鈮制設(shè)備在硝酸濃縮中的應(yīng)用

付維軍 賀旭明 雷忠榮 葉建林

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

0 前言

硝酸是基本化學(xué)工業(yè)的主要原料之一，是制造化肥、染料、多種金屬硝酸鹽、照相材料、塑料和合成纖維的主要原料。工業(yè)硝酸與絕大多數(shù)金屬都發(fā)生反應(yīng)，一般金屬大多在硝酸中被迅速腐蝕破壞。因此，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中硝酸致使材料腐蝕的問(wèn)題非常突出，直接影響著生產(chǎn)及儲(chǔ)運(yùn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

硝鎂法濃硝酸工藝?yán)脻饬蛩岬拿撍裕c稀硝酸混合，通過(guò)蒸汽直接加熱，在填料濃縮塔內(nèi)破壞硝酸的共沸點(diǎn)進(jìn)行蒸餾，蒸餾出來(lái)的濃硝酸蒸汽通過(guò)冷凝器將其冷凝，然后再進(jìn)一步冷卻，即得到濃硝酸。

對(duì)于硝鎂法濃硝酸工藝，設(shè)備的選材面非常窄，國(guó)外主要采用特氟隆、鉭、鈮、玻璃、鋼襯玻璃以及一些特殊不銹鋼，國(guó)內(nèi)選材一般有鋁、高硅鐵、KY705(C)或者KY706，也有用STSI15R材料[1-3]。由于造價(jià)的原因，國(guó)內(nèi)一般不使用鉭、鈮等貴重金屬。

隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展以及國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，目前鈮材設(shè)備在國(guó)內(nèi)的使用也已經(jīng)日漸增多。

1 硝酸冷凝設(shè)備

從填料濃縮塔蒸餾出來(lái)的濃硝酸需要經(jīng)冷凝器冷凝。本文所述的硝酸冷凝器的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 硝酸冷凝器技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)備材質(zhì)的選擇

金屬鈮屬于難熔金屬，有銀灰色光澤，鈮及鈮合金比強(qiáng)度高，塑性好，能制成薄板和外形復(fù)雜的零部件，并且有很好的加工與焊接性能。

鈮材具有很好的耐腐蝕性能。鈮的耐腐蝕性在于其金屬表面形成了一種致密的氧化膜，這種氧化膜具有高的介電常數(shù)以及高的擊穿電壓，氧化膜的耐腐蝕性和鉭相似。但在腐蝕性介質(zhì)中，鈮與鉭相比較耐腐蝕性能較差一些，例如在熱的濃無(wú)機(jī)酸中就是如此。與鉭相似，鈮很容易發(fā)生氫脆。Bayer公司曾經(jīng)使用鈮材做換熱器，該換熱器介質(zhì)為99.6%濃硝酸，進(jìn)口溫度為95℃，已經(jīng)良好地運(yùn)行了五年沒(méi)有經(jīng)過(guò)維修。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有鈮材換熱器這一方面的介紹。

在80～95℃時(shí)，98%的濃硝酸在174 d中的腐蝕情況見(jiàn)表2。在液相與氣相的腐蝕環(huán)境中，鉭、鋯、鈮、鋁、鈦等金屬的腐蝕比較見(jiàn)表2。鈮材100℃以下能耐所有濃度硝酸的腐蝕，即使在250℃、70%的硝酸中，腐蝕速率也僅為0.025 mm/a。在含氯離子的溶液中，鈮僅有輕微重量的變化；在少量氟離子 （F-）存在的情況下，它的耐腐蝕性能要超過(guò)鉭材。表3所示為鈮材和其他幾種金屬材質(zhì)及非金屬材質(zhì)在硝酸中的性能比較。

表2 各種材料在98.5%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）、85～90℃條件下的腐蝕速率（174 d）

表3 各種材料在硝酸環(huán)境下優(yōu)缺點(diǎn)比較

從表3可以看出，Ta、Ta-2.5W以及鈮材在高溫高濃度硝酸中沒(méi)有腐蝕。由于鉭材的價(jià)格大約為鈮材的2倍， 并且鉭材的密度為16.6 g/mm3，鈮材的密度為8.56 g/mm3，相同換熱面積的換熱器，使用鈮材質(zhì)量?jī)H為鉭材的51.6%，所以用鈮材做設(shè)備，造價(jià)大約為鉭材設(shè)備的1/4多一些。考慮到造價(jià)，一般不使用鉭材。

Ta40Nb在焊縫位置有點(diǎn)蝕，在焊件的焊接部分有晶間開(kāi)裂。

鋯材在介質(zhì)中腐蝕速率低，但有黑色的氧化顏色。雖然這個(gè)材料看起來(lái)合適，但由于鋯用于酸有著火的風(fēng)險(xiǎn)，出于安全考慮，通常不使用鋯材。

鈦材在氣相條件下，焊縫熱影響區(qū)有腐蝕，并且在熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生裂紋。鋁材在高溫高濃度硝酸中腐蝕速率高。高硅鐵在濃硝酸介質(zhì)中腐蝕速率為0.3～0.8 mm/a，隨著硅含量的提高，腐蝕速率減小，但隨著硅含量的增加，材料脆性增加，加工性能降低。

由上述幾種材料的分析可見(jiàn)，鈮制設(shè)備與其它材料制設(shè)備相比較，鋁制換熱器維修成本高并且可靠性低，高硅鐵加工性能差并且換熱效率低，聚四氟乙烯傳熱效率低且易老化，鉭材耐腐蝕性能更優(yōu)良一些，但用鉭材做設(shè)備造價(jià)高，所以鈮材可以作為性價(jià)比最高的材料在硝酸濃縮過(guò)程中使用。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖1為某廠家制作的鈮制換熱器，表4為該換熱器的技術(shù)參數(shù)。在設(shè)備制造過(guò)程中，根據(jù)鈮的特性，合理地進(jìn)行了設(shè)備設(shè)計(jì)，并確定了制造工藝、焊接工藝，采用了合適的檢測(cè)工藝以及檢測(cè)設(shè)備，從而確保了制造質(zhì)量。

圖1 硝酸冷凝器

表4 硝酸冷凝器技術(shù)參數(shù)

某工廠自從使用該鈮制換熱器以后，設(shè)備的跑冒滴漏明顯降低，設(shè)備的可靠性增加。采用的材料導(dǎo)熱系數(shù)增加了，因而工程的能量消耗降低了。該設(shè)備從使用到現(xiàn)在3年時(shí)間沒(méi)有進(jìn)行過(guò)修理，裝置正常的操作成本大大降低。鈮材設(shè)備在高濃度硝酸介質(zhì)中顯示了良好的耐腐蝕性。

4 結(jié)語(yǔ)

在硝酸生產(chǎn)中，高溫濃硝酸腐蝕性強(qiáng)，因此設(shè)備選材至關(guān)重要。本文對(duì)Nb1、Ta1、Ta-2.5W、Al、高硅鐵和聚四氟乙烯等材料在硝酸中的腐蝕速率進(jìn)行了比較。

鈮材具有很好的耐腐蝕性能。鈮的耐腐蝕性在于其金屬表面形成了一種致密的氧化膜。Nb1材料在高溫濃硝酸條件下腐蝕速率小，經(jīng)濟(jì)效益明顯。目前，鈮換熱設(shè)備已在硝酸濃縮中得到應(yīng)用。

[1] 張金輝.國(guó)內(nèi)外硝鎂法硝酸濃縮技術(shù)的比較 [J].化肥設(shè)計(jì),2001， 39 （5）： 19-20.

[2] 李忠.間硝法濃硝酸裝置的設(shè)備選材 [J].石油和化工設(shè)備,2005 （5）： 57-58.

[3] 王金玉.硝鎂法生產(chǎn)的材料比選分析 [J].化工設(shè)備與管道， 2002 （1）： 55-57.