CN115315310A - 铁素体钢在尿素设备的高压工段中的用途 - Google Patents
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Abstract
含有至少23％的铬的铁素体不锈钢用于制造尿素设备的高压尿素合成工段的部件的用途。
Description
技术领域
本发明涉及用于制造尿素合成设备的高压装备的材料的领域。
现有技术
尿素在工业上是通过使氨和二氧化碳在高温和高压下反应生产的。该反应基本上涉及形成氨基甲酸铵以及使其脱水以形成尿素。由于高腐蚀性物质(特别是氨基甲酸铵)、高温和高压的结合，尿素的生产在装备的耐腐蚀性方面被认为是一项挑战。
目前安装的尿素生产力的大多数使用所谓的汽提工艺。在汽提工艺期间，离开反应器的含有未反应的氨和二氧化碳(大多是氨基甲酸铵的形式)的合成溶液被送到汽提器，并且在汽提器中仍然在可与反应器的压力基本上相同的高压下被加热。
在汽提工艺期间，氨基甲酸铵在液相中分解成氨和二氧化碳，并且释放的氨和二氧化碳的部分从液相进入气相。因此，汽提工艺产生具有降低含量的未转化氨基甲酸盐的尿素水溶液和含有从液相中去除的未转化氨和二氧化碳的气相。液相通常被送到在更低压力下的一个或多个进一步回收阶段；气相在高压下冷凝并循环到反应器中。
可通过添加气态汽提剂来促进汽提工艺，该气态汽提剂可以是二氧化碳或氨。在不添加汽提剂的情况下，该工艺称为自汽提。
汽提器典型地是管壳式设备，其中反应流出物例如以降膜流流过管，并且管束在外部用热蒸气进行加热。在大多数情况下，冷凝器也是管壳式设备。反应器典型地是具有一组合适的穿孔板的竖直压力容器。
反应器、汽提器和冷凝器是高压合成工段的也称为合成回路的部分。合成工段还可包括用于从反应器排放的气体的洗涤器。这些装备典型地在约150巴或更高的压力和约200℃的高温下操作。与侵入性氨基甲酸铵的存在结合的操作条件对材料要求非常高。特别是在HP汽提器中，管的表皮温度可容易地达到约210℃的温度。因此，汽提器的管是最关键部件之一，因为它们在高温和高浓度的氨基甲酸盐下操作。用于大型部件如管和管板等的高级材料的使用引入相关成本。
多年来，氨汽提和自汽提设备使用钛管作为HP汽提器，因为它在尿素合成工艺条件下最耐腐蚀。然而，在许多情况下，已经使用由超级奥氏体钢诸如25/22/2(UNS：S31050)制成的管。在显著地比钛更便宜的情况下，超级奥氏体钢通常已经被认为是好的替代品，但是它的耐腐蚀性更低，从而导致使用寿命更短。
尽管随着时间的推移，已经证明钛在尿素环境中非常耐化学腐蚀，但是它的机械耐侵蚀性却并非如此。出于这一原因，通常已经优选将不锈钢UNS 31050作为管道系统的标准材料。为了克服HP汽提器钛管的内部部分的侵蚀，引入了由奥氏体不锈钢制成的外部管和由锆制成的内部管所组成的双金属管。这一构思的进一步演化带来了全锆管或双金属钛锆(Ti-Zr)管。然而，这些材料非常昂贵。
CO2汽提设备传统上优先使用特殊奥氏体不锈钢诸如UNS31050。最近，超级双相不锈钢已经用于构造HP合成设备，更具体是HP汽提器。双相钢因显现出铁素体和奥氏体两者的两相结构而突出。高性能双相钢(超级双相钢)的示例是UNS S32906和UNS S32808。同样，双相钢相当昂贵。与奥氏体不锈钢相比，超级双相不锈钢需要在液相中的更低含量的氧才能很好地抵抗腐蚀。另一方面，超级双相钢比UNS31050更昂贵。
为了减少腐蚀，已知措施是向回路添加氧(O2)或含有氧的气体(例如，空气)以用于钝化。然而，适于在不添加O2的情况下或在较少量的O2的情况下耐腐蚀的材料将是优选的。奥氏体不锈钢需要与超级双相不锈钢相比更高含量的溶解氧或者甚至更多的钛才能适当地进行钝化。有鉴于此，许多尿素设备将钝化空气馈送到HP回路。然而，添加惰性物质具有恶化合成回路的性能(更低总体效率)和引入潜在的爆炸危险的负面影响。
一般而言，目标腐蚀率应当不大于约0.1mm/y，以提供部件的可接受使用寿命，例如15年或20年。
由于HP合成回路中遇到的导致高投资成本的要求极高的工艺条件，始终存在识别具有更高耐腐蚀性材料的动力。
如上所述，高压尿素合成工段中采用的当前材料的缺点是成本高。双金属材料不仅昂贵，而且实践中仅适用于管，因此它们不能为其他部件的制造提供可行解决方案。双相不锈钢的成本也很高，并且对镍的成本很敏感，而镍的成本在最近显著地提高。
因此，有动机寻找性能与双相钢相似或比双相钢好而成本更低且可能无需添加O2作为钝化剂的替代材料。
发明内容
本申请人出乎意料地发现，铬含量为至少23％、优选地至少26％的纯铁素体钢可在尿素合成条件下以与上文提及的双相钢UNS S32906或UNS S32808类似或甚至更好的方式表现，但是成本显著地更低。
本发明的一方面是含有至少23％的铬的铁素体不锈钢用于制造尿素设备的高压尿素合成工段的部件的用途。铬含量为23％或更多的铁素体钢也称为超级铁素体钢(super-ferritic)。特别优选地，所述钢含有26％或更多的铬。
本说明书中的以上百分比和所有百分比是指重量百分比，因为这是提及钢的组成和合金元素时的惯例。
具体实施方式
本发明是基于奥氏体是在尿素合成应用中双相钢的腐蚀的主因这一出人意料的发现。因此，本申请人已经发现，具有23％或更多的铬并基本上没有奥氏体结构的超级铁素体钢可在尿素合成环境中表现得比双相钢好。已经发现，此类超级铁素体钢可在添加少量的用于钝化的氧O2的情况下或甚至不添加用于钝化的O2的情况下使用。
术语高压尿素合成工段表示从氨和二氧化碳合成尿素的工段，包括至少一个尿素合成反应器。典型地，尿素合成工段包括至少反应器、汽提器和冷凝器。根据尿素设备的种类，该尿素合成工段还可能包括洗涤器。
高压尿素合成工段的部件是尿素领域的技术人员已知的。特别地，术语高压尿素工段的部件可包括以下项中的任一项：尿素合成反应器、高压汽提器、高压冷凝器、高压洗涤器、相关连接管道系统和内部件。例如，内部件可包括管壳式汽提器或管壳式冷凝器的管和/或管板。内部件还可包括反应器的内部板以及其他内部管道系统、挡板和类似物。本发明的钢也可用于制造上文提及的装备中的任一项的压力容器。
尿素合成压力的高压通常高于100巴，并且典型地在100巴至200巴的范围内，更优选地在140巴至180巴的范围内。
本发明的另一大优点是与双相钢和双金属材料相比成本降低。超级铁素体钢可用于尿素合成工段的所有关键部件，包括容器、管、管板等。
从属权利要求中陈述了优选方面。
根据一个实施例，本发明的钢含有不超过3.5重量％的镍。优选地，钢含有一定量镍，但是不超过所述3.5重量％。例如，所述钢可含有0.1重量％至3.5重量％的镍。
一个优选实施方案包括在不添加用于钝化的氧(O2)或含氧气体(诸如被引入合成回路中的钝化空气)的情况下使用本发明的钢。
因此，本发明的一方面是一种用于尿素的合成的工艺，其中尿素在高压合成工段中进行合成，并且其中所述工段的一个或多个部件由如上文所提及的铁素体不锈钢制成，并且其中不添加氧或含氧气体用于钝化由铁素体不锈钢制成的所述部件。
本发明的钢的更优选使用条件包括：操作温度比转变温度高。在示例性应用中，所述转变温度可以是100℃或约100℃。用于本发明用途的特别优选的铁素体钢是根据UNSS44600的。另一种特别优选的铁素体钢是根据UNS S44660的。
根据牌号UNS S44600的钢可含有(重量％)：
根据牌号UNS S44660的钢可含有(重量％)：
超级铁素体钢可用于制造以下项中的任一项的压力容器内部件：在高压合成工段中的反应器、汽提器、冷凝器、洗涤器。特别地，它可用于制造高压合成工段中的管壳式汽提器的或管壳式冷凝器的管片和/或管板。
铁素体铬钢在低温下的韧性不如奥氏体不锈钢。术语转变温度表示延脆转变温度(ductile to brittle transition temperature)，即，在低于该温度的温度下材料的韧性下降且材料变脆。在本发明中使用的铁素体钢中，所述转变可在100℃或约100℃处发生。优选的应用的材料具有比其转变温度高的操作温度。
本发明的一方面还是一种用于高压尿素合成工段的装备，其中该装备包括由如上文所描述的铁素体钢制成的至少一个部件。特别地，装备可以是以下项中的任一项：高压合成工段的反应器、汽提器、冷凝器、洗涤器。装备可不添加O2用于钝化。
测试数据
在高压釜中测试了超级铁素体钢S44600和S44660，其中在没有氧的情况下模拟了高压尿素合成工段的典型条件。测试条件如下：
作为参比材料，在相同条件下测试了超级双相钢S32906。检测到以下腐蚀率(mm/y)：
S44660 0.04
S44600 0.05
S32906 0.20。
该测试表明了，在存在于尿素合成工段的装备中的典型条件下，超级铁素体钢优于参比超级双相钢。
Claims (14)
1.含有至少23重量％的铬的铁素体不锈钢用于制造尿素设备的高压尿素合成工段的部件的用途。
2.如权利要求1所述的用途，其中所述钢含有至少26重量％的铬。
3.如权利要求2所述的用途，其中所述钢含有26重量％至30重量％的铬。
4.如前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述钢含有不超过3.5重量％的镍。
5.如权利要求1所述的用途，其中所述钢是UNS S44600。
6.如权利要求1所述的用途，其中所述钢是UNS S44660。
7.如前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述钢用于制造所述高压合成工段中的管壳式汽提器的或管壳式冷凝器的管片和/或管板。
8.如前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述钢用于制造以下项中的任一项的压力容器内部件：所述高压合成工段中的反应器、汽提器、冷凝器、洗涤器。
9.如前述权利要求中任一项所述的用途，其中所述钢在不添加用于钝化的氧(O2)或含氧气体的情况下操作。
10.如前述权利要求中任一项所述的用途，其中材料的操作温度比其转变温度高。
11.如权利要求10所述的用途，其中所述转变温度是100℃或约100℃。
12.一种用于高压尿素合成工段的装备，其中所述装备包括由如权利要求1至6中任一项所述的铁素体钢制成的至少一个部件。
13.如权利要求12所述的装备，其中所述装备是以下项中的任一项：高压合成工段的反应器、汽提器、冷凝器、洗涤器。
14.如权利要求12或13所述的装备，所述装备不具有被布置用于添加用于钝化的O2或含有O2的气体的装置。
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