Як рівень розчиненого кисню в кислоті змінює критичну температуру пітінгу при використанні титанової електричної нагрівальної трубки для кип’ятіння 20% соляної кислоти?

Більшість металів досить агресивні при кипінні 20% HCl при температурі близько 105 градусів. Титан зазвичай не рекомендується використовувати для використання HCl через швидку активну корозію. Однак інші види застосування вимагають короткого або регульованого впливу, наприклад, лінії травлення титанових деталей або спеціальні хімічні процедури. За цих обмежених умов концентрація розчиненого кисню в кислоті стає основним критерієм для встановлення того, чи може титан витримувати навіть короткочасну експлуатацію. Кисень працює як катодний деполяризатор і зміщує потенціал поверхні титану в пасивну область. Критична температура пітінгу (CPT)-температура, вище якої починається стабільний пітінг-значно зростає разом із концентрацією розчиненого кисню. Титан атакують при кімнатній температурі в деаерованому 20% HCl. У 20% HCl при парціальному тиску кисню 1 атм CPT піднімається приблизно до 80 градусів, все ще нижче температури кипіння, але достатньо високої для обмеженої експлуатації при низькій температурі.

Кисень-залежний механізм пасивації в соляній кислоті

Для збереження пасивної плівки TiO2 титану потрібна окислювальна атмосфера. Соляна кислота є відновником, і іони хлориду активно атакують будь-які дефекти оксиду. Кисень у розчині кислоти забезпечує окислювальний потенціал, необхідний для відновлення плівки. Відновлення кисню відбувається на поверхні титану: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O. Ця катодна реакція збільшує поверхневий потенціал і, отже, перешкоджає розчиненню титану. Якщо концентрація розчиненого кисню знижується до критичного значення, то катодний струм за рахунок відновлення кисню не може компенсувати анодний струм за рахунок розчинення титану. Поверхневий потенціал падає в активну область, і починається рівномірна корозія або точкова корозія. Критична температура пітінгу – це температура, при якій швидкість розпаду пасивної плівки перевищує швидкість репасивації за допомогою кисню при даній концентрації кисню.

Кількісна зміна критичної температури пітінгу з розчиненим киснем

Значення CPT для титану Grade 2 у 20% HCl при атмосферному тиску наведено нижче за результатами контрольованих випробувань:

Розчинений кисень < 0,5 ppm (деаерований, N2-очищений) CPT < 25 градусів. Титан при кімнатній температурі - агресивна корозія. Швидкість корозії 2-5 мм/рік. Не рекомендується для гарячого обслуговування.

Розчинений кисень при 2–5 ppm (насичене повітря-при 1 атм, типова відкрита посудина): CPT 45–50 градусів. Пасивна поведінка нижче 45 градусів, швидкість корозії<0.1 mm/year. Pitting starts within hours at temperatures above 50 °C. Attack is quick and devastating at boiling (105°C).

CPT 60-65 градусів). Розчинений кисень при 10-15 ppm (кисень при барботуванні 1 атм). ДОПУСТИМО ЗА 60 градусів, АЛЕ НЕ ЗА ТЕМПЕРАТУРИ КИПІННЯ. Глибина виточки 0,5 мм після 100 годин при 65 градусах.

Розчинений кисень 30-40 ppm (парціальний тиск кисню 3 атм, система під тиском). CPT 75-80 градусів. При 75 градусах поверхня залишається пасивною. 20% HCl при 105oC (1 атм) Все ще нижче температури кипіння

Dissolved oxygen >50 ppm (чистий кисень під 5 атм, спеціальне обладнання): CPT 85-90 градусів. Не досягає температури кипіння при атмосферному тиску, але наближається до неї. Потрібна система під тиском для підтримки DO.

Практичні наслідки служби в кип'ятінні 20% соляної кислоти

Температура кипіння 20% HCl при атмосферному тиску становить 105 градусів. Будь-яка кількість розчиненого кисню при парціальному тиску 1 атм не може підвищити CPT до 105 градусів . 65 градус є найвищим можливим CPT для-насиченої киснем кислоти при 1 атм. Тому, незалежно від барботування кисню, використання титану 2 класу для кип’ятіння 20% HCl є принципово недоцільним. Для парціального тиску кисню, що перевищує 1 атм, знадобиться посудина під тиском, що суперечить стану кипіння. 1. Кип’ятіння 20% HCl: тантал, цирконій або деякі чавуни з високим вмістом кремнію.

Контроль розчиненого кисню для низькотемпературного обслуговування HCl

Титан 2 класу з контролем кисню вказано в наступній таблиці для використання HCl нижче CPT.

Концентрація HCl і робоча температура Мінімально необхідний розчинений кисень Максимально допустима концентрація хлоридів Рекомендована операційна стратегія
3 ppm (насичення повітрям) 40 градусів 10% HCl20% Стандартна відкрита посудина. Спеціального розбризкування киснем не потрібно.
8 ppm (безперервне барботування повітрям) 20% 15% HCl 50 градусів Розмістіть барботер повітря біля нагрівача. Щотижневі перевірки DO
20% HCl при 60 градусах 15 ppm (вимагає барботування киснем) 20% Використовуйте барботування чистого кисню. Підніміть тиск у посудині до 2 атм для підтримки DO. Рекомендовано: титан класу 7.
20% HCl, 70 градусів C. Неможливо при 1 атм. 20% класу 2 невідповідно. Використовуйте 3 атм барботування кисню для 7 класу.
Chlorides >25% Any concentration at >25°CNo benefit >25% титану Не рекомендується незалежно від кисню.
Альтернативи кипінню HCl Service Engineering

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 градусів у 20% HCl. Цирконій дуже стійкий до кипіння HCl у всіх концентраціях. Якщо титан потрібен з фінансових причин, запустіть операцію при температурі нижче 50 градусів з постійним барботуванням кисню та погодьтеся на обмежений термін служби нагрівача 6-12 місяців. Титан класу 7 (стабілізований паладієм) дає збільшення CPT на 10-15 градусів порівняно з класом 2 за тих самих умов кисню та розширює діапазон корисних температур приблизно до 75 градусів з барботуванням кисню.

Складання обґрунтованої специфікації<

Якщо ви розглядаєте титанову електричну нагрівальну трубку для будь-якої служби соляної кислоти, перше, що потрібно зробити, це визначити або визначити рівень розчиненого кисню в кислоті. Зверніть увагу, що титан навряд чи забезпечить задовільний термін служби для застосувань понад 60 градусів, якщо в системі не буде створено тиск для підвищення розчинності кисню. 20% HCl, тиск навколишнього середовища, кипіння. Не вказуйте титан. Замість цього запитуйте ціни на танталовий або цирконієвий нагрівач. Якщо процес передбачає лише періодичне кип’ятіння (наприклад, цикли очищення), розгляньте можливість використання знімного нагрівача, який можна вийняти з кислоти під час кип’ятіння. Інженер, маючи основний зв’язок між розчиненим киснем і критичною точковою температурою, уникає звичайної пастки, коли думає, що загальна стійкість титану до корозії стосується гарячої концентрованої соляної кислоти.