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鈦盤管鈦換熱器等鈦制設備在工業中的應用

發布時間：2022-07-14 22:55:25 瀏覽次數：

1、前言

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優點[1]，在航空、航天、造船等領域被廣泛應用。尤其是其耐腐蝕性能優良，使得鈦制設備具有鋼制、鋁制、銅制設備無法比擬的優點，雖然鈦設備價格較高，但使用壽命長、維修費用低，有利于降低原材料和能源消耗，改善勞動條件，利于環保，從而獲得很高的經濟效益，廣泛應用于酸、堿、鹽等腐蝕性介質條件下的罐（塔）、換熱器、輸送管道等，在石油、化工、電力、冶金、海洋工程等工業領域是重要的結構材料。目前國內常用于制造鈦盤管、鈦管道、鈦換熱器等鈦制設備或容器的鈦材品種有：工業純鈦TA1、TA2，鈦鈀合金Ti-0.2Pd，鈦鉬鎳合金Ti-0.3Mo-0.8Ni，鈦鉬鋯合金Ti-15Mo-5Zr等[2]。根據使用情況有著不同的選擇。

鈦盤管

2、鈦制設備的應用

2.1 石油工業

鈦在有機化合物中，除了溫度較高的5種有機酸（甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸）外，都具有非常好的穩定性，是石油煉制和石油化工中優良的結構材料[1]。在石油化學工業中除反應器、冷凝器、管道使用鈦外，在石油鉆井設備中也使用鈦。在6000m深的含硫氣井內，壓力為140MPa，溫度為262℃，含硫化氫和鹽等強腐蝕性介質（pH=5~5.5），只有鈦合金適用[1]。

國外煉油廠中鈦正成功的使用于酸性水汽提塔、原油架空冷凝器、中間吸收交流換熱器、脫酸劑分餾塔，鈦還可以用來制作各種熱交換器、反應器、高壓容器和蒸餾塔等。

2.2 電力工業

電力工業是國民經濟的重要基礎工業，是國家經濟發展戰略的重點和先行產業。隨著我國經濟近年來快速發展，許多地方電力供應緊張，目前每年新增裝機量2.5×107kW以上。

鈦在含有氯化物、硫化物等許多腐蝕性較強的熱水中具有較好的穩定性，因此鈦大量在火力發電廠中用作熱交換器的冷卻管。

火電站和核電站過去都用的是鋁青銅冷凝器，但沿海的電站所用冷卻水是海水，有些內陸電站用的冷卻水污染嚴重，對冷凝器具有較強的腐蝕性。在這種環境下，鈦明顯優于鋁青銅、鋁黃銅、70Cu-30Ni和90Cu-10Ni等合金。盡管鈦制冷凝器一次性投資大，但壽命長，減少了停機維修及更換設備所需的停產時間及因腐蝕泄漏而帶來的減產損失，經濟效益十分明顯[1]。

2.3 海水淡化工業

海水約占地球水資源的97%，通過海水淡化來得到新的淡水資源是今后發展的一大趨勢。目前，它已成為中東、日本等水資源缺乏地區獲取淡水的主要方式。

海水淡化主要有2種方法：蒸餾法和反滲透法。蒸餾法是將海水加熱使其汽化，然后將蒸汽冷凝而獲得淡水，其工作溫度較高，可以用鈦；反滲透法是將海水加壓，使其中的淡水透過一種特殊的膜而將鹽份截留，如此獲得淡水，其工作溫度較低，一般不用鈦。目前，蒸餾法海水淡化工藝占到世界造水量的78%左右，一般大多采用多級蒸餾法。在多級蒸餾法中加熱器和蒸餾器則大多使用薄壁焊接鈦管。

鈦抗海水腐蝕的能力比其他所有金屬都好，無論是在靜止的或高速流動的海水中鈦都具有特殊的穩定性，因此鈦是海水淡化裝置的理想材料。海水淡化中應用鈦制設備有：熱交換器、冷凝器、供水加熱管、管道、其他接觸海水設備等。

2.4 純堿工業

純堿——碳酸鈉，是最基本的化工原料之一，廣泛應用于冶金、石油、化肥、化纖、染料、紡織、玻璃、紙漿、食品和肥皂等工業中。

生產純堿的方法主要有天然堿法和以鹽為原料的氨堿法、聯堿法（伴生氯化銨），生產介質中的Na+、CO32-、Cl-等對鋼制、鑄鐵制設備及管道有著很強的腐蝕性。尤其是聯堿法生產氯化銨部分，其Cl-濃度更高，腐蝕更為嚴重。由于鈦對Cl-的耐蝕性能優于常用的不銹鋼和其它有色金屬，鈦材在氨母液中的年腐蝕率幾乎為零，而且鈦換熱管傳熱效果好，設備壽命長，鈦在純堿生產的各種主體設備上得到大范圍的推廣應用，如鈦板式換熱器、鈦外冷器、鈦母液預熱器、碳化塔冷卻小管、鈦泵閥等[3]。

2.5氯堿工業

氯堿工業是基礎原料化學工業，其主要產品有燒堿、液氯、鹽酸、聚氯乙烯及其相關產品，是重要的無機化工原料，廣泛用于輕紡、造紙、農藥、醫藥、建材和冶金等行業，對國民經濟的發展起著舉足輕重的作用。

在氯堿工業的生產中，諸如鹽水精制、電解、氯氣處理等工序的許多物料，都具有很強的腐蝕性，利用鈦材對濕氯氣、次氯酸及氯酸鹽等介質具有很強的抗蝕性的特點，較好的解決了防腐問題，使氯堿工業得到了迅速發展。

鈦管道

20世紀70年代后期，推廣使用金屬鈦陽極隔膜電解槽代替石墨陽極電解槽。金屬鈦陽極隔膜電解槽與石墨陽極電解槽相比，陽極壽命由原來的 6~9個月，提高到現在的10年以上，同時還提高了燒堿和氯氣的產量與質量以及電流效率和電流密度，降低了能耗和生產成本，提高了勞動效率，并徹底消除了鉛對環境的污染，其經濟和社會效益是顯著的[4]。

20世紀80年代中期，推廣采用節能、高效和無污染的現代先進技術——離子膜法生產燒堿。離子膜制堿中要求鹽水的質量極高，鹽水在進入電解槽前的設備、管線、儀表等中不允許有任何腐蝕而帶進鐵、鈣等重金屬陽離子。若重金屬離子含量超標，會嚴重影響離子膜壽命，很快降低電流效率，無法體現離子膜制堿的優越性，整個裝置就不能長期穩定生產。鈦材在含氯介質中具有的極強耐蝕性，使得鈦在離子膜氯堿工業應用中的重要性體現更加明顯。離子膜法用鈦設備有鈦陽極電解槽、配套鈦陽極液槽、儀表鈦冷卻器、次氯酸鈉鈦冷卻器、鈦制脫氯塔、管線和泵閥等，1套萬噸級裝置用鈦量約8t[4]。

2.6 焦化行業

我國鋼鐵工業發展十分迅速，對焦炭的需求量越來越大。在生產焦炭時會產生大量的煤氣，這些煤氣需要凈化處理，同時提取硫銨、硫磺等副產品。目前采用的煤氣凈化工藝主要有AS法（氨硫聯合洗滌法）和HPF法（以氨為堿源的硫氨法）。由于煤氣中含有腐蝕性極強的H2S、NH3、HCN，使設備腐蝕十分嚴重。國外對焦炭生產主體設備均采用鈦材。我國在20世紀80年代初僅在熄焦塔撲塵裝置上應用鈦材，90年代以后，陸續在AS法煤氣凈化工程中大量采用了鈦制設備，有鈦制脫酸塔、鈦制蒸氨塔分縮器、蒸氨塔和揮發銨塔鈦塔盤、鈦板式換熱器、鈦閥門、鈦管道、鈦制儀表、流量計等，應用效果非常好。近幾年來，我國自行研發采用HPF新型高效復合催化劑從焦爐煤氣中脫除H2S、HCN的新工藝，這種工藝已陸續在一些企業應用，其中氨分縮器、精餾塔塔盤、氨冷凝冷卻器、熄焦撲塵裝置均采用鈦材[5]。

2.7 濕法冶金行業

自20世紀70年代初以來，我國的濕法冶金行業，如云南冶煉廠、上海冶煉廠、沈陽冶煉廠、金川公司、葫蘆島鋅廠等企業率先在銅電解、鎳電解、鉛鋅冶煉、貴金屬提煉中使用鈦材，制作鈦種板、鈦加熱器、鈦反應釜等，并獲得極大成功，不僅解決了以往的腐蝕問題，且提高了產品的質量，取得了極其顯著的經濟效益和社會效益。

以往的種板選用銅種板、不銹鋼種板，由于其在硫酸溶液下工作耐蝕性等較差，且容易燒板變形，鈦作為種板應用的主要優點是：

1）鈦表面的氧化膜保護了鈦不被電解液腐蝕，且又不污染電解液；

2）剝離極其容易，減輕了勞動強度；

3）成品率提高了30%以上；

4）電銅結晶組織致密，表面光滑；

5）不易短路燒板；

6）使用壽命在30年以上。

以往的銅電解液加熱用鉛管或石墨管，由于鉛管、石墨管固有的性能不足，不能承受較大的蒸汽壓力，怕震動、極易結垢等，滿足不了加熱工藝要求，經選用鈦列管加熱器后，解決了以上問題。近幾年，鈦鋼復合工藝日趨成熟，從節約資金、滿足生產工藝考慮，外殼選用碳鋼，換熱管選用鈦管，不僅解決了腐蝕問題，又降低了設備的投資[6]。

目前濕法冶金行業應用的鈦設備主要有：鈦真空蒸發器，用于電解硫酸銅制造銅；鈦閥，用于銅電解液的輸送；鈦板式加熱器，用于電解液的加溫；鈦反應器或鈦復合板反應器，用于濕法提取金屬工藝；鈦制母板易剝而不易粘板、始板片質量較好、無需使用隔離劑、耐電解液腐蝕4大優點使其在電解行業采用廣泛；鈦盤管則用于濕法提取銀溶液的保溫。

2.8 制藥工業

鈦在制藥業中主要用于制作容器、反應器和加熱器等。

制藥生產中，設備經常要接觸鹽酸、硝酸、硫酸等無機酸、有機酸及其鹽類，設備因腐蝕經常損壞，同時因鋼制設備帶來的鐵離子污染影響了產品質量，采用鈦制設備則能解決這些問題。例如，青霉素酯化釜、糖化罐、氯霉素薄膜蒸發器，安乃近反應器、米吐爾過濾器、硫酸二甲酯冷卻器、藥液過濾器等都有選鈦材的先例，所生產的藥液的數量和質量都在不斷提高，而且質量完全符合中國藥典的規定。

2.9 造紙和紡織工業

鈦對二氧化氯、亞氯酸、亞氯酸鹽等漂白劑具有特殊的抗腐蝕性能。因此，鈦在紡織印染工業、造紙工業的漂白設備中有著重要的作用，例如：鈦材制造的亞漂機使用效果很好，還有在合成纖維等工業中用作噴絲頭。

在紡織工業中應用鈦設備有：連續漂白機、反應槽、冷凝器、熱交換管、離心分離機的泵、閥等；在造紙工業中應用的鈦設備有：攪拌器、漂白塔、加熱鍋、反應塔配管等。

2.10 真空制鹽工業

高溫濃鹽鹵水對真空制鹽用碳鋼設備的嚴重腐蝕直接影響了設備能力的發揮及生產的正常進行，腐蝕造成設備頻繁維修，大量的跑冒滴漏。鈦及鈦合金具有優異的抗海水及氯化物溶液腐蝕及流體沖刷的性能，良好的綜合機械性能，比強度高，使其在真空制鹽行業得以廣泛推廣應用。應用的主要設備為：鈦氨蒸發器、鈦預熱器、鈦預冷器、鈦冷凍泵、鑄鈦葉輪、鹽漿輸送管道等。

2.11 其他行業

鈦在冶金工業中應用有：合金鋼添加劑、電解純金屬（如鋼、鎳、鈷）的陰極板和電鍍槽等。

鈦在艦艇工業中的應用有：艦艇外殼、甲板、閥、快艇推進器、傳動軸、深潛艇壓力艙等。

鈦換熱器