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1、 新疆大学 毕业论 文 (设计 )题 目： 合成氨尿素设备的腐蚀与防护指导老师: 学生姓名： 专 业： 过程装备与控制工程班 级： 化工机械 05-1完成日期： 2009 年 5 月 申 明郑重声明，此论文是本人在相关老师指导下完成，没有抄袭、剽窃他人成果，否则，由此造成的一切后果由本人负责。新疆大学科学技术学院本科生毕业论文（设计）任务书学生姓名 学号 专 业 班级 论文（设计）题目 论文（设计）来源 论文（设计）类型 _ _要 求 完 成 的 内 容 发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日指 导 教 师 单 位 摘要： 对合成氨尿素的生产原理介绍，及对尿素腐蚀的各种类型及形成机理进
2、行分析，指出了不同的腐蚀类型应采取不同的防护对策。关键词：合成氨 尿素 设备 腐蚀 防护目 录1 绪论-（1）2 合成氨与尿素的生产原理及性质-（1）2.1 合成氨的生产原理及性质-（1）2.2 尿素的生产原理及性质-（1）3 合成氨尿素的腐蚀机理-（1）3.1 合成氨的腐蚀机理-（2）3.2 尿素的腐蚀机理-（2）4 合成氨尿素腐蚀的类型及防护对策-（2）4.1 均匀腐蚀及对策-（3）4.2 晶间腐蚀及对策-（3）4.3 选择性腐蚀及对策-（4）4.4 缝隙腐蚀及对策-（4）4.5 应力腐蚀及对策-（5）5 影响设备腐蚀的因素有以下几个方面-（5）5.1 材料材质-（5）5.2 含氧量-（5
3、）5.3 温度-（5）5.4 介质组成-（6）6尿素装置中其它介质的腐蚀及用材-（6）6.1液氨的腐蚀-（6）6.2氨水的腐蚀-（6）6.3二氧化碳的腐蚀- （6）6.4低压尿液的腐蚀-（6）7 设备运行中采取的防护措施-（7）7.1 向 CO2气中加入氧-（7）7.2 严格控制工艺指标 -（7）7.3 尽量减少封塔次数，缩短封塔时间-（8）7.4 提高保温质量-（8）7.5 设置必要的在线腐蚀监测仪器.-（8）8 尿素用材发展趋向-（8）8.1钛材的广泛应用-（8）8.2不锈钢的含碳量趋向下降,含铬量趋向提高-（8）9 结束语-（9）10 参考文献-（10）11 致谢-（11）1 绪论腐蚀是
4、合成氨尿素生产的一大难题。由于氨是在高温、高压、催化剂存在的条件下由氢氮气合成，氢 、氮对碳钢有明显的腐蚀作用，随着尿素需求的大量增加，合成氨设备耐腐蚀材料及设计方式还需进一步提高；由于尿素工业的发展又对尿素的腐蚀和耐尿素腐蚀的材料不断提出新的课题和更高的要求。因此，在某种意义上说合成氨尿素生产发展的过程也是研究合成氨尿素腐蚀和耐蚀材料的过程。2 合成氨与尿素的生产原理及性质2.1 合成氨的生产原理及性质 氨是在高温、高压、催化剂存在的条件下由氢氮气合成。合成氨反应如下：N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)氨气通常情况下是有刺激性气味的无色气体，极易溶于水，易液化，液氨可作致冷剂，具有腐蚀
5、性。 主要用途：NH3 用于制氮肥（尿素、碳铵等） 、HNO3、铵盐、纯碱，还用于制合成纤维、塑料、染料等。 2.2 尿素的生产原理及性质工业上用液氨和二氧化碳为原料，在高温、高压条件下分两步合成尿素，尿素生产的反应如下：2NH3(l)+CO2(g)=NH4COONH2(l) (1)NH4COONH2(l)=NH2CONH2(l)+H2O (2)由（1） （2）两式可的总反应式如下：2NH3（l）+CO2(g) =NH2CONH2(l)+H2O (3)尿素为无色结晶或白色结晶性粉末；无臭或几无臭，味咸、有引湿性，易溶于水。163水溶液为等渗液。水溶液于贮存中易水解，游离出氨。尿素的用途: 尿素
6、是一种常用的速效氮肥。3 合成氨尿素的腐蚀机理（1）3.1 合成氨的腐蚀机理由于氨是在高温 、高压、催化剂存在的条件下由氢、氮气合成，而氢、氮对碳钢有明显的腐蚀作用，其腐蚀机理如下：a 氢脆。氢溶解与金属晶格中，使钢材在缓慢变形是发生脆性破坏。b 氢腐蚀。即氢渗透到钢材内部，使碳化物分解并生成甲烷，反应生成的甲烷聚积与晶界微观孔隙中形成高压，导致应力集中沿晶界出现破坏裂纹。若甲烷在靠近钢表面的缺陷中聚积还可出现宏观鼓泡。氢腐蚀与温度压力有关，温度超过 221，氢分压大于 1.4MPa，氢腐蚀就开始了。c 在高温高压下，氮与钢中的铁及其他很多合金元素生成硬而脆的氮化物，导致金属机械性能的降低。3
7、.2 尿素的腐蚀机理在合成尿素的生产过程中，尿素与铵基甲酸等混合物对设备有严重的腐蚀作用，特别是在高温高压下，这种腐蚀更为严重。其实，二氧化碳、水、氨和尿素等介质在单独存在时对不锈钢都没有明显的腐蚀作用，而这些介质的混合液在一定温度和压力作用下，能产生出佩酸和氛氧胺:CO(NHZ)2 =NH3 十 HCNO(氰酸)=NHCNO ;(氛氧胺佩酸和氛氧胺是一种非氧化性的有机酸，氰氧离子(CNO)对不锈钢的氧化膜有强烈的破坏作用，因而使一般的不锈钢在尿素溶液中失去了耐蚀 J 性能。不锈钢的腐蚀只有在与尿素溶液相接触时才产生.充气的容器和气体管道是不腐蚀的，除非发生气相的局部冷凝。例如:合成塔顶吊耳处
8、，由于保温不好发生冷凝会产生腐蚀。试验表明：不锈钢尿素溶液中的腐蚀是一个电化学过程，电位较低的金属为阳极，电位较高的尿素溶液成为阴极，由于金属和溶液之间的电位差，金属溶解失去电子，变成金属离子进入溶液，从而使金属产生腐蚀。当不锈钢处在钝化状态时，试验腐蚀速度很慢.而当不锈钢的氧化膜被破坏而处于活化状态时.测得的电动势很大，实际腐蚀速度也很快。因此，不锈钢尿素设备只有处干钝化时才具有防护性能。4 合成氨尿素腐蚀的类型及防护对策大量的事实表明.不锈钢在尿素混合液中可能产生均匀腐蚀、晶蚀、选择性腐蚀、磨蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀，其中危害性最大的是晶间腐（2）蚀和选择性腐蚀。4.1 均匀腐蚀及对策尿素溶
9、液对不锈钢一般表现为均匀腐蚀。其特点是整个金属表面或大块金属表面失去金属光泽，变得粗糙而且逐渐地均匀地减薄。这种腐蚀的危害性较小.因为只要设备具有一定的腐蚀裕度，设备在运行中就不会产生突发性破坏，而且机械性能也不会因腐蚀而引起很大变化。金属材料在尿素溶液中耐均匀腐蚀的性能与其表面形成的氧化膜的质量关系极大。例如:钝化后的不锈钢能保持表面氧化膜的完整，其在尿素溶液中的腐蚀率很低，通常是在 0.01lmm/a 范围内。反之，若在操作过程中出现超温、断氧或硫化物含量超过指标，则腐蚀率会成倍地增加。同一设备的不同部位由于在生产过程中所处的条件不同，其均匀腐蚀的速度也不等。在选用材料的腐蚀裕度时，应按设
10、备腐蚀最严重部位的腐蚀率计算。4.2 晶间腐蚀及对策晶问腐蚀是最危险的腐蚀。腐蚀沿晶粒边界发展而使晶粒间的连续性破坏，因而机械强度和塑性性能大为降低。晶间腐蚀在和介质接触的表面上是不易发现的，因此往往发生突发性破坏.尿素设备中的钢材多为奥氏体不锈钢.这些材料在出轧钢厂前都经过高温淬火，通常是抗晶间腐蚀的.但是这些材料如经过 500850之间的第二次加热(如焊接的热影响区)且在该温度范围内缓慢冷却，在腐蚀介质中就会产生晶间腐蚀。这种使不锈钢产生晶间腐蚀的加热，称之为“热敏加热” 。为什么敏化后的不锈钢会产生晶间腐蚀呢?这是因为碳在固溶体中的溶解度是随温度而改变的。当温度升高时，碳在固溶体中的溶解
11、度增大。高温(10501150)淬火可以得到被碳饱和的固溶体，这就是供货时的奥氏体不锈钢。当淬火的奥氏体不锈钢重复加热至 500850时，固溶在合金中的碳和铬形成 CrC 化合物的形式，而由固溶体析出。析出的碳化铬沉淀的结果使晶界附近的固溶体中局部贫铬，从而造成在晶界附近区域的严重腐蚀，即晶间腐蚀.对于每种材料来说都有一个最危险的加热温度，即在该温度下加热，固溶体最容易析出碳化物。这个温度就是这种材料的敏化温度。防止不锈钢晶间腐蚀的倾向，主要是控制碳化物的析出。其有效方法是:(l)降低钢的含碳量。由于晶间腐蚀速度和含碳量几乎成正比的增长，含碳量减少，晶间腐蚀速度变慢。(2)加入稳定化元素。与碳
12、元素亲和力很强的元素会夺取了钢中的碳，使铬不能形成碳化铬，从而消除了晶界出现贫铬现象;(3)对于有碳化物析出的材料，采取在 10001100进行淬火处理，（3）使碳化铬再溶入固溶体中;(4)电焊时必须注意材料的敏化温度区，尽量减少焊接热影响区。可采用焊接水冷，选用小直径焊条，焊接电流尽可能小，焊速较快减少重复加热，缩短高温停留时间等.根据北京化工学院一份研究报告指出，不锈钢的晶界区磷的富集，也可能是固溶态超低碳不锈钢在尿素生产介质中产生晶间腐蚀的重要原因之一。这一研究使用的试样全是取自尿素气提塔内的 316IJ 不锈钢.确有晶间腐蚀。其特征是晶界呈现宽而浅的腐蚀带，伴有全面腐蚀容易造成晶粒脱落.这种晶间腐蚀看来与均匀腐蚀的危害差不多，只要在腐蚀裕度上加以考虑就可以了。4.3 选择性腐蚀及对策在高温
