O desempenho dos aços inoxidáveis ​​em ácido sulfúrico concentrado

O desempenho dos aços inoxidáveis ​​em ácido sulfúrico concentrado
O ácido sulfúrico é um dos produtos químicos mais comumente usados ​​no mundo e, em concentraçõesmaior que 90% em peso, também é muito corrosivo. Este artigo discute a escolha de materiais paramanipulação de ácido sulfúrico concentrado, particularmente em temperaturas elevadas (até 200 ° C)que ocorrem durante sua fabricação. Alguns dos aços inoxidáveis ​​austeníticos e duplex modernos sãorevisado e suas limitações e vantagens são discutidas.
Por Roger Francis, RR® Materiais, Reino Unido

IntroduçãoO ácido sulfúrico é um produto químico usado em várias indústriasprocessos, bem como na lixiviação de muitos metais de seusminérios. É produzido a partir de dióxido de enxofre, que pode sergerado pela queima de enxofre, pode ser um subproduto de umprocesso de fundição metalúrgica, ou pode ser produzido por processo térmicodecomposição (regeneração) do ácido gasto. O dióxido de enxofrereage com oxigênio sobre um catalisador a ~ 420 ° a 625 ° C para formartrióxido de enxofre. O último gás então reage com a água noabsorvendo torres para formar ácido sulfúrico. Este processo éexotérmico e o ácido pode atingir temperaturas tão altas quanto 180 °a 200 ° C. A maior parte dessa energia é recuperada por uma variedade de meios paraminimizar o consumo de energia. Normalmente, o ácido é então resfriadode cerca de 100 ° C até próximo ao ambiente para armazenamento.


MateriaisTradicionalmente, materiais como aço revestido de tijolo ácido eram usados ​​paravasos e ferros dúcteis, como Mondi® ou austenítico de baixa ligaaços inoxidáveis, como 316 para tubulação, dentro de um limitetemperatura e faixa de concentração de ácido. No entanto, odesenvolvimento de aços inoxidáveis ​​modernos de alta liga, com melhora resistência ao ácido concentrado quente mudou os materiaisopções de seleção. A Tabela 1 mostra a composição de algunsaços inoxidáveis ​​que são usados ​​com ácido sulfúrico. 304 e 316 sãoos graus de austeníticos comuns que são amplamente usados ​​pelosindústria química e de processo. A liga 310 é um alto cromo,liga austenítica de níquel que tem resistência superior à corrosão ácidaem comparação com 304 e 316. ZERON®100 e 2507 sãoaços inoxidáveis ​​superduplex com aproximadamente 50/50balanço de fases austenita / ferrita. Esta estrutura dá um muito mais altoforça (~ 2½ vezes) do que a das ligas austeníticas e oferecea possibilidade de economia de espessura de parede para aplicações envolvendoaltas pressões e / ou temperaturas.Saramet®, Sandvik SX® e ZeCor® são todos proprietários austeníticosaços inoxidáveis ​​contendo ~ 5% de silício, o que melhora oresistência à corrosão em ácido forte quente. Saramet vem em doisvariantes, com composições ligeiramente diferentes. ZeCor é mais enxuto emcromo e níquel do que as outras duas ligas patenteadas, mascontém mais silício, um elemento conhecido por promover a corrosãoresistência em ácido forte e quente.

CorrosãoA Figura 1 mostra as curvas de isocorrosão para algumas ligas comunsem ácido sulfúrico. Pode-se ver que as ligas superduplex sãosuperior a 316L. ZERON 100 também é superior a 2507, que éacredita-se ser devido às adições deliberadas de tungstênio ecobre a ZERON 100. A liga 20 é comumente usada em sulfúricoácido e de cerca de 50% a 90% de ácido é superior ao ZERON100. No entanto, em ácido forte (GG gt; 90%) ZERON 100 mostra umaumento acentuado na resistência à corrosão em comparação com 2507 eliga 20.

A Figura 2 compara as curvas de isocorrosão para os trêsligas proprietárias contendo silício e ZERON 100. Existemclaramente diferenças entre as ligas, com o silício contendoligas mostrando resistência à corrosão melhorada em ácido mais diluído.Ao pesquisar este artigo, o autor não conseguiu encontrar qualquerdados publicados para 310 aço inoxidável sobre esta concentração de ácidoalcance. Isso provavelmente ocorre porque os fabricantes de plantas de ácidoconsidere isso como dados comercialmente sensíveis. No entanto, é conhecidoque a resistência à corrosão de 310 inoxidável diminui significativamentequando a concentração de ácido cai abaixo de 96%.A Figura 3 mostra as curvas de isocorrosão para 304, 310 eSaramet 23 em ácido muito forte1,2. Pode-se ver que existe umaumento na resistência à corrosão de 310 e Saramet ema faixa de temperatura de 180º a 200ºC. Presume-se que SX eZeCor mostra um comportamento semelhante. Isso significa que essas ligas podemser usado nas partes de alta temperatura de plantas ácidas. Há simsem dados para ZERON 100 em toda a faixa de temperatura deFigura 3 e não se sabe se aços inoxidáveis ​​superduplex tambémmostrar esse recurso.

A Figura 4 mostra a taxa de corrosão de alguns aços inoxidáveis ​​emácido sulfúrico forte a 110 ° C retirado dos fabricantes 'dados publicados. Pode-se ver que a resistência à corrosão deSaramet 23 diminui com o aumento da concentração de ácido, ao contrárioas outras ligas. Em concentrações de ácido superiores a 100% láé o excesso de trióxido de enxofre e a mistura é então conhecida comooleum. Isso é conhecido por ser mais corrosivo para ligas como Sarametdo que ZERON 100 e liga 310.Embora não haja dados disponíveis publicamente sobre 310 em aço inoxidávelácido muito forte, há um único ponto de dados. Em um ácidoconcentração de 99% e uma temperatura de 110ºC, a corrosãotaxa de 310 foi de 0,1 mm / ano1. Isso mostra a resistência aprimorada deZERON 100 sobre 310 inoxidável nesta temperatura (Figura 4).ZERON 100 também tem resistência à corrosão semelhante ao ZeCor eSandvik SX em ácido mais forte,> 97% em peso.Em plantas comerciais de ácido, geralmente há uma pequena quantidade de ferropresente (normalmente 5 ppm) e isso pode afetar a taxa de corrosão dealgumas ligas.

A Figura 5 mostra o efeito de 5 ppm de ferro notaxa de corrosão de ZERON 100 a 110 ° C. Pode-se ver que, dentroerro experimental, não houve efeito significativo do ferro sobrecorrosão. A 200 ° C (Figura 6) em 98,5% de ácido, o ferro causou um pequenoaumento na taxa de corrosão, mas nada de engenhariasignificado.

O efeito da velocidadePorque os aços inoxidáveis ​​são frequentemente ativos (em oposição a passivos)em ácido sulfúrico concentrado quente, a taxa de corrosão é umfunção da velocidade. É comumente recomendado que ligastal como 316 e 310 sejam restritos a uma velocidade de fluxo máxima de1,5 m / s2. Os testes de velocidade foram conduzidos em 95% em peso de sulfúrico aeradoácido a 70 ° C usando amostras cilíndricas rotativas. Usando a análisede Silverman3 o fluxo rotacional foi calculado para ser equivalentea 2,5 m / seg em um tubo NPS 4. A taxa de corrosão do ZERON 100esteve alto nos primeiros dois ou três dias. Depois disso, a corrosãoa taxa era inferior a 0,1 mm / ano. A alta taxa inicial de corrosãofoi associado à formação de uma fina película preta nosuperfície de metal. O filme parece conferir resistência à corrosão comomostrado pela subsequente baixa taxa de perda de metal. Esses resultados mostramque ZERON 100 pode ser usado em temperaturas mais altas evelocidades de 316L em ácido sulfúrico forte. Testes em forteo ácido apresentou taxas de corrosão ainda mais baixas.As adições de silício tendem a remover a sensibilidade à velocidade deaços inoxidáveis ​​à corrosão em ácido sulfúrico forte e quente. Sandvikrelatam taxas de corrosão extremamente baixas (GG lt; 0,01 mm / ano) para SX em 96%ácido a 70 ° C e 25m / s na folha de dados da liga. Eles obtiveramuma taxa de corrosão semelhante em 98,5% de ácido a 115 ° C e fluxo de 10 m / svelocidade. Saramet 35 mostrou taxas de corrosão muito baixas semelhantes em98,5% de ácido a 120 ° C a velocidade de 9 e 25 m / s4. Embora hajanenhum dado publicado para ZeCor em altas velocidades, presume-se quetambém é superior aos graus 304 e 316.

FormuláriosOs dados na Figura 3 mostram que a liga 310 pode ser muito adequada paraa seção de recuperação de calor, desde que a concentração de ácido sejafuncionando a 98% ou mais. No entanto, em algumas excursões de plantas parabaixas concentrações de ácido são comuns e, em seguida, o proprietárioligas contendo silício são mais confiáveis, dentro de seus limites de uso.Todas as três ligas contendo silício foram usadas para torres,tanques, tubos, acessórios, filtros, distribuidores de calhas, calortrocadores e eliminadores de névoa onde as condições forammuito oneroso para 3105,6. A liga 310 ainda é amplamente utilizada em ácido forte,particularmente onde o oleum pode ser produzido. Em trocadores de calor,316L (frequentemente com Mo≥2,5%) tubos são freqüentemente usados ​​com anódicosproteção para mantê-los passivos.Os dados acima mostram claramente a boa resistência à corrosão deZERON 100 em ácido sulfúrico concentrado em temperaturas de até200 ° C. Pode ser particularmente eficaz no calor de alta temperaturaseção de recuperação de plantas de ácido sulfúrico. Fosfatos PCS noOs EUA expuseram um spool NPS1 de ZERON 100 por 18 meses emácido concentrado a 200 ° C. A taxa de corrosão foi< 0,2="" mm="">PCS também instalou um filtro ZERON 100 a montante de um filtro sulfúricobomba de ácido operando em altas temperaturas (~ 200 ° C). Depois dos 18meses em serviço, o filtro estava em excelentes condições. Este foi ummelhoria substancial em relação ao filtro de aço inoxidável 310 usadoanteriormente.ZERON 100 também tem sido usado por um dos principais agentes sulfúricosempresas de projeto de planta de ácido para placas de orifício (Figura 7).

Esses sãousado para controlar o fluxo em aplicações como distribuidores de calhas.Isso explora a boa resistência à corrosão e erosão do ZERON100. ZERON 100 também está disponível como trocador de calor com costura soldadatubulação. Isso o torna ideal para resfriadores de ácido onde oa água de resfriamento é salobra ou do mar, pois ZERON 100 tem umhistórico comprovado de excelente resistência a este ambiente7.

DisponibilidadeO uso dessas ligas para novos projetos geralmente não é um problemacomo uma quantidade de moagem é geralmente necessária. No entanto, para adicionar tardereparos ou modificações na planta, quantidades menores são geralmenterequeridos. As ligas proprietárias contendo silício não são mantidas poracionistas de aço inoxidável em quantidades significativas para taisformulários. Os principais OEMs mantêm estoques limitados em algunsformulários de produtos para apoiar seus clientes. Alloy 310 é amplamentedisponível como placa, mas não está tão facilmente disponível como tubos, conexõese flanges.
ZERON 100 éportanto, um útilliga para aplicações onde a entrega rápida é importante ou pequenaquantidades são necessárias.ZERON 100 é totalmente soldável por toda a soldagem de arco comumtécnicas e o amplo uso da liga pela indústria de petróleo e gássignifica que existem muitos fabricantes qualificados. Alloy 310 ésoldável desde que o carbono seja razoavelmente baixo; 0,04% é ummáximo razoável. Isso precisa ser especialmente especificado como UNSS31000 tem um carbono máximo de 0,08% e o baixo carbonoversão (UNS S31002) não está prontamente disponível. O alto silícioligas austeníticas também são relativamente fáceis de fabricar e todas vêmcom níveis de carbono de 0,03% no máximo para garantir que não haja forma de carbonetosna soldagem.

Conclusões
1. A liga 310 tem boa resistência ao ácido sulfúrico concentradoa temperaturas elevadas, mas não é tão resistente quanto o ácidoa concentração diminui de 98%. A liga não é facilmentedisponível em outro formato que não em placa.
2. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos de alto silício têm boa corrosãoresistência em ácido sulfúrico concentrado a quente e são melhoresdo que 310 em ácido mais fraco. O silício dá a essas ligas boasresistência ao ácido sulfúrico em altas velocidades de fluxo. Essas ligassão menos resistentes em oleum em comparação com a liga 310.
3. ZERON 100 tem resistência útil ao concentrado a quenteácido sulfúrico, intermediário entre o da liga 310 e oligas austeníticas com alto teor de silício. Sua pronta disponibilidade em uma amplagama de formas de produto torna-o adequado para novas instalaçõese up-grades.

Referências
1. CM Schillmoller, Nickel Institute Technical Report No. 10 057.
2. DK Louie, Manual de Fabricação de Ácido Sulfúrico, 2Edição de 2008, publicado pela DKL Engineering.
3. DG Silverman, Corrosion 44, 1 (1988) 42.
4. S. Clarke, “Saramet Alloys - Applications in DemandingAplicações de Ácido Sulfúrico ”, Convenção AIChE, Flórida, EUA,Junho de 2003.
5. “Saramet Austentic Stainless Steel”, Aker SolutionsPublicação, 2009.
6. S Richardson, M Spence e J Horne, “Engineered ZeCorEquipamento para serviço de ácido sulfúrico ”, Convenção AIChE,Flórida, EUA, junho de 2007.
7. R. Francis e G. Byrne, “Experiências com SuperduplexAço Inoxidável na Água do Mar ”Mundo do Aço Inoxidável, Vol. 16,Junho de 2004, KCI, página 53.® Marcas Registradas

O artigo da STAINLESS STEEL WORLD.