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TC4钛合金材料厂家谈钛设备在石油氯碱制盐等领域的重要应用
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TC4钛合金材料厂家谈钛设备在石油氯碱制盐等领域的重要应用

发布时间 :2021-09-16 16:24:52 浏览次数 :

1、前 言

钛及钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点 [1] ,在航空、航天、造船等领域被广泛应用。尤其是其耐腐蚀性能优良,使得钛制设备具有钢制、铝制、铜制设备无法比拟的优点,虽然钛设备价格较高,但使用寿命长、维修费用低,有利于降低原材料和能源消耗,改善劳动条件,利于环保,从而获得很高的经济效益,广泛应用于酸、碱、盐等腐蚀性介质条件下的罐(塔)、换热器、输送管道等,在石油、化工、电力、冶金、海洋工程等工业领域是重要的结构材料。目前国内常用于制造钛制设备或容器的钛材品种有:工业纯钛 TA1、TA2,钛钯合金 Ti-0.2Pd,钛钼镍合金Ti-0.3Mo-0.8Ni,钛钼锆合金 Ti-15Mo-5Zr 等 [2] 。根据使用情况有着不同的选择。

钛管换热器

2、钛制设备的应用

2.1 石油工业

钛在有机化合物中,除了温度较高的 5 种有机酸(甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸)外,都具有非常好的稳定性,是石油炼制和石油化工中优良的结构材料 [1] 。在石油化学工业中除反应器、冷凝器、管道使用钛外,在石油钻井设备中也使用钛。在 6000 m 深的含硫气井内,压力为 140 MPa,温度为 262 ℃,含硫化氢和盐等强腐蚀性介质 (pH=5~5.5),只有钛合金适用 [1] 。 国外炼油厂中钛正成功的使用于酸性水汽提塔、原油架空冷凝器、中间吸收交流换热器、脱酸剂分馏塔,钛还可以用来制作各种热交换器、反应器、高压容器和蒸馏塔等。

2.2 电力工业

电力工业是国民经济的重要基础工业,是国家经济发展战略的重点和先行产业。随着我国经济近年来快速发展,许多地方电力供应紧张,目前每年新增装机量 2.5×10 7 kW 以上。

钛在含有氯化物、硫化物等许多腐蚀性较强的热水中具有较好的稳定性,因此钛大量在火力发电厂中用作热交换器的冷却管。

火电站和核电站过去都用的是铝青铜冷凝器,但沿海的电站所用冷却水是海水,有些内陆电站用的冷却水污染严重,对冷凝器具有较强的腐蚀性。

在这种环境下,钛明显优于铝青铜、铝黄铜、70Cu-30Ni 和 90Cu-10Ni 等合金。尽管钛制冷凝器一次性投资大,但寿命长,减少了停机维修及更换设备所需的停产时间及因腐蚀泄漏而带来的减产损失,经济效益十分明显 [1] 。

2.3 海水淡化工业

海水约占地球水资源的 97%,通过海水淡化来得到新的淡水资源是今后发展的一大趋势。目前,它已成为中东、日本等水资源缺乏地区获取淡水的主要方式。

海水淡化主要有 2 种方法:蒸馏法和反渗透法。

蒸馏法是将海水加热使其汽化,然后将蒸汽冷凝而获得淡水,其工作温度较高,可以用钛;反渗透法是将海水加压,使其中的淡水透过一种特殊的膜而将盐份截留,如此获得淡水,其工作温度较低,一般不用钛。目前,蒸馏法海水淡化工艺占到世界造水量的 78%左右,一般大多采用多级蒸馏法。在多级蒸馏法中加热器和蒸馏器则大多使用薄壁焊接钛管

钛抗海水腐蚀的能力比其他所有金属都好,无论是在静止的或高速流动的海水中钛都具有特殊的稳定性,因此钛是海水淡化装置的理想材料。海水淡化中应用钛制设备有:热交换器、冷凝器、供水加热管、管道、其他接触海水设备等。

2.4 纯碱工业

纯碱——碳酸钠,是最基本的化工原料之一,广泛应用于冶金、石油、化肥、化纤、染料、纺织、玻璃、纸浆、食品和肥皂等工业中。

生产纯碱的方法主要有天然碱法和以盐为原料的氨碱法、联碱法(伴生氯化铵),生产介质中的 Na + 、CO 3 2- 、Cl - 等对钢制、铸铁制设备及管道有着很强的腐蚀性。尤其是联碱法生产氯化铵部分,其 Cl - 浓度更高,腐蚀更为严重。由于钛对 Cl -的耐蚀性能优于常用的不锈钢和其它有色金属,钛材在氨母液中的年腐蚀率几乎为零,而且钛换热管传热效果好,设备寿命长,钛在纯碱生产的各种主体设备上得到大范围的推广应用,如钛板式换热器、钛外冷器、钛母液预热器、碳化塔冷却小管、钛泵阀等 [3] 。

2.5 氯碱工业

氯碱工业是基础原料化学工业,其主要产品有烧碱、液氯、盐酸、聚氯乙烯及其相关产品,是重要的无机化工原料,广泛用于轻纺、造纸、农药、医药、建材和冶金等行业,对国民经济的发展起着举足轻重的作用。

在氯碱工业的生产中,诸如盐水精制、电解、氯气处理等工序的许多物料,都具有很强的腐蚀性,利用钛材对湿氯气、次氯酸及氯酸盐等介质具有很强的抗蚀性的特点,较好的解决了防腐问题,使氯碱工业得到了迅速发展。

20 世纪 70 年代后期,推广使用金属钛阳极隔膜电解槽代替石墨阳极电解槽。金属钛阳极隔膜电解槽与石墨阳极电解槽相比,阳极寿命由原来的6~9 个月,提高到现在的 10 年以上,同时还提高了烧碱和氯气的产量与质量以及电流效率和电流密度,降低了能耗和生产成本,提高了劳动效率,并彻底消除了铅对环境的污染,其经济和社会效益是 显著的 [4] 。

20 世纪 80 年代中期,推广采用节能、高效和无污染的现代先进技术——离子膜法生产烧碱。离子膜制碱中要求盐水的质量极高,盐水在进入电解槽前的设备、管线、仪表等中不允许有任何腐蚀而带进铁、钙等重金属阳离子。若重金属离子含量超标,会严重影响离子膜寿命,很快降低电流效率,无法体现离子膜制碱的优越性,整个装置就不能长期稳定生产。钛材在含氯介质中具有的极强耐蚀性,使得钛在离子膜氯碱工业应用中的重要性体现更加明显。离子膜法用钛设备有钛阳极电解槽、配套钛阳极液槽、仪表钛冷却器、次氯酸钠钛冷却器、钛制脱氯塔、管线和泵阀等,1 套万吨级装置用钛量约 8 t[4] 。

2.6 焦化行业

我国钢铁工业发展十分迅速,对焦炭的需求量越来越大。在生产焦炭时会产生大量的煤气,这些煤气需要净化处理,同时提取硫铵、硫磺等副产品。

目前采用的煤气净化工艺主要有 AS 法(氨硫联合洗涤法)和 HPF 法(以氨为碱源的硫氨法)。由于煤气中含有腐蚀性极强的 H 2 S、NH 3 、HCN,使设备腐蚀十分严重。国外对焦炭生产主体设备均采用钛材。我国在 20 世纪 80 年代初仅在熄焦塔扑尘装置上应用钛材,90 年代以后,陆续在 AS 法煤气净化工程中大量采用了钛制设备,有钛制脱酸塔、钛制蒸氨塔分缩器、蒸氨塔和挥发铵塔钛塔盘、钛板式换热器、钛阀门、钛管道、钛制仪表、流量计等,应用效果非常好。近几年来,我国自行研发采用 HPF新型高效复合催化剂从焦炉煤气中脱除 H 2 S、HCN的新工艺,这种工艺已陆续在一些企业应用,其中氨分缩器、精馏塔塔盘、氨冷凝冷却器、熄焦扑尘装置均采用钛材 [5] 。

2.7 湿法冶金行业

自 20 世纪 70 年代初以来,我国的湿法冶金行业,如云南冶炼厂、上海冶炼厂、沈阳冶炼厂、金川公司、葫芦岛锌厂等企业率先在铜电解、镍电解、铅锌冶炼、贵金属提炼中使用钛材,制作钛种板、钛加热器、钛反应釜等,并获得极大成功,不仅解决了以往的腐蚀问题,且提高了产品的质量,取得了极其显著的经济效益和社会效益。

以往的种板选用铜种板、不锈钢种板,由于其在硫酸溶液下工作耐蚀性等较差,且容易烧板变形,钛作为种板应用的主要优点是:

1)钛表面的氧化膜保护了钛不被电解液腐蚀,且又不污染电解液;

2)剥离极其容易,减轻了劳动强度;

3)成品率提高了 30%以上;

4)电铜结晶组织致密,表面光滑;

5)不易短路烧板;

6)使用寿命在 30 年以上。

以往的铜电解液加热用铅管或石墨管,由于铅管、石墨管固有的性能不足,不能承受较大的蒸汽压力,怕震动、极易结垢等,满足不了加热工艺要求,经选用钛列管加热器后,解决了以上问题。近几年,钛钢复合工艺日趋成熟,从节约资金、满足生产工艺考虑,外壳选用碳钢,换热管选用钛管,不仅解决了腐蚀问题,又降低了设备的投资 [6] 。

目前湿法冶金行业应用的钛设备主要有:钛真空蒸发器,用于电解硫酸铜制造铜;钛阀,用于铜电解液的输送;钛板式加热器,用于电解液的加温;钛反应器或钛复合板反应器,用于湿法提取金属工艺;钛制母板易剥而不易粘板、始板片质量较好、无需使用隔离剂、耐电解液腐蚀 4 大优点使其在电解行业采用广泛;钛盘管则用于湿法提取银溶液的保温。

2.8 制药工业

钛在制药业中主要用于制作容器、反应器和加热器等。

制药生产中,设备经常要接触盐酸、硝酸、硫酸等无机酸、有机酸及其盐类,设备因腐蚀经常损坏,同时因钢制设备带来的铁离子污染影响了产品质量,采用钛制设备则能解决这些问题。例如,青霉素酯化釜、糖化罐、氯霉素薄膜蒸发器,安乃近反应器、米吐尔过滤器、硫酸二甲酯冷却器、药液过滤器等都有选钛材的先例,所生产的药液的数量和质量都在不断提高,而且质量完全符合中国药典的规定。

2.9 造纸和纺织工业

钛对二氧化氯、亚氯酸、亚氯酸盐等漂白剂具有特殊的抗腐蚀性能。因此,钛在纺织印染工业、造纸工业的漂白设备中有着重要的作用,例如:钛材制造的亚漂机使用效果很好,还有在合成纤维等工业中用作喷丝头。

在纺织工业中应用钛设备有:连续漂白机、反应槽、冷凝器、热交换管、离心分离机的泵、阀等;在造纸工业中应用的钛设备有:搅拌器、漂白塔、加热锅、反应塔配管等。

2.10 真空制盐工业

高温浓盐卤水对真空制盐用碳钢设备的严重腐蚀直接影响了设备能力的发挥及生产的正常进行,腐蚀造成设备频繁维修,大量的跑冒滴漏。钛及钛合金具有优异的抗海水及氯化物溶液腐蚀及流体冲刷的性能,良好的综合机械性能,比强度高,使其在真空制盐行业得以广泛推广应用。应用的主要设备为:钛氨蒸发器、钛预热器、钛预冷器、钛冷冻泵、铸钛叶轮、盐浆输送管道等。

2.11 其他行业

钛在冶金工业中应用有:合金钢添加剂、电解纯金属(如钢、镍、钴)的阴极板和电镀槽等。

钛在舰艇工业中的应用有:舰艇外壳、甲板、阀、快艇推进器、传动轴、深潜艇压力舱等。

3、结 语

我国钛储量占世界首位,从资源角度来讲,我国有着发展钛工业良好的物资保证条件。而近年来,国内钛产业发展较快,随着钛应用的不断推广以及企业对钛认识的进一步加强,钛设备在工业中的应用将日趋广泛,钛制设备的研究开发也在日渐深入,应用范围日益扩大,将会为世界经济发展做出更大贡献。

参考文献

[1] 胡清熊. 钛工业进展[J], 2003, 20(4~5): 11

[2] 杨永福, 艾建玲. 压力容器[J], 2002, 19(4): 32

[3] 杨世杰. 钛工业进展[J], 2003, 20(4~5): 95

[4] 杨世杰. 钛工业进展[J], 2003, 20(4~5): 98

[5] 林 英, 翟建宇. 钛工业进展[J], 2003, 20(4~5): 107

[6] 陈礼运, 黄宪法. 钛工业进展[J], 2003, 20(4~5): 111

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