化学反応器材料の選択

化学反応器の材料の選択は、化学反応器の設計において重要な側面です。化学反応器には、 CSTR、PFR、セミバッチ、触媒の 4 つの主なグループがあり、それぞれにバリエーションがあります。反応に関与する化学物質の性質や動作条件 (温度や圧力など) に応じて、特定の材料が他の材料よりも優れた性能を発揮します。

化学反応器の作成に使用できる材料には、いくつかの広範なクラスがあります。例としては、金属、ガラス、セラミック、ポリマー、炭素、複合材料などがあります。^[2] 金属は、比較的製造が容易で、強度が高く、破損しにくいため、 化学工学機器の最も一般的な材料クラスです。ガラスは化学実験室の機器では一般的ですが、破損しやすいため、大規模な工業用途には適していません。 セラミックは脆く製造が難しい ため、化学反応器の材料としてはそれほど一般的ではありません。ポリマーは、温度安定性に役立つため、配管やバルブで人気が高まり始めています。炭素にはいくつかの形態がありますが、反応器に最も役立つ形態は、複合材料の炭素繊維またはグラファイト繊維です。^[3]

特定の材料に関する最後の重要な基準は、その安全性です。エンジニアは、機器を扱ったり、建物や道路を利用する人の安全を確保し、負傷や死傷のリスクを最小限に抑える責任があります。その他の考慮事項には、強度、機械的または熱的衝撃による突然の破損に対する耐性、耐腐食性、コストなどがあります。^{[2] [3]さまざまな材料を比較するには、} ASHBY図とASME圧力容器コードを参照すると役立つ場合があります。材料の選択は、既知のデータと経験から行うのが理想的です。コンポーネントの要件と腐食および劣化挙動をより深く理解することで、材料の選択に役立ちます。さらに、過去のシステムのパフォーマンスが良か悪かったかを知ることは、代替合金の選択やコーティングシステムの使用を決定する際に役立ちます。以前の情報が利用できない場合は、テストを実行することをお勧めします。^[4]

高温反応炉の運転には、熱膨張と収縮による歪みや亀裂、高温腐食など、多くの問題が伴う。高温腐食が発生している兆候としては、表面の焦げや黒焦げ、溶融相、歪み、厚い鱗片、金属の著しい薄化などがある。一般的な高温合金には、さらなる酸化を防ぐ保護酸化物を形成する目的で 20% を超えるクロムを含む鉄、ニッケル、コバルトなどがある。^[4]アルミニウム、シリコン、イットリウム、セリウム、ランタン などの希土類元素など、耐腐食性を高めるさまざまな元素もある。反応性金属や耐火金属などのその他の添加物は、反応炉の機械的特性を向上させることができる。耐火金属は壊滅的な酸化を受ける可能性があり、金属はほとんど役に立たない粉末状の酸化物に変わる。この損傷は停滞した状態では悪化するが、シリサイドコーティングはある程度の耐性があることが証明されている。^[4]