подвергается преимущественно аппаратура из углеродистой стали и чугуна. Аппаратура из высоколегированных сталей и цветных металлов и сплавов, как правило, лакокрасочным покрытиям не подвергается.

Выбор лакокрасочного покрытия стальной и чугунной химической аппаратуры определяется:

1) степенью агрессивности воздействия окружающей среды на изделие и условиями эксплуатации его;

2) требованиями качества отделки поверхности изделия;

3) цветом покрытия.

Класс покрытия, характеризующий качество отделки поверхности, выбирается в зависимости от назначения изделия, условия и места эксплуатации его. Для химической аппаратуры внутрироссийских поставок обычно применяют IV класс отделки поверхности и реже III класс.

Для химической аппаратуры рекомендуются следующие цвета покрытий: серый, серебристо-алюминиевый, белый. Выбор лакокрасочных покрытий по условиям эксплуатации химической аппаратур осуществляется по ряду критериев и в нашем случае для агрегатов при температурах в пределах 25 ± 10 0C. (силос и мешалка) группа П (стойкие внутри помещений), а для циклона и абсорбера группа Т0 (термостойкие).

Выбираем наиболее оптимальный лак или эмаль по стоимостной характеристике, исходя из условий применения. Для силоса гидроксида кальция и мешалки применяем Эмаль ПХВ-23 ГОСТ 6993–79, а для циклона и абсорбера Лак АО ТУ МХП 2562 с алюминиевой пудрой ПАК-3 или ПАК-4 ГОСТ 5494–71.

2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ АППАРАТА (МАШИНЫ)

2.1 Циклон. Введение

Циклон служит для предварительного осаждения летучей золы из уходящих дымовых газов. Отделенные пылевые частицы собираются в осадительной емкости под воронкой циклона и по пневмотранспорту направляются в бункеры золы котла и летучей золы.

Для очистки продуктов сгорания ТБО от твердых частиц в технологической схеме завода применены два параллельно-расположенные циклона. Технологическая схема циклона приведена на рис. 2.

Рис. 2. Технологическая схема циклона Дымовой газ после котла утилизатора тангенциально направляется в цилиндрические, вертикально расположенные циклоны, приводится во вращение, в результате чего крупные частицы летучей золы отделяются вследствие центробежной силы и оседают в конусной части циклона (рис. 2). Во избежание забивки конуса вследствие налипания золы на стенки, стенки конуса снабжены сопровождающим отоплением. Эффективность улавливания золы в циклоне составляет примерно 70%. Перепад давления на циклоне составляет 1000 Па.

Отделенные частицы' золы осаждаются в накопительной емкости под конусной частью циклона, где расположены два смотровых лючка, и по шнековому транспортеру через шлюзовой затвор поступают в приемный резервуар пневматического транспортёра. Приёмный резервуар служит для того, чтобы собирать оседающую летучую золу и подводить её в пневматический транспортёр. Зола из приемного бункера посредством сжатого воздуха транспортируется в силосостатков после газоочистки.

Диаметр циклона 3 м; общая высота — 16,2 м; высота конусной части -7,4 м.

2.1.1 Характеристика условий эксплуатации аппарата

В циклоне протекает процесс очистки дымовых газов от твердых крупнодисперсных частиц путем их осаждения под действием центробежной силы.

Температура внутри аппарата 190 0С. Среда внутри аппарата кислые дымовые газы, которые являются коррозионно-активной средой. Аппарат работает при атмосферном давлении при небольшом разряжении до 1000 Па.

2.1.2 Характеристика конструктивных особенностей разрабатываемого аппарата

Аппарат выполнен из стали обыкновенного качества Сталь Ст3сп ГОСТ 380–94, при чем наружная поверхность покрыта специальным антикоррозионным лаком.

Возможно применение других сталей с аналогичными характеристиками по температуре использования и устойчивости в среде для экономии материалов.

2.1.3 Характеристика возможных коррозионных процессов в аппарате в целом и отдельных его узлах

В данном аппарате возможно протекание процессов химической коррозии, а именно газовой коррозии. Возможен также абразивный износ поверхности в результате движения потока запыленного дымового газа. Кислая среда дымовых газов способствует высокой скорости коррозии высокоуглеродистых и не легированных сталей.

2.1.4 Описание мероприятий по защите аппарата или машины от атмосферной коррозии

Исходя из условий эксплуатации аппарата (температурного режима) применяем для циклона Лак ПФ-170 с 15% пудры алюминиевой ПАП-2 ГОСТ 15 907–70 Он обеспечивает надежную защиту от атмосферной коррозии при температурах до 300 0С. Толщина покрытия 0,015 до 0,02 мм. Количество слоев 2.

Им покрываются металлические детали, покрытые мочевинными и глифталевыми эмалями, также добавляется в глифталевые и пентафталевые эмали для повышения блеска покрытий глянцевое, механически прочное, средней твердости, эластичное, устойчивое к периодическому воздействию минерального масла, спиртобензиновой смеси, бензина, воды.

Покрытии внутренних полостей цинковое 6 мкм, оксидированное в черный цвет.

2.2 Распылительный абсорбер. Введение

Распылительный абсорбер представляет собой полый прямоточный цилиндрический аппарат с коническим днищем циклонного типа с центральным вводом дымовых газов через закручивающее устройство. В аппарате происходит осаждение находящихся в дымовых газах кислых компонентов.

Дымовые газы подаются насосом, вводится через боковой верхний штуцер, под углом. Поток закручивается и за счет центробежных сил происходит осаждение твердых частиц, а очищенные дымовые газы удаляются через боковой патрубок в нижней части абсорбера. Осевшие прореагировавшие частицы выгружается через штуцер в нижней части аппарата.

Диаметр абсорбера 8,5 м; общая высота — 17,55 м; высота конусной части -7,09 м; диаметр патрубка для ввода дымовых газов — 1,6 м. Распылительная машина установлена по оси абсорбера в месте ввода газов. РМ абсорбера работает в условиях свободного слива реагента на рабочий диск. Механизм разбрызгивания жидкости основан на разрушении пленки жидкости под действием центробежной силы, образующейся при высокооборотном вращении диска. Проектная скорость вращения рабочего диска- 12 000 об/мин.

Рис. 3. Распылительный абсорбер

2.2.1 Характеристика условий эксплуатации аппарата

В мокро-сухом абсорбере протекают одновременно два процесса:

— процесс улавливания газообразных загрязнителей;

— процесс испарения капель разбрызганной жидкости.

Первый процесс оказывает влияние на степень очистки газов от загрязнителей, протекание второго процесса может повлечь за собой образование отложений на стенках абсорбера. Поэтому для мокро-сухих абсорберов важными моментами являются хорошая аэродинамика потоков в абсорбере и тонкий, монодисперсный распыл жидкости. Обычно, для получения тонкого монодисперсного распыла жидкости используют распылительные машины, работающие под работающие давлением, которые имеют калиброванные отверстия для истечения и распыла жидкости.

Производительность по газу 71 300 нм3/ч. Температура в аппарате изменяется от 190 0С до 150 0С Давление в аппарате 0.1 МПа. Среда токсичная, коррозионная.

2.2.2 Характеристика конструктивных особенностей разрабатываемого аппарата

Аппарат выполнен из низкоуглеродистой стали Ст3сп5 ГОСТ 380–94, при чем наружная поверхность покрыта специальным антикоррозионным лаком. Верхняя часть аппарата находящаяся под действием кислых компонентов выполнена из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632–79.

2.2.3 Характеристика возможных коррозионных процессов в аппарате в целом и отдельных его узлах

В данном аппарате возможно протекание процессов химической коррозии, а именно газовой коррозии. Кислая среда дымовых газов способствует высокой скорости коррозии высокоуглеродистых и не легированных сталей.

2.2.4 Описание мероприятий по защите аппарата или машины от атмосферной коррозии

Исходя из условий эксплуатации аппарата (температурного режима) применяем для циклона Лак ПФ-170 с 15% пудры алюминиевой ПАП-2 ГОСТ 15 907–70 Он обеспечивает надежную защиту от атмосферной коррозии при температурах до 300 0С. Толщина покрытия 0,015 до 0,02 мм. Количество слоев 2. Покрытии внутренних полостей цинковое 6 мкм, оксидированное в черный цвет (Покрытие Ц6окс. ч.)

2.3 Рукавный фильтр. Введение

Рукавный фильтр служит для улавливания содержащихся в дымовых газах:

— летучей золы, не осажденной в циклонах;

— остаточных веществ после распылительного абсорбера и реактора летучей золы.

Для предотвращения прямого набегания потока на фильтрующие элементы дымовые газы направляются через входное отверстие на дефлектор в успокоительной камере. Одновременно достигается лучшее распределение дымовых газов в рукавной камере .Пыль осаждается на наружной поверхности рукавов фильтра, в то время как обеспыленные дымовые газы выводятся из фильтра через камеру очищенного газа.

Корпус рукавного фильтра разделяется на:

— камеру очищенных газов,

-рукавную камеру с интегрированным в нее распределительным газоходом неочищенных газов

-пылевой бункер.

Очистка рукавов фильтра (4 модуля, в каждом по 192 рукава) производится по достижении определенного значения перепада давления (15 мбар) в процессе эксплуатации (оперативная система управления) при помощи сжатого воздуха. Дифференциальным манометром давлений очищенного и неочищенного дымовых газов подается управляющий сигнал на соленоидныеклапаны. Каждым соленоидным клапаном управляется ряд из 16 рукавов. Очистка производится при перепаде давления, составляющем примерно 15 мбар. Заданное значение перепада давления определяет образование лепешки на поверхности рукавов. Если значение перепада давления превышает или снижается ниже предельно допустимого, на щит управления поступает сигнал тревоги. Необходимое абсолютное давление очищающего воздуха (прим. 5,5 бар) устанавливается регулирующим клапаном.

Рис. 4. Рукавный фильтр.

2.3.1 Характеристика конструктивных особенностей разрабатываемого аппарата

Аппарат выполнен из конструкционной углеродистой стали ВСт3сп5 ГОСТ 380–94. Для крепежных деталей применяем Сталь Ст3 ГОСТ 380–94 ввиду невысокой цены. Трубопровод, вентилятор и другие вспомогательные элементы выполняем из Сталь 20 ГОСТ 1050–88.

2.3.2 Характеристика возможных коррозионных процессов в аппарате в целом и отдельных его узлах

В данном аппарате возможно протекание процессов контактной коррозии сварных швов. Для этого их необходимо делать непрерывными.

Список использованной литературы

1. Клинов И. Я, Удыма П. Г, Молоканов А. В., Горяинова А. В., Химическое оборудование в коррозионностойком исполнении., — М.: Машиностроение, 1970.,-589 с.;

2. Сухотин А. М., Зотиков В. С., Химическое сопротивление материалов, — Л.: Химия, 1975, — 408 с.;

3. Пахомов В. С., Паршин А. Г., Коррозионностойкие металлы и сплавы для химической аппаратуры, Учебное пособие, -М.: МИХМ, 1985, — 84 с.;

4. Лащинский А. А., Толчинский А. Р., Основы конструирования и расчета химической аппаратуры, — Л.: Машиностроение, 1970, — 752 с.;

5. Сорокина В. Г., Гервасьева М. А., Стали и сплавы, Марочник, -М.: Интермет инжиниринг, 2003, -608 с.