נירוסטה דופלקס בייצור דלק ביולוגי: אתגרי קורוזיה במפעלי ביודיזל ואתנול

יצרני דלק ביולוגי מפעילים כמה מזרמי התהליך התובעניים ביותר מבחינה כימית בייצור תעשייתי. מתנול, גליצרין, חומצות שומן חופשיות, חומצות תסיסה, דנטורנטים-הנושאים כלוריד וטמפרטורות הפעלה גבוהות משתלבים כדי ליצור תנאי קורוזיה המנצחים באופן שגרתי פלדת אל חלד סטנדרטית 304 ו-316L.

נירוסטה דופלקס- משפחה של סגסוגות עם אוסטניט מאוזן -מיקרו-מבנה פריט - הפך לחומר הבחירה של מהנדסים שמתכננים כורי ביו-דיזל, עמודות זיקוק אתנול ומערכות האחסון וההעברה המקשרות ביניהם. מאמר זה משווה את ביצועי ציוני הדופלקס בשני מסלולי הייצור ומספק מסגרת מעשית לבחירת חומרים.

מדוע מפעלי דלק ביולוגי נפגעים מהר יותר ממפעלים כימיים רגילים?

זרמי תהליך דלק ביולוגי משלבים חומצות אורגניות, כלורידים, מים וטמפרטורה מוגברת באותה רכבת ציוד, ומייצרים עומס קורוזיה חמור יותר משירותי זיקוק נפט טיפוסיים - וזו הסיבה שפלדת אל-חלד אוסטניטית סטנדרטית אינה מתפקדת במפעלים אלו.

קורוזיה של זיקוק נפט מאופיינת היטב ומנוהלת ברובה עם נירוסטה 304/316L או פלדת פחמן עם קצבת קורוזיה. ייצור דלק ביולוגי שונה מכיוון שהוא מרכז מספר מנגנונים קורוזיביים בתוך מתקן יחיד וקומפקטי יחסית:

• חומצות אורגניות: חומצה אצטית וחומצה לקטית במרק תסיסה אתנול, וחומצות שומן חופשיות (FFA) בחומר הזנה של ביו-דיזל, מורידות את ה-pH ומאיצות קורוזיה כללית ומקומית.
• כלורידים: דנטורנטים, מי תהליכים ומלחים הנישאים-של חומרי גלם מכניסים יוני כלוריד המניעים פיצוח בורות ופיצוח קורוזיה של כלוריד (Cl-SCC), במיוחד מעל 60 מעלות.
• מתנול ומתחקסיד: שלב ההאסטריפיקציה במפעלי ביו-דיזל משתמש במתנול ומתחקסיד נתרן/אשלגן, שילוב אגרסיבי לפלדת פחמן ושולי ל-304 אל חלד.
• טמפרטורת הפעלה מוגברת: שלבי זיקוק, התייבשות ואידוי פועלים בנקודת רתיחה או קרובה, מה שמגדיל בחדות את קינטיקה של קורוזיה עבור כל כימיה נתונה.
• שחיקה-קורוזיה: מוצקים בזרמי סתימה וגליצרין שוחקים סרטי תחמוצת מגן, וחושפים מחדש מתכת טרייה להתקפה.

מכיוון שמנגנונים אלו חופפים במקום להתרחש בבידוד, חומר שנבחר רק עבור עמידות לכלוריד עלול עדיין להיכשל כתוצאה מהתקפת חומצה אורגנית, ולהיפך. זוהי הבעיה ההנדסית העיקרית שפלדת אל חלד דופלקס נועדה לפתור.

מה זה נירוסטה דופלקס?

מבנה הפריט של פלדת אל חלד דופלקס 50/50 בערך -מספק חוזק תפוקה כפול מזה של דרגות אוסטניטיות סטנדרטיות ועמידות גבוהה באופן ניכר בפני פיתולים כלוריים ופיצוח קורוזיה, וזו הסיבה הישירה לכך שהוא מתעלה על 304/316L בשירות דלק ביולוגי.

פלדות אל-חלד אוסטניטיות סטנדרטיות (304, 316L) הן סגסוגות אוסטניטיות- חד-פאזיות, כולן-. ציוני דופלקס מתוכננים להתמצק כמבנה דו- פאזי, בערך חצי אוסטניט וחצי פריט, באמצעות הרכב מאוזן של כרום, ניקל, מוליבדן וחנקן. עיצוב דו-שלבי- זה מייצר שלושה יתרונות מעשיים עבור ציוד דלק ביולוגי:

• חוזק גבוה יותר: דרגות דופלקס מציעות בדרך כלל פי 2-3 חוזק התפוקה של 316L, מה שמאפשר קטעי קירות דקים יותר עבור אותו דירוג לחץ - מה שמפחית משקל ועלות החומר.
• עמידות לכלוריד: שלב הפריט וסגסוגת החנקן מעלים את העמידות בפני פיתולים, קורוזיה של חריצים ו-Cl-SCC הרבה מעל 316L, שהוא קריטי במערכות טיפול-במי שטיפה, קירור ודנטורנטים-.
• קשיחות מאוזנת: שלא כמו אל חלד פריטי מלא, דופלקס שומר על קשיחות השפעה טובה ויכולת ריתוך מכיוון ששלב האוסטניט עדיין קיים.

מהנדסים בדרך כלל מדרגים את עמידות בפני קורוזיה באמצעות המספר המקביל של התנגדות פיתול (PREN), המחושב כ-%Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N). PREN גבוה יותר מצביע על עמידות טובה יותר להתקפה מקומית בסביבות כלוריד. דופלקס 2205 סטנדרטי נושא PREN בסביבות 35, בהשוואה לכ-24 עבור 316L - מרווח משמעותי וניתן למדידה.

איך דופלקס מתפקד מול מנגנוני קורוזיה ספציפיים-בביודיזל?

במפעלי ביו-דיזל, דופלקס 2205 מספק את התועלת הגדולה ביותר שלו בשטיפת מים-, הפרדת גליצרין ומערכות שחזור מתנול, שבהן כלורידים, זרזים שיוריים וחומצות שומן חופשיות משלבים אזורים - שבהם 316L נוטה להיווצרות גורות ופיצוח מתח.

ייצור ביו-דיזל הופך טריגליצרידים ומתנול לאסטרים מתיל חומצות שומן (FAME) באמצעות טרנסיפיקציה, מזרז על ידי נתרן או אשלגן הידרוקסיד. מספר שלבים יוצרים תנאים שבהם דופלקס מתעלה על הביצועים הרגילים של הנירוסטה:

כורי טרנסיפיקציה

מתנול ומתאוקסיד מאכלים פלדת פחמן ויכולים לתקוף נירוסטה 304 בתנאים מופרעים. תכולת המוליבדן של Duplex 2205 משפרת את העמידות הן בפני הזרז האלקליני והן בפני קורוזיה המונעת ללחות-.

שטיפת מים- והפרדת גליצרין

שטיפת ביו-דיזל גולמי להסרת שאריות סבון וזרזים מכניסה מי תהליך הנושאים כלורידים לעתים קרובות. בשילוב עם טמפרטורות הפעלה חמות, זוהי סביבת Cl-SCC קלאסית. ניסיון בשטח בתעשיית הביודיזל מראה באופן עקבי שצנרת 304/316L וריתוך כלי שיט נסדקים בשירות זה תוך מספר שנים, בעוד שרכיבי דופלקס נשארים תקינים במהלך חיי עיצוב מרובים-.

טיפול בחומצות שומן חופשיות (FFA).

חומרי הזנה של-FFA גבוהים (שמן בישול משומש, שומן מן החי, שמן תירס של מזקקים) מייצרים חומצות אורגניות במהלך האחסון והטיפול המקדים. תכולת הכרום הגבוהה יותר של Duplex מתנגדת לדילול חומצה כללי טוב יותר מאשר 304 אל חלד בזרמי חומרי הזנה חומציים אלה.

איך דופלקס מתפקד מול מנגנוני קורוזיה ספציפיים-אתנול?

במפעלי דלק-אתנול, דופלקס מספק את היתרון הגדול ביותר שלו בעמודות זיקוק, יחידות התייבשות של מסננות מולקולריות, ומאיידים של שקעים, שבהם כלורידים מתרכזים בחום וחומצות אורגניות מתסיסה מורידות את ה-PH של המערכת.

דלק-ייצור אתנול מתסיס תירס, קנה סוכר או חומרי גלם תאית לאתנול, ואז מטהר אותו באמצעות זיקוק והתייבשות. לחץ קורוזיה מתפתח במספר נקודות:

תְסִיסָה

מרק התסיסה פועל בדרך כלל ב-pH 3.5-5.5 עקב חומצה לקטית וחומצת אצטית המיוצרים על ידי שמרים ופעילות חיידקים. בעוד שלעתים קרובות 304 אל חלד מספיק בתסיסה בטמפרטורת הסביבה, אירועי זיהום (זיהומים חיידקיים המייצרים עומס חומצה גבוה יותר) יכולים לדחוף את התנאים לרמות המעדיפות דופלקס, במיוחד בפירים וחלקים פנימיים הכפופים ללחץ מכני וקורוזיבי משולב.

זיקוק והתייבשות מסננת מולקולרית

עמודות זיקוק פועלות ליד נקודת הרתיחה של תערובת המים אתנול-, ודנטורנט (בדרך כלל בנזין טבעי) מכניס כלורידים במורד הזרם. השילוב של חום וריכוז כלוריד בדודים חוזרים ומיטות התייבשות הוא גורם מתועד היטב ל-Cl-SCC בפנים 304 אל חלד; מגשי דופלקס, תומכי אריזה וחלקי מעטפת מתנגדים למצב כשל זה.

אידוי סטילאז ומייבשים

מאיידים דקים מתרכזים מוצקים מומסים, חומצות אורגניות וכלורידים פי כמה -כאשר מסירים מים, תוך שהם פועלים בטמפרטורה גבוהה. זהו באופן עקבי אחד השירותים המאכלים ביותר במפעל אתנול, וצלחת דופלקס או סופר דופלקס היא כעת מפרט סטנדרטי להשפעות מאייד בפרויקטים חדשים-חדשים וחידושים רבים.

ביודיזל לעומת אתנול: כיצד משתווים פרופילי הקורוזיה?

קורוזיה של ביו-דיזל מונעת בעיקר על ידי מתנול, כימיה של זרז וכלורידי מי כביסה- המרוכזים בציוד תגובה והפרדה במעלה הזרם, בעוד שקורוזיה אתנול מונעת בעיקר על ידי חומצות תסיסה ודנטור- עמוס כלוריד המרוכז בציוד זיקוק ואיוד במורד הזרם.

איזו דרגת דופלקס צריך לציין במפעל דלק ביולוגי?

Lean duplex 2304 מתאים לצנרת בלחץ-נמוך, בלחץ בינוני-; דופלקס 2205 סטנדרטי הוא ברירת המחדל עבור רוב ציוד השירות המאכל-ביודיזל ואתנול; סופר דופלקס 2507 שמור לאזורי ה-כלוריד,-הגבוהים ביותר, כגון מאיידים של דוממים ומערכות קירור מים-בחוף.

ככלל, 2205 מכסה את הרוב הגדול של שירותי קורוזיביות של מפעלי דלק ביולוגי ומציעה את האיזון הטוב ביותר בין עלות וביצועים. סופר דופלקס הוא שדרוג ממוקד עבור מיקומים ספציפיים-בחומרה גבוהה ולא למפרט כללי, מכיוון שתכולת הסגסוגת הנוספת שלו מגדילה את העלות ללא תועלת באזורים פחות אגרסיביים.

אילו שיטות ייצור וריתוך משמרות את העמידות בפני קורוזיה של דופלקס?

ביצועי קורוזיה תלויים בשמירה על איזון הפאזות במהלך הריתוך: יש לשלוט על כניסת החום, לשמור על טמפרטורת המעבר מתחת ל-150 מעלות לערך עבור דופלקס סטנדרטי, ומתכת מילוי-תואמת בשימוש, או שאזור הריתוך עלול לאבד לחלוטין את יתרון הקורוזיה שלו.

נירוסטה דופלקסית רגישה יותר לפרמטרים של ריתוך מאשר 316L מכיוון שהקלטת חום מוגזמת מסיטה את איזון הפאזות לכיוון פריט, ומפחיתה את הקשיחות ועמידות בפני קורוזיה באזור המושפע-בחום. שיטות עבודה מומלצות כוללות:

• שליטה בטמפרטורת מעבר (בדרך כלל מתחת ל-150 מעלות עבור דופלקס סטנדרטי, נמוך יותר עבור סופר דופלקס).
• שימוש בגז מגן וגיבוי מועשר בחנקן- כדי למנוע אובדן חנקן ומשקעי כרום-ניטריד בשורש הריתוך.
• בחירת מתכת מילוי מעט יותר-מסגגת בניקל ביחס למתכת הבסיס כדי לקדם רפורמה מספקת של אוסטניט בקירור.
• אימות מאזן פאזות ריתוך לאחר-(יעד 30-70% פריט) עם בדיקה מטלוגרפית או מדידת היקף פריט-על ריתוך הסמכה.
• הימנעות מטווח הרגישות של 300-1000 מעלות במהלך כל טיפול בחום לאחר-ריתוך או מחזור קירור איטי.

יצרנים מנוסים בצנרת דו-צדדית ומכלי לחץ לשירותי דלק ביולוגי מתייחסים להסמכת הליך הריתוך כשלב-הנדסי קורוזיה, לא רק כשלב מכני - מכיוון שריתוך מחוץ-מה-מפרט יכול להפוך לנקודת הכשל הראשונה גם כאשר המתכת הבסיסית שמסביב מתפקדת בדיוק כפי שתוכננה.

האם עלות נירוסטה דופלקס- יעילה בהשוואה ל-316 ליטר עבור מפעלי דלק ביולוגי?

דופלקס עולה בדרך כלל 15-25% יותר ליחידת משקל מאשר 316L, אבל החוזק הגבוה יותר שלו מאפשר ציוד דפנות-דק יותר וחיי השירות הארוכים יותר שלו בשירות כלוריד וחומצה מפחית כיבויים לא מתוכננים, כך שהעלות הכוללת של בעלות בדרך כלל נמוכה יותר במהלך חיי מפעל של 15-20 שנים.

החלטות בחירת חומרים בפרויקטים עתירי דלק ביולוגי-צריכות לשקול את עלות מחזור החיים, לא רק את מחיר הרכישה. שלושה גורמים בדרך כלל מעדיפים דופלקס על בסיס עלות כולל-:

• עובי דופן מופחת: חוזק התפוקה הגבוה יותר של הדופלקס מאפשר דפנות כלי וצינורות דקים יותר עבור אותו לחץ עיצובי, ומקזז חלקית את העלות הגבוהה יותר לכל קילוגרם של סגסוגת.
• מרווחי שירות ממושכים: פחות כלוריד-כשלי SCC ובורים מפחיתים את תדירות ההפסקות הבלתי מתוכננות, שהן יקרות בהרבה מהפרמיית החומר המצטברת במפעל הפועל ברציפות.
• נטל פיקוח ותיקון נמוך יותר: ציוד פחות נוטה לקורוזיה מקומית דורש היקף בדיקה פחות אינטנסיבי לאורך זמן, מה שמפחית את עלות העבודה בתחזוקה.

עבור מפעלים המעבדים חומרי גלם גבוהים-FFA, משתמשים במי תהליך הנושאים כלוריד- או הפעלת זיקוק ואיוד בטמפרטורה גבוהה, הטענה לדופלקס בציוד-בסיכון הגבוה ביותר הוא בדרך כלל חזק אפילו לפני שמביאים בחשבון הימנעות מזמן השבתה.

שאלות נפוצות

האם דופלקס 2205 עדיף על 316L עבור מפעלי אתנול?

כן, באזורי-כלוריד חשופים וטמפרטורה-גבוהה. ל-Duplex 2205 יש PREN של בערך 35 לעומת כ-24 עבור 316L, מה שמקנה לו עמידות טובה יותר באופן משמעותי בפני פיתולים ופיצוח קורוזיה של כלוריד בציוד זיקוק, התייבשות ואיידוי.

מה גורם לפיצוח קורוזיה במתח במערכות שטיפת-מי ביודיזל?

Cl-SCC מתרחשת כאשר יוני כלוריד, מתח מתיחה (כולל מתח ריתוך שיורי) וטמפרטורה מוגברת פועלים יחד על פלדת אל חלד רגישה. מי כביסה ביודיזל מכילים כלורידים, ומערכות הכביסה פועלות חמימות, ויוצרות תנאים שסדקים 304/316L אך דופלקסים מתנגדים.

האם דופלקס רזה 2304 יכול להחליף את 2205 בכל יישום?

לא. ל-Lean duplex 2304 יש PREN נמוך יותר (~25) והוא מתאים לשירותי -כלוריד,-נמוכים יותר, כגון מיכליות וצנרת מבנית, אך נדרשת דופלקס 2205 סטנדרטי לאזורי חומרה- גבוהים יותר כמו כורים, חומרי זיקוק ומאיידים.

למה דופלקס צריך בקרת ריתוך הדוקה יותר מאשר 316L?

עמידות בפני קורוזיה דופלקסית תלויה בשמירה על איזון אוסטניט-בערך 50/50. כניסת חום מוגזמת לריתוך מסיטה את האיזון הזה לכיוון פריט, מה שיכול להפחית הן את הקשיחות והן את עמידות בפני קורוזיה באזור המושפע מהחום, אלא אם כן נשלטים טמפרטורת מעבר וכימיה של חומר המילוי.

היכן במפעל דלק ביולוגי דופלקס מספק את ההחזר המהיר ביותר על ההשקעה?

ה-חומרה הגבוהה ביותר,-השלכות-הגבוהות ביותר של-מיקומי תקלות מראים בדרך כלל את ההחזר המהיר ביותר: מערכות להפרדת מים וגליצרין ביודיזל, וזיקוק אתנול, מסננת מולקולרית ומערכות אידוי.

נירוסטה דופלקסית אינה תחליף אוניברסלי לכל רכיב במפעל דלק ביולוגי, אך באזורים הספציפיים שבהם כלורידים, חומצות אורגניות וחום חופפים, היא מתעלה בעקביות על הנירוסטה האוסטניטית הסטנדרטית ומפחיתה את עלות הבעלות על מחזור החיים. התאמת דרגת הדופלקס הנכונה לכל אזור תהליך - וייצורו באמצעות נהלי ריתוך השומרים על איזון הפאזות שלו - הוא ההבדל בין נכס עמיד בפני קורוזיה- לבין כשל חוזר יקר.

כיצרנית של מוצרי נירוסטה וסגסוגת ניקל לתעשיות שירות קורוזיביות-, צוות ההנדסה שלנו תומך ביצרני דלק ביולוגי בבחירה, מפרט וייצור של רכיבים דופלקסים וסופר דופלקסים - מכלי כור ועד לחלקים פנימיים של זיקוק ואיידוי - עבור שירות-לטווח ארוך,{4}}נמוך.