Korrosionsbeständigkeit von Zirkonium im Einsatz mit Salpeter- und Phosphorsäure
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Warum Zirkonium für aggressive chemische Anwendungen ausgewählt wird
Zirkonium ist ein reaktives Metall, dessen Korrosionsbeständigkeit auf einem dünnen, zähen und selbst{0}}reparierenden Oxidfilm beruht. Sobald sich dieser Film an der Luft oder in einem oxidierenden Medium gebildet hat, widersteht das Metall vielen Prozessströmen, die Kohlenstoffstahl und sogar Edelstahl zerstören. Unlegiertes industrielles Zirkonium wird als Band, Blech und Platte gemäß ASTM B551/B551M, als Stab und Draht gemäß ASTM B550/B550M und als nahtloses oder geschweißtes Rohr gemäß ASTM B523/B523M geliefert, sodass es als vollständig kontrolliertes Konstruktionsmaterial für Druckgeräte, Wärmetauscher, Kolonnen, Rohrleitungen und Pumpen in Chemieanlagen spezifiziert werden kann.
Korrosionsverhalten in Salpetersäure
Zirkonium weist in 95 %iger Salpetersäure unter 200 Grad eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Der Passivfilm bleibt stabil, solange die Säure oxidierend bleibt und einen Mindestwassergehalt beibehält. Bei trockener, rot rauchender Salpetersäure ist die Situation anders: Wie bei Titan kann eine schnelle Oxidation und sogar eine explosive Reaktion ausgelöst werden, wenn der Wassergehalt und das Sauerstoff-Stickoxid-Gleichgewicht außerhalb des sicheren Fensters fallen. Die etablierte Gegenmaßnahme besteht darin, ein definiertes Gleichgewicht von Wasserdampf und Sauerstoff im Dampfraum über der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten, anstatt sich nur auf das Metall zu verlassen.
Die gleichmäßige Korrosionsrate in Salpetersäure ist gering, dennoch ist Zirkonium anfällig für Spannungsrisskorrosion. Das Risiko muss über den gesamten interessierenden Salpetersäurekonzentrations- und Temperaturbereich, sowohl in konzentrierten als auch in verdünnten Medien, bewertet werden und wird hauptsächlich durch Metallurgie und Fertigungsdisziplin kontrolliert: vollständig geglühtes Material, geringe Eigenspannung und rissfreie Schweißnähte.
Die praktischen Konsequenzen für die Gerätekonstruktion liegen auf der Hand. Dampfräume sollten ebenso sorgfältig beurteilt werden wie die Flüssigkeit, da sich die Chemie des Kondensats stark von der Chemie der Hauptsäure unterscheiden kann und Bereiche, in denen Flüssigkeit verdampfen und sich konzentrieren kann, besondere Aufmerksamkeit verdienen.
Korrosionsverhalten in Phosphorsäure
Zirkonium ist in kochender Phosphorsäure bei Konzentrationen unter 60 % korrosionsbeständig. Bei 60 % H3PO4 nimmt die Korrosionsrate mit steigender Temperatur stark zu, sodass sich das nutzbare Fenster oberhalb dieser Konzentration schnell verengt. Um zu beurteilen, ob Zirkonium für eine bestimmte Phosphorsäureanwendung geeignet ist, muss zunächst die tatsächliche Zusammensetzung des Mediums ermittelt werden, da normalerweise die Nebenbestandteile und nicht die Säure selbst über das Ergebnis entscheiden.
Fluorid (F-) wirkt sich deutlich ungünstig auf die Korrosionsbeständigkeit von Zirkonium aus und muss streng begrenzt werden, während das in der Prozesslauge vorhandene P2O5 als wirksamer Korrosionsinhibitor fungiert. Nass-Phosphorsäureanlagen vergleichen daher die vollständige Flüssigkeitsanalyse, das Temperaturprofil und den erwarteten Fluoridgehalt, bevor sie sich für Zirkonium für Wärmetauscher, Reboiler, Rührwerke oder Rohrleitungen entscheiden.
Serviceumschlag auf einen Blick
| Medium und Zustand | Verhalten von Zirkonium | Designhinweis |
|---|---|---|
| 95 % Salpetersäure, unter 200 Grad | Gute Korrosionsbeständigkeit | Oxidierende, wasser-haltige Säure hält den Passivfilm stabil |
| Trockene rote rauchende Salpetersäure | Gefahr einer schnellen Oxidation | Sorgen Sie für einen ausgeglichenen Wasserdampf- und Sauerstoffgehalt im Dampfraum |
| Salpetersäure, konzentriert oder verdünnt | Geringe gleichmäßige Rate, Rissbildung möglich | Vollständig ausglühen, Zugeigenspannungen vermeiden, Schweißen qualifizieren |
| Phosphorsäure unter 60 %, siedend | Korrosionsbeständig | Bestätigen Sie vor der Auswahl die Zusammensetzung der Spirituose |
| Phosphorsäure bei 60 % und steigender Temperatur | Die Korrosionsrate steigt stark an | Stellen Sie eine konservative maximale Betriebstemperatur ein |
| Fluoridhaltige Phosphorsäure | Angriff beschleunigt um F- | Begrenzen Sie Fluorid; Der P2O5-Gehalt wirkt als Inhibitor |
Fertigungs- und Designpraxis
Umgeformte und geschweißte Bauteile vollständig auszuglühen, um Restzugspannungen zu beseitigen und das Risiko von Rissen zu verringern.
Schweißen Sie unter Inertgasschutz mit qualifizierten Verfahren und halten Sie den Wärmeeintrag und die Zwischenlagentemperatur unter Kontrolle.
Entfernen Sie fluoridhaltige Reinigungsmittel, Beizrückstände und Markierungstinten von der Oberfläche fertiger Geräte.
Sorgen Sie für eine vollständige Entwässerung und vermeiden Sie Spalten und Stagnationszonen, in denen sich aggressive Arten ansammeln können.
Berücksichtigen Sie die Wasserstoffaufnahme und Hydridbildung, wenn Geräte im nassen, mit Wasserstoff-geladenen oder kathodisch geschützten Betrieb betrieben werden.
Achten Sie bei der Auswahl von Rohr{0}}--Verbindungen und Befestigungselementen auf Wärmeausdehnung, geringe Wärmeleitfähigkeit und Fressneigung.
Typische Anwendungen
Zirkoniumausrüstung wird für Salpetersäurekühler und -kondensatoren, Harnstoff- und Ammoniumnitratanlagenausrüstung, Phosphorsäurewärmetauscher und Aufkocher, organische chemische Reaktoren, Rohrleitungen und Ventile für den Umgang mit heißen oxidierenden Säuren sowie für Salz- und Schwefelsäureanwendungen verwendet, bei denen Konzentration und Temperatur kostengünstigere Alternativen ausschließen. Die gleiche Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und Wärmeübertragungsleistung unterstützt auch den Einsatz in Spezialinstrumenten, Chemiepumpen und Laborgeräten.
Häufig gestellte Fragen
F: Ist Zirkonium in allen Konzentrationen beständig gegen Salpetersäure?
Es widersteht 95 %iger Salpetersäure unter 200 Grad gut, aber trockene rote rauchende Salpetersäure erfordert eine Dampfphasenkontrolle, und Spannungsrisskorrosion muss sowohl bei konzentrierten als auch bei verdünnten Anwendungen berücksichtigt werden.
F: Warum ist Spannungsrisskorrosion bei Salpetersäure ein Problem?
Da die gleichmäßige Korrosionsrate niedrig ist, die Legierung jedoch unter Zugspannung im HNO3-Betrieb reißen kann, bestimmen Restspannung und Schweißqualität, nicht nur Korrosionszugaben, die Lebensdauer der Ausrüstung.
F: Wie wirkt sich Fluorid auf Zirkonium in Phosphorsäure aus?
Fluorid beschleunigt den Angriff stark und muss begrenzt werden, während das in der Prozesssäure natürlicherweise vorhandene P2O5 als Inhibitor wirkt und die Aussichten verbessert.
F: Ab welcher Phosphorsäurekonzentration ist Zirkonium nicht mehr geeignet?
Es ist in siedender Säure unter 60 % korrosionsbeständig; Bei 60 % steigt die Korrosionsrate stark mit der Temperatur an, sodass höhere Konzentrationen eine Einzelfallbewertung der tatsächlichen Flüssigkeit erfordern.
F: Welche Standards gelten für industrielle Zirkoniummühlenprodukte?
ASTM B551/B551M deckt Bänder, Bleche und Platten ab, ASTM B550/B550M deckt Stangen und Drähte ab und ASTM B523/B523M deckt nahtlose und geschweißte Rohre für den allgemeinen korrosionsbeständigen Einsatz ab.
F: Was ist der nützlichste Schritt vor der Bestellung von Zirkoniumgeräten?
Ermitteln Sie die tatsächliche Zusammensetzung des Prozessmediums, einschließlich Fluorid-, Wasser- und Inhibitorgehalt, bei jeder Temperatur, der die Anlage ausgesetzt ist, einschließlich Abschalt- und Reinigungsbedingungen.
