El comportamiento de los aceros inoxidables en ácido sulfúrico concentrado

El comportamiento de los aceros inoxidables en ácido sulfúrico concentrado
El ácido sulfúrico es uno de los productos químicos más utilizados en el mundo y, en concentracionessuperior al 90% en peso, también es muy corrosivo. Este documento analiza la elección de materiales paramanipulación de ácido sulfúrico concentrado, especialmente a temperaturas elevadas (hasta 200 ° C)que ocurren durante su fabricación. Algunos de los aceros inoxidables austeníticos y dúplex modernos sonrevisados ​​y se discuten sus limitaciones y ventajas.
Por Roger Francis, RR® Materiales, Reino Unido

IntroducciónEl ácido sulfúrico es una sustancia química que se utiliza en numerososprocesos, así como en la lixiviación de muchos metales de susminerales. Se produce a partir de dióxido de azufre, que puede sergenerado por la quema de azufre, puede ser un subproducto de unproceso de fundición metalúrgica, o puede ser producido por calordescomposición (regeneración) del ácido gastado. El dióxido de azufrese hace reaccionar con oxígeno sobre un catalizador a ~ 420 ° a 625 ° C para formartrióxido de azufre. Este último gas luego reacciona con el agua en eltorres absorbentes para formar ácido sulfúrico. Este proceso esexotérmico y el ácido puede alcanzar temperaturas de hasta 180 °hasta 200 ° C. La mayor parte de esta energía se recupera por diversos medios paraminimizar el consumo de energía. Por lo general, el ácido luego se enfríadesde alrededor de 100 ° C hasta cerca de la temperatura ambiente para el almacenamiento.


MaterialesTradicionalmente se utilizaban materiales como el acero revestido con ladrillos ácidos paravasos, y hierros dúctiles, como Mondi® o austenítico de baja aleaciónaceros inoxidables como 316 para tubería, dentro de un límiterango de temperatura y concentración de ácido. sin embargo, eldesarrollo de aceros inoxidables modernos de alta aleación, con mejorasla resistencia al ácido concentrado caliente ha cambiado los materialesopciones de selección. La tabla 1 muestra la composición de algunosaceros inoxidables que se utilizan con ácido sulfúrico. 304 y 316 sonlos grados austeníticos comunes que son ampliamente utilizados por elindustria química y de procesos. La aleación 310 tiene un alto contenido de cromo,Aleación austenítica de níquel que tiene una resistencia superior a la corrosión ácidaen comparación con 304 y 316. ZERON®100 y 2507 sonaceros inoxidables superdúplex con un 50/50 aproximadoEquilibrio de fase austenita / ferrita. Esta estructura da una mayorfuerza (~ 2½ veces) que la de las aleaciones austeníticas y ofrecela posibilidad de ahorro de espesor de pared para aplicaciones que implicanaltas presiones y / o temperaturas.Saramet®, Sandvik SX® y ZeCor® son todos austeníticos patentadosaceros inoxidables que contienen ~ 5% de silicio, lo que mejora laresistencia a la corrosión en ácido fuerte caliente. Saramet viene en dosvariantes, con composiciones ligeramente diferentes. ZeCor es más eficientecromo y níquel que las otras dos aleaciones patentadas, perocontiene más silicio, un elemento conocido por promover la corrosiónresistencia en ácido fuerte y caliente.

CorrosiónLa Figura 1 muestra las curvas de iso-corrosión para algunas aleaciones comunes.en ácido sulfúrico. Puede verse que las aleaciones superdúplex sonsuperior a 316L. ZERON 100 también es superior a 2507, que esse cree que se debe a las adiciones deliberadas de tungsteno ycobre a ZERON 100. La aleación 20 se usa comúnmente en sulfúricosácido y de aproximadamente 50% a 90% de ácido es superior a ZERON100. Sin embargo, en ácido fuerte (GG gt; 90%) ZERON 100 muestra unmarcado aumento de la resistencia a la corrosión en comparación con 2507 yaleación 20.

La figura 2 compara las curvas de isocorrosión de los tresaleaciones patentadas que contienen silicio y ZERON 100. Haydiferencias claras entre las aleaciones, con el silicio que contienealeaciones que muestran una resistencia a la corrosión mejorada en ácido más diluido.Al investigar este artículo, el autor no pudo encontrar ningúndatos publicados para acero inoxidable 310 sobre esta concentración de ácidorango. Probablemente esto se deba a que los fabricantes de plantas ácidasconsiderar esto como datos comercialmente sensibles. Sin embargo, se sabeque la resistencia a la corrosión del acero inoxidable 310 disminuye notablementecuando la concentración de ácido desciende por debajo del 96%.La figura 3 muestra las curvas de iso-corrosión para 304, 310 ySaramet 23 en ácido muy fuerte1,2. Puede verse que hay unAumento de la resistencia a la corrosión de 310 y Saramet enel rango de temperatura de 180º a 200ºC. Se supone que SX yZeCor muestra un comportamiento similar. Esto significa que estas aleaciones puedenser utilizado en las partes de mayor temperatura de las plantas ácidas. Ahi estano hay datos para ZERON 100 en todo el rango de temperatura deFigura 3 y no se sabe si los aceros inoxidables superdúplex tambiénmostrar esta característica.

La figura 4 muestra la tasa de corrosión de algunos aceros inoxidables enácido sulfúrico fuerte a 110 ° C tomado de los fabricantesdatos publicados. Puede verse que la resistencia a la corrosión deSaramet 23 disminuye al aumentar la concentración de ácido a diferencia delas otras aleaciones. A concentraciones de ácido superiores al 100% hayes un exceso de trióxido de azufre y la mezcla se conoce comooleum. Se sabe que esto es más corrosivo para aleaciones como Saramet.que a ZERON 100 y aleación 310.Aunque no hay datos disponibles públicamente sobre el acero inoxidable 310 enácido muy fuerte, hay un solo punto de datos. En un ácidoconcentración del 99% y una temperatura de 110ºC, la corrosiónla tasa de 310 fue de 0,1 mm / año1. Esto muestra la resistencia mejorada deZERON 100 sobre acero inoxidable 310 a esta temperatura (Figura 4).ZERON 100 también tiene una resistencia a la corrosión similar a ZeCor ySandvik SX en ácido más fuerte,> 97% en peso.En las plantas comerciales de ácido suele haber una pequeña cantidad de hierro.presente (típicamente 5 ppm) y esto puede afectar la velocidad de corrosión dealgunas aleaciones.

La figura 5 muestra el efecto de 5 ppm de hierro en lavelocidad de corrosión de ZERON 100 a 110 ° C. Se puede ver que, dentroerror experimental, no hubo un efecto significativo del hierro encorrosión. A 200 ° C (Figura 6) en 98,5% de ácido, el hierro provocó una pequeñaaumento en la velocidad de corrosión, pero nada de ingenieríasignificado.

El efecto de la velocidadPorque los aceros inoxidables son a menudo activos (a diferencia de pasivos)en ácido sulfúrico concentrado caliente, la velocidad de corrosión es unfunción de la velocidad. Se recomienda comúnmente que las aleacionescomo 316 y 310 estar restringido a una velocidad máxima de flujo de1,5 m / seg2. Las pruebas de velocidad se han realizado en aireado 95% en peso de sulfúrico.ácido a 70 ° C utilizando muestras cilíndricas giratorias. Usando el análisisde Silverman3 el flujo rotacional se calculó como equivalentea 2,5 m / seg en una tubería NPS 4. La tasa de corrosión de ZERON 100fue alto durante los primeros dos o tres días. A partir de entonces la corrosiónla tasa fue inferior a 0,1 mm / año. La alta tasa inicial de corrosión.se asoció con la formación de una fina película negra en elsuperficie de metal. La película parece conferir resistencia a la corrosión comomostrado por la subsecuente baja tasa de pérdida de metal. Estos resultados muestranque ZERON 100 se puede utilizar a temperaturas más altas yvelocidades superiores a 316L en ácido sulfúrico fuerte. Pruebas en más fuerteEl ácido mostró tasas de corrosión aún más bajas.Las adiciones de silicio tienden a eliminar la sensibilidad a la velocidad deaceros inoxidables a la corrosión en ácido sulfúrico fuerte y caliente. Sandvikreportan tasas de corrosión extremadamente bajas (GG lt; 0.01 mm / a) para SX en 96%ácido a 70 ° C y 25 m / seg en la hoja de datos de la aleación. Ellos obtuvieronuna velocidad de corrosión similar en ácido al 98,5% a 115 ° C y un flujo de 10 m / segvelocidad. Saramet 35 mostró tasas de corrosión similares muy bajas en98,5% de ácido a 120 ° C a 9 y 25 m / s de velocidad4. Aunque hayNo hay datos publicados para ZeCor a altas velocidades, se presume quetambién es superior a los grados 304 y 316.

AplicacionesLos datos de la Figura 3 muestran que la aleación 310 puede ser muy adecuada parala sección de recuperación de calor siempre que la concentración de ácido seafuncionando al 98% o más. Sin embargo, en algunas plantas las excursiones abajas concentraciones de ácido son comunes y luego el propietarioLas aleaciones que contienen silicio son más fiables, dentro de sus límites de uso.Las tres aleaciones que contienen silicio se han utilizado para torres,tanques, tuberías, accesorios, filtros, distribuidores de canal, calorintercambiadores y eliminadores de neblina donde las condiciones han sidodemasiado oneroso para 3105,6. La aleación 310 todavía se usa ampliamente en ácidos fuertes,particularmente donde se puede producir óleo. En intercambiadores de calor,Los tubos 316L (a menudo con Mo ≥ 2,5%) se utilizan con frecuencia con anodicprotección para mantenerlos pasivos.Los datos anteriores muestran claramente la buena resistencia a la corrosión deZERON 100 en ácido sulfúrico concentrado a temperaturas de hasta200 ° C. Puede ser particularmente eficaz en el calor de alta temperatura.Sección de recuperación de plantas de ácido sulfúrico. Fosfatos PCS en elEE.UU. expuso un carrete NPS1 de ZERON 100 durante 18 meses enácido concentrado a 200 ° C. La velocidad de corrosión fue< 0,2="" mm="">PCS también ha instalado un filtro ZERON 100 antes de un sulfúricobomba de ácido funcionando a altas temperaturas (~ 200 ° C). Después de los 18meses en servicio el filtro estaba en excelentes condiciones. Esto fue unmejora sustancial con respecto al filtro de acero inoxidable 310 utilizadopreviamente.ZERON 100 también ha sido utilizado por uno de los principalesempresas de diseño de plantas de ácido para placas de orificio (Figura 7).

Estos sonSe utiliza para controlar el flujo en aplicaciones como distribuidores de canal.Esto aprovecha la buena resistencia a la corrosión por erosión de ZERON100. ZERON 100 también está disponible como intercambiador de calor de costura soldadatubería. Esto lo hace ideal para enfriadores ácidos donde elEl agua de refrigeración es salobre o de mar, ya que ZERON 100 tiene unhistorial comprobado de excelente resistencia a este entorno7.

DisponibilidadEl uso de estas aleaciones para nuevos proyectos generalmente no es un problema.ya que normalmente se requiere una cantidad de corrida del molino. Sin embargo, para adiciones tardíasreparaciones o modificaciones de la planta, generalmente senecesario. Las aleaciones patentadas que contienen silicio no son propiedad deaccionistas de acero inoxidable en cantidades significativas para talesaplicaciones. Los principales OEM tienen existencias limitadas en algunosformularios de productos para apoyar a sus clientes. La aleación 310 es ampliamentedisponible como placa, pero no tan fácilmente disponible como tuberías, accesoriosy bridas.
ZERON 100 espor lo tanto un útilAleación para aplicaciones donde la entrega rápida es importante o pequeñase necesitan cantidades.ZERON 100 es totalmente soldable mediante todas las soldaduras de arco comunestécnicas y el amplio uso de la aleación por la industria del petróleo y el gassignifica que hay muchos fabricantes calificados. La aleación 310 essoldable siempre que el carbono sea razonablemente bajo; 0.04% es unmáximo razonable. Esto debe especificarse especialmente como UNSS31000 tiene un máximo de carbono de 0.08% y el bajo carbonoLa versión (UNS S31002) no está disponible. El alto contenido de silicioLas aleaciones austeníticas también son relativamente fáciles de fabricar y todas vienencon niveles de carbono del 0,03% como máximo para garantizar que no se formen carburosen soldadura.

Conclusiones
1. La aleación 310 tiene buena resistencia al ácido sulfúrico concentrado.a temperaturas elevadas, pero no es tan resistente como el ácidola concentración disminuye del 98%. La aleación no es fácildisponible en forma diferente a la placa.
2. Los aceros inoxidables austeníticos con alto contenido de silicio tienen buena corrosiónresistencia en ácido sulfúrico concentrado caliente y son mejoresque 310 en ácido más débil. El silicio da a estas aleaciones una buenaResistencia al ácido sulfúrico a altas velocidades de flujo. Estas aleacionesson menos resistentes en oleum en comparación con la aleación 310.
3. ZERON 100 tiene una resistencia útil al concentrado en caliente.ácido sulfúrico, intermedio entre el de la aleación 310 y elaleaciones austeníticas con alto contenido de silicio. Su pronta disponibilidad en una ampliaLa gama de formas de producto lo hace adecuado tanto para plantas nuevasy actualizaciones.

Referencias
1. CM Schillmoller, Informe técnico del Nickel Institute No. 10 057.
2. DK Louie, Manual de fabricación de ácido sulfúrico, segundoEdición, 2008, publicado por DKL Engineering.
3. DG Silverman, Corrosion 44, 1 (1988) 42.
4. S. Clarke, “Aleaciones de Saramet: aplicaciones en demandaAplicaciones de ácido sulfúrico ”, Convención AIChE, Florida, EE. UU.,Junio ​​de 2003.
5. “Saramet Austentic Stainless Steel”, Aker SolutionsPublicación, 2009.
6. S Richardson, M Spence y J Horne, “Engineered ZeCorEquipos para Servicio de Ácido Sulfúrico ”, Convenio AIChE,Florida, Estados Unidos, junio de 2007.
7. R. Francis y G. Byrne, “Experiencias con SuperduplexAcero inoxidable en agua de mar ”Stainless Steel World, Vol. 16,Junio ​​de 2004, KCI, página 53.® Marca registrada

El artículo de STAINLESS STEEL WORLD.