книги из ГПНТБ / Завелев Г.И. Неметаллические футеровки для аппаратуры нефтяной и нефтехимической промышленности

Г. И. ЗАВЕЛЕВ Канд. техн, наук

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ

ФУТЕРОВКИ ДЛЯ АППАРАТУРЫ НЕФТЯНОЙ

И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО НЕФТЯНОЙ И ГОРНО-ТОПЛИВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Москва 1960

ВВЕДЕНИЕ

Контрольными цифрами развития народного хозяйства СССР

на 1959—1965 гг. предусматривается ускоренное развитие хими­ ческой промышленности, прежде всего производства синтетиче­ ских полимерных материалов. Производство синтетических мате­ риалов должно расширяться на новой сырьевой базе главным образом -за счет использования попутных газов нефтедобычи, природных газов и газообразных продуктов нефтепереработки. На нефтеперерабатывающих заводах найдут распространение процессы получения зтилена, пропилена, ароматических угле­ водородов и других полупродуктов и углеводородного сырья для производств нефтехимического синтеза. Ресурсы природных газов и газов, являющихся продуктами переработки нефти, могут быть увеличены за счет газов, получаемых в результате освоения новых технологических процессов, разработанных совет­ скими учеными. К таким процессам относятся высокотемператур­ ный распад газового и дистиллятного сырья, пиролиз остаточ­ ных нефтепродуктов в кипящем слое теплоносителя, контакт­ ное коксование гудрона, пиролиз тяжелых нефтяных остатков в присутствии водяного пара, термическое и каталитическое превращение газообразных углеводородов и др.

С освоением новых процессов переработки нефти возникает необходимость в применении для аппаратов и трубопроводов материалов, стойких к высоким температурам и давлениям, а также к коррозийному и эрозионному воздействию циркули­ рующих газов и пылевидных частиц. Так, например, в установках пиролиза и непрерывного коксования, связанных с переработкой тяжелых нефтяных остатков, аппараты должны эксплуатиро­ ваться при температурах до 1000°. В зтих условиях необходима надежная тепловая защита корпуса аппаратов.

Реакторы и регенераторы установок каталитического рифор­ минга и гидроочистки подвергаются при эксплуатации периоди­ ческому нагреву до температуры 500—600° при давлении до 50 ати, что превышает допустимую температуру для углероди­ стой стали. В процессе работы на внутреннюю поверхность аппа­ ратов воздействуют горячие пары, состоящие из смеси беПзино-

вых и керосино-газойлевых фракций, водорода, а также азота, окиси углерода, двуокиси углерода, небольших количеств кисло­ рода и сернистого ангидрида. Кроме того, реакторы установки гидроочистки подвергаются воздействию большого количества сероводорода и сернистых соединений.

Большое распространение в Советском Союзе получают си­ стемы каталитической и контактной переработки нефти с движу­ щимся катализатором. Для оборудования этих процессов необ­ ходимо применять специальные материалы, так как в аппаратах и трубопроводах циркулируют углеводороды при высоких темпе­ ратурах с содержанием катализатора в больших концентрациях. При этом возможен интенсивный эрозионный износ оборудования.

Использование для изготовления оборудования нержавеющих сталей типа 1Х18Н9Т не всегда представляется возможным, так как для длительной эксплуатации аппаратов при повышенных температурах Необходимо применять для основного металла п сварных стыков стабилизирующий отжиг при 850—870°, иначе основной металл корпуса аппарата и сварные соединения при­ ходят в состояние, склонное к межкристаллитной коррозии, и на их поверхности образуются трещины. Практика показала, что для изготовления аппаратов более целесообразно и экономи­ чески выгодно применять углеродистую сталь с защитой внутрен­ ней поверхности неметаллическими футеровками.

За рубежом для аппаратов, работающих при температуре до 1650°, широко применяются бетонные футеровки на гидравличе­ ских вяжущих веществах. В Советском Союзе этот вид футеровок нашел сравнительно небольшое применение в нефтяной промыш­ ленности для аппаратов установок каталитического риформинга и гидроочисток. В то же время практика показала, что для аппа­ ратуры ряда новых процессов использование жаростойких футе­ ровок является едва ли Не единственно приемлемым решением.

Втечение последних лет Гипронефтемашем проведено большое количество работ по исследованию процессов коррозии аппара­ туры и оборудования нефтехимических производств и по разра­ ботке методов их антикоррозийной защиты. Развитие нефте­ химических процессов тесно связано с новыми требованиями, предъявляемыми к аппаратуре, и широким применением неметал­ лических материалов и покрытий.

Впроцессах производства синтетических спиртов, жирных кислот, моющих средств и растворителей агрессивные среды вызы­ вают коррозию не только углеродистой, но и легированной стали. Поэтому применением даже легированной стали не всегда дости­ гается чистота производственных сред, так как они загрязняются продуктами коррозии. Защита внутренней поверхности аппара­ тов из углеродистой стали Неметаллическими материалами поз­

воляет отказаться от легированных и цветных металлов и полу­ чать продукты высокой степени чистоты, предотвращая загрязне­ ние их солями металла.

4

Глава I

БЕТОНЫ НА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВАХ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АППАРАТУРЕ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ И НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ

На нефтехимических заводах за последние годы все более широко применяются неметаллические футеровки и покрытия, изготовляемые на основе портланд-цемента, пуццоланового порт­ ланд-цемента, глиноземистого цемента и жидкого стекла. Бетоны и растворы на этих вяжущих веществах применяются для защиты аппаратуры и трубопроводов от коррозии и эрозии, тепловой изоляции, а также при изготовлении блоков для кладки печей и дымоходов. Свойства этих материалов и методы их исследо­ вания применительно к условиям нефтехимической промышлен­ ности освещены в литературе недостаточно. Поэтому рассмотрим основные процессы, происходящие при отвердевании вяжущих веществ, а также физико-механические свойства бетонов, подвер­ гающихся в процессе эксплуатации воздействию высоких темпе­

(гидравлических) вяжущих веществ. Его изготовляют тонким измельчением клинкера, получаемого обжигом до спекания в спе­ циальных печах при температурах 1300—1450° сырьевой смеси определенно подобранного химического состава. На цементных заводах для получения клинкера применяют смесь двух или Нескольких материалов, из которых одни характеризуются высо­ ким содержанием углекислого кальция, а другие высоким содер­ жанием глинистых веществ. Во время спекания клинкера в резуль­ тате физико-химических процессов образуются сложные химиче­ ские соединения (минералы), состоящие из окислов CaO, SiO2,

6

четырехкальциевого алюмоферрита (4СаО • А12О3 • Fe2O3 или

C4AF).

Эти минералы содержатся в клинкере в следующих пределах

(в %).

более важной составной частью клинкера, обеспечивающий интен­ сивный ход процесса твердения и приобретение затвердевшим цементом требуемой механической прочности. В обычных клин­ керах содержание C3S колеблется в пределах. 50—85% от суммы минералов — силикатов (C3S + C2S). При большем содержании C3S клинкеры называются алитовыми, при меньшем — белитовыми. Содержание С3А в обычных клинкерах колеблется в пре­ делах 30—70% от суммы минералов — плавней (С3А + C4AF); при большем содержании С3А клинкеры называются алюминат­ ными, а при меньшем — браунмиллеритовыми.

Физико-механические и химические свойства портланд-цемен­ тов, а также бетонов на их основе значительно изменяются в зави­ симости от минералогического состава клинкера. Так, например, алюминатные портланд-цементы при твердении характеризуются сравнительно большой скоростью нарастания прочности с повы­ шенным выделением тепла. Белитовые портланд-цементы, наобо­

* Далее применяются сокращенные обозначения: СаО = С, SiOz = S,

А12О3 = A, Fe2O3 = F.

7

рот, твердеют медленно с небольшим выделением тепла. Химиче­ ская стойкость бетонов в агрессивных средах также зависит от минералогического состава клинкера, из которого изготовлен цемент.

В портланд-цементный клинкер при его помоле добавляется гипс для регулирования сроков схватывания, можно вводить до 15% гидравлической добавки или гранулированногодоменного шлака. При совместном помоле портланд-цементного клинкера с гидравлической добавкой (трепелом, диатомитом, трасом и др.), взятой в количестве от 20 до 50%, получаются так называемые пуццолановые портланд-цементы.

При затворении цемента водой происходят реакции химиче­ ского взаимодействия минералов, входящих в клинкер, с водой, при этом образуются новые вещества. Вода с клинкерным минера­ лом может взаимодействовать без его распада (реакция гидрата­ ции) или с распадом исходного вещества йа новые продукты (реакция гидролитической диссоциации или гидролиза). Оба типа реакций принято обобщенно называть гидратацией.

Трехкальциевый силикат под действием воды распадается на следующие вещества:

ЗСаО • SiO2+т Н2О=2СаО • SiO2 • иН2О+Са (ОН)2.

Точное содержание воды в образующемся гидросиликате, обозначенное через п, еще не установлено; по данным В. Н. Юнга и Ю. М. Бутта оно равно единице. Исследования Ю. М. Бутта показали, что к месячному сроку гидратации трехкальциевый силикат выделяет около 13% гидрата окиси кальция, а при пол­ ной гидратации — около 24% от общего веса навески. Двух­ кальциевый силикат под действием воды гидратируется с образо­ ванием гидросиликата кальция:

2СаО • SiO2+n • Н2О=2СаО ■ SiO2 • иН2О.

Находящийся в цементе трехкальциевый алюминат также подвергается гидратации:

ЗСаО • А1„О3+мН2О = ЗСаО - А12О3 • иН2О.

По данным Ю. М. Бутта и ряда других исследователей коэф­ фициент п равен 6.

Четырехкальциевый алюмоферрит при действии на него воды подвергается гидролитическому расщеплению по уравнению

4СаО • А12О3 ■ Fe2O3 + иН2О=ЗСаО-Al2O3wH2O+CaO-Fe2O3 • рН2О.

В условиях твердения портланд-цемента, когда имеется суще­ ственное содержание гидрата окиси кальция, образующегося при гидролизе трехкальциевого силиката, трехкальциевый гидро­

8