铌制设备在硝酸浓缩中的应用

付维军 贺旭明 雷忠荣 叶建林

（西安优耐特容器制造有限公司)

0 前言

硝酸是基本化学工业的主要原料之一，是制造化肥、染料、多种金属硝酸盐、照相材料、塑料和合成纤维的主要原料。工业硝酸与绝大多数金属都发生反应，一般金属大多在硝酸中被迅速腐蚀破坏。因此，在生产和使用过程中硝酸致使材料腐蚀的问题非常突出，直接影响着生产及储运装置的平稳运行。

硝镁法浓硝酸工艺利用浓硫酸的脱水性，与稀硝酸混合，通过蒸汽直接加热，在填料浓缩塔内破坏硝酸的共沸点进行蒸馏，蒸馏出来的浓硝酸蒸汽通过冷凝器将其冷凝，然后再进一步冷却，即得到浓硝酸。

对于硝镁法浓硝酸工艺，设备的选材面非常窄，国外主要采用特氟隆、钽、铌、玻璃、钢衬玻璃以及一些特殊不锈钢，国内选材一般有铝、高硅铁、KY705(C)或者KY706，也有用STSI15R材料[1-3]。由于造价的原因，国内一般不使用钽、铌等贵重金属。

随着工业生产的发展以及国家对环境保护要求的提高，目前铌材设备在国内的使用也已经日渐增多。

1 硝酸冷凝设备

从填料浓缩塔蒸馏出来的浓硝酸需要经冷凝器冷凝。本文所述的硝酸冷凝器的有关技术参数如表1所示。

表1 硝酸冷凝器技术参数

2 设备材质的选择

金属铌属于难熔金属，有银灰色光泽，铌及铌合金比强度高，塑性好，能制成薄板和外形复杂的零部件，并且有很好的加工与焊接性能。

铌材具有很好的耐腐蚀性能。铌的耐腐蚀性在于其金属表面形成了一种致密的氧化膜，这种氧化膜具有高的介电常数以及高的击穿电压，氧化膜的耐腐蚀性和钽相似。但在腐蚀性介质中，铌与钽相比较耐腐蚀性能较差一些，例如在热的浓无机酸中就是如此。与钽相似，铌很容易发生氢脆。Bayer公司曾经使用铌材做换热器，该换热器介质为99.6%浓硝酸，进口温度为95℃，已经良好地运行了五年没有经过维修。目前，国内还没有铌材换热器这一方面的介绍。

在80～95℃时，98%的浓硝酸在174 d中的腐蚀情况见表2。在液相与气相的腐蚀环境中，钽、锆、铌、铝、钛等金属的腐蚀比较见表2。铌材100℃以下能耐所有浓度硝酸的腐蚀，即使在250℃、70%的硝酸中，腐蚀速率也仅为0.025 mm/a。在含氯离子的溶液中，铌仅有轻微重量的变化；在少量氟离子 （F-）存在的情况下，它的耐腐蚀性能要超过钽材。表3所示为铌材和其他几种金属材质及非金属材质在硝酸中的性能比较。

表2 各种材料在98.5%（质量百分数）、85～90℃条件下的腐蚀速率（174 d）

表3 各种材料在硝酸环境下优缺点比较

从表3可以看出，Ta、Ta-2.5W以及铌材在高温高浓度硝酸中没有腐蚀。由于钽材的价格大约为铌材的2倍， 并且钽材的密度为16.6 g/mm3，铌材的密度为8.56 g/mm3，相同换热面积的换热器，使用铌材质量仅为钽材的51.6%，所以用铌材做设备，造价大约为钽材设备的1/4多一些。考虑到造价，一般不使用钽材。

Ta40Nb在焊缝位置有点蚀，在焊件的焊接部分有晶间开裂。

锆材在介质中腐蚀速率低，但有黑色的氧化颜色。虽然这个材料看起来合适，但由于锆用于酸有着火的风险，出于安全考虑，通常不使用锆材。

钛材在气相条件下，焊缝热影响区有腐蚀，并且在热影响区会产生裂纹。铝材在高温高浓度硝酸中腐蚀速率高。高硅铁在浓硝酸介质中腐蚀速率为0.3～0.8 mm/a，随着硅含量的提高，腐蚀速率减小，但随着硅含量的增加，材料脆性增加，加工性能降低。

由上述几种材料的分析可见，铌制设备与其它材料制设备相比较，铝制换热器维修成本高并且可靠性低，高硅铁加工性能差并且换热效率低，聚四氟乙烯传热效率低且易老化，钽材耐腐蚀性能更优良一些，但用钽材做设备造价高，所以铌材可以作为性价比最高的材料在硝酸浓缩过程中使用。

3 应用实例

图1为某厂家制作的铌制换热器，表4为该换热器的技术参数。在设备制造过程中，根据铌的特性，合理地进行了设备设计，并确定了制造工艺、焊接工艺，采用了合适的检测工艺以及检测设备，从而确保了制造质量。

图1 硝酸冷凝器

表4 硝酸冷凝器技术参数

某工厂自从使用该铌制换热器以后，设备的跑冒滴漏明显降低，设备的可靠性增加。采用的材料导热系数增加了，因而工程的能量消耗降低了。该设备从使用到现在3年时间没有进行过修理，装置正常的操作成本大大降低。铌材设备在高浓度硝酸介质中显示了良好的耐腐蚀性。

4 结语

在硝酸生产中，高温浓硝酸腐蚀性强，因此设备选材至关重要。本文对Nb1、Ta1、Ta-2.5W、Al、高硅铁和聚四氟乙烯等材料在硝酸中的腐蚀速率进行了比较。

铌材具有很好的耐腐蚀性能。铌的耐腐蚀性在于其金属表面形成了一种致密的氧化膜。Nb1材料在高温浓硝酸条件下腐蚀速率小，经济效益明显。目前，铌换热设备已在硝酸浓缩中得到应用。

[1] 张金辉.国内外硝镁法硝酸浓缩技术的比较 [J].化肥设计,2001， 39 （5）： 19-20.

[2] 李忠.间硝法浓硝酸装置的设备选材 [J].石油和化工设备,2005 （5）： 57-58.

[3] 王金玉.硝镁法生产的材料比选分析 [J].化工设备与管道， 2002 （1）： 55-57.