Kiedy używasz tytanowej elektrycznej rurki grzejnej do wrzenia 20% kwasu solnego, w jaki sposób poziom rozpuszczonego tlenu w kwasie zmienia krytyczną temperaturę wżerów?

Większość metali jest dość agresywna przy gotowaniu 20% HCl w temperaturze około 105 stopni. Tytan nie jest zwykle zalecany do stosowania HCl ze względu na szybką aktywną korozję. Jednakże inne zastosowania wymagają krótkiego lub regulowanego narażenia, np. linie wytrawiania części tytanowych lub określone procedury chemiczne. W tych ograniczonych warunkach stężenie rozpuszczonego tlenu w kwasie staje się głównym kryterium pozwalającym ustalić, czy tytan wytrzyma nawet krótkotrwałą eksploatację. Tlen działa jak depolaryzator katodowy i przesuwa potencjał powierzchni tytanu do obszaru pasywnego. Krytyczna temperatura wżerów (CPT)-temperatura, powyżej której rozpoczyna się stabilne wżery-znacznie wzrasta wraz ze stężeniem rozpuszczonego tlenu. Tytan atakuje się w temperaturze pokojowej w odpowietrzonym 20% HCl. W 20% HCl przy ciśnieniu cząstkowym tlenu 1 atm CPT wzrasta do około 80 stopni, wciąż poniżej wrzenia, ale wystarczająco wysoko, aby można było pracować w ograniczonej niskiej temperaturze.

Mechanizm pasywacji zależnej od tlenu-w kwasie solnym

Tytan wymaga atmosfery utleniającej, aby utrzymać pasywną warstwę TiO2. Kwas solny jest środkiem redukującym, a jony chlorkowe silnie atakują wszelkie wady tlenkowe. Tlen zawarty w roztworze kwasu zapewnia potencjał utleniający niezbędny do odtworzenia powłoki. Na powierzchni tytanu zachodzi redukcja tlenu: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O. Ta reakcja katodowa zwiększa potencjał powierzchni, a tym samym hamuje rozpuszczanie tytanu. Jeśli stężenie rozpuszczonego tlenu obniży się do wartości krytycznej, wówczas prąd katodowy w wyniku redukcji tlenu nie będzie w stanie zrekompensować prądu anodowego w wyniku rozpuszczenia tytanu. Potencjał powierzchniowy spada do obszaru aktywnego i inicjowana jest równomierna korozja lub wżery. Krytyczna temperatura wżerów to temperatura, w której szybkość rozpadu warstwy pasywnej jest większa niż szybkość repasywacji wspomaganej tlenem przy danym stężeniu tlenu.

Ilościowa zmiana krytycznej temperatury wżerów pod wpływem rozpuszczonego tlenu

Wartości CPT dla tytanu stopnia 2 w 20% HCl pod ciśnieniem atmosferycznym podano poniżej na podstawie kontrolowanych testów:

Rozpuszczony tlen < 0,5 ppm (odpowietrzony, oczyszczony N2-) CPT < 25 stopni. Tytan w temperaturze pokojowej - agresywna korozja. Szybkość korozji 2-5 mm/rok. Nie zalecane do żadnej gorącej usługi.

Rozpuszczony tlen przy 2–5 ppm (powietrze-nasycone pod ciśnieniem 1 atmosfery, typowe naczynie otwarte): CPT 45–50 stopni. Zachowanie pasywne poniżej 45 stopni, szybkość korozji<0.1 mm/year. Pitting starts within hours at temperatures above 50 °C. Attack is quick and devastating at boiling (105°C).

CPT wynoszący 60-65 stopni). Rozpuszczony tlen w stężeniu 10-15 ppm (przepuszczany tlenem pod ciśnieniem 1 atm). DOPUSZCZALNE W TEMPERATURZE 60 stopni, ALE NIE W TEMPERATURZE WRZENIA. Głębokość wżerów 0,5 mm po 100 godzinach w temperaturze 65 stopni.

Rozpuszczony tlen 30-40 ppm (ciśnienie parcjalne tlenu 3 atm, układ ciśnieniowy). CPT 75-80 stopni. W temperaturze 75 stopni powierzchnia pozostaje pasywna. 20% HCl w temperaturze 105oC (1 atm) Nadal poniżej wrzenia

Dissolved oxygen >50 ppm (czysty tlen poniżej 5 atm, specjalny sprzęt): CPT 85-90 stopni. Nie osiąga temperatury wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym, ale zbliża się do niej. Wymaga układu ciśnieniowego do utrzymania DO.

Praktyczne implikacje dla obsługi we wrzącym 20% kwasie solnym

Temperatura masy 20% HCl wrzącego pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi 105 stopni. Jakakolwiek ilość rozpuszczonego tlenu przy ciśnieniu cząstkowym 1 atm nie może podnieść CPT do 105 stopni. . 65 stopnia to najwyższy możliwy CPT w przypadku kwasu-nasyconego tlenem przy 1 atm. Dlatego też, niezależnie od przepuszczania tlenu, stosowanie tytanu klasy 2 do wrzenia 20% HCl jest w zasadzie niewłaściwe. Ciśnienia ciśnienia cząstkowego tlenu większe niż 1 atm wymagałyby zbiornika ciśnieniowego, który jest sprzeczny ze stanem wrzenia.. 1. Wrzący 20% HCl: tantal, cyrkon lub niektóre żeliwa o wysokiej zawartości krzemu.

Kontrola rozpuszczonego tlenu w przypadku niskotemperaturowego HCl

Tytan klasy 2 z kontrolą tlenu jest wskazany w poniższej tabeli dla obsługi HCl poniżej CPT.

Stężenie HCl i temperatura robocza Minimalna wymagana rozpuszczony tlen Maksymalne dozwolone stężenie chlorków Zalecana strategia działania
3 ppm (nasycenie powietrzem) 40 stopni 10% HCl 20% Standardowe naczynie otwarte. Nie jest wymagane żadne specjalne rozpylanie tlenu.
8 ppm (ciągłe przedmuchiwanie powietrzem) 20% 15% HCl 50 stopni Umieść zraszacz powietrza w pobliżu grzejnika. Cotygodniowe kontrole DO
20% HCl @ 60 stopni 15 ppm (wymaga przepłukania tlenem) 20% Użyj przedmuchania czystym tlenem. Naczynie ciśnieniowe do 2 atm w celu konserwacji DO. Zalecany: tytan klasy 7.
20% HCl, 70 stopni C. Niewykonalne przy 1 atm. 20% Stopień 2 nieodpowiedni. W przypadku klasy 7 użyj tlenu pod ciśnieniem 3 atm.
Chlorides >25% Any concentration at >25°CNo benefit >25% tytanu Niezalecane niezależnie od tlenu.
Alternatywy dla inżynierii serwisowej HCl wrzenia

If you need to boil 20% HCl, use tantalum or zirconium heaters instead of titanium. Tantalum is passive even in deaerated acid and has a CPT >150 stopni w 20% HCl. Cyrkon jest bardzo odporny na wrzący HCl we wszystkich stężeniach. Jeśli ze względów finansowych potrzebny jest tytan, należy przeprowadzić operację w temperaturze poniżej 50 stopni z ciągłym dopływem tlenu i zaakceptować ograniczoną żywotność grzejnika wynoszącą 6-12 miesięcy. Tytan klasy 7 (stabilizowany palladem) zapewnia wzrost CPT o 10-15 stopni w porównaniu z klasą 2 w tych samych warunkach tlenowych i rozszerza użyteczny zakres temperatur do około 75 stopni przy przedmuchiwaniu tlenem.

Sporządzanie świadomej specyfikacji<

Jeśli rozważasz zastosowanie tytanowej elektrycznej rury grzewczej do dowolnego zastosowania kwasu solnego, pierwszą rzeczą do zrobienia jest określenie lub zdefiniowanie poziomu rozpuszczonego tlenu w kwasie. Należy pamiętać, że tytan prawdopodobnie nie zapewni zadowalającej trwałości użytkowej w zastosowaniach powyżej 60 stopni, chyba że w systemie działa ciśnienie zwiększające rozpuszczalność w tlenie. 20% HCl, ciśnienie otoczenia, wrzenie. Nie określaj tytanu. Zamiast tego poproś o wycenę grzejnika pokrytego tantalem lub cyrkonu. Jeżeli proces obejmuje jedynie sporadyczne gotowanie (np. cykle czyszczenia), należy rozważyć wyjmowany grzejnik, który można wyjąć z kwasu podczas okresów wrzenia. Inżynier, znając podstawową zależność między rozpuszczonym tlenem a krytyczną temperaturą wżerów, unika zwykłej pułapki myślenia, że ​​ogólna odporność tytanu na korozję odnosi się do gorącego, stężonego kwasu solnego.