Khi đun nóng axit photphoric (30-50%) ở 100 độ, tại sao ô nhiễm sắt hòa tan lại đẩy nhanh quá trình ăn mòn titan vượt quá mức chấp nhận được?
Để lại lời nhắn
Thiết bị gia nhiệt titan trong dịch vụ axit photphoric thể hiện hành vi mâu thuẫn. Titan loại 2 trong axit photphoric 30-50% tinh khiết về mặt hóa học ở 100 độ có tốc độ ăn mòn thấp là 0,05-0,10 mm mỗi năm, nằm trong giới hạn chấp nhận được đối với ống gia nhiệt. Tuy nhiên, axit photphoric quy trình ướt công nghiệp (WPA) thu được từ quá trình phân hủy đá photphat chứa nhiều tạp chất và sắt hòa tan (Fe2+ và Fe3+) có tác động tàn phá nhất đối với khả năng chống ăn mòn của titan trong số đó. Ngay cả ô nhiễm sắt 0,5% cũng có thể làm tăng tốc độ ăn mòn titan lên gấp 10 đến 50, dẫn đến thủng ống trong nhiều tháng thay vì nhiều năm. Bài viết này mô tả cơ chế điện hóa của quá trình ăn mòn tăng tốc do sắt gây ra và xác định giới hạn an toàn về hàm lượng sắt cho hoạt động của lò sưởi titan.
Cơ chế tăng tốc ăn mòn qua sắt
Màng thụ động trên titan trong axit photphoric chủ yếu bao gồm TiO 2 với các loại phốt phát tích hợp. Bộ phim ổn định giữa một loạt các tiềm năng điện hóa. Các ion sắt hòa tan, chủ yếu là Fe³⁺, là các chất oxi hóa khử chuyển động giữa Fe³⁺ và Fe²⁺ trên bề mặt titan. Mỗi ion Fe³⁺ tiếp xúc với bề mặt sẽ nhận một electron từ titan (khử thành Fe2⁺), sau đó khuếch tán đi và được oxy hóa lại thành Fe³⁺ bằng oxy hòa tan. Chu kỳ oxi hóa khử liên tục này chuyển thành công các electron từ kim loại titan sang dung dịch khối, do đó bỏ qua lớp phủ thụ động bảo vệ.
Các phép đo điện hóa cho thấy mức độ của hiệu ứng này. Khả năng ăn mòn của titan Lớp 2 trong 40% H₃PO₄ nguyên chất ở 100 độ ổn định trong khoảng +150 và +250 mV so với SCE với mật độ dòng điện thụ động là 5 µA/cm². Việc bổ sung 0,5% Fe3+ (ở dạng sắt photphat) làm tăng khả năng ăn mòn từ +400 đến +550 mV so với SCE và tăng mật độ dòng điện thụ động lên 50-100 µA/cm2. Ở mức 1,0% sắt, mật độ dòng điện là 200-300 µA/cm 2 và tương ứng với tốc độ ăn mòn 0,5-0,8 mm mỗi năm. Ở mức 2,0% sắt, tỷ lệ này lớn hơn 1,5 mm/năm.
**Giới hạn sắt quan trọng của dịch vụ gia nhiệt**
Thử nghiệm tiếp xúc lâu dài-của titan Loại 2 trong axit photphoric ở 100 độ đã tìm thấy giới hạn thực tế đối với sắt. Ở hàm lượng sắt hòa tan dưới 0,2%, tốc độ ăn mòn là dưới 0,10 mm/năm, đủ cho tuổi thọ của lò sưởi là 10 năm với độ dày thành 1,5 mm. Tỷ lệ là 0,15-0,30 mm/năm ở mức 0,2 đến 0,5% sắt, điều này sẽ làm giảm tuổi thọ dự kiến xuống còn 3-5 năm với độ dày thành điển hình. Tỷ lệ ăn mòn trên 0,5% sắt là quá cao (hơn 0,5 mm mỗi năm) và dẫn đến hiện tượng rỗ cục bộ góp phần làm tăng thêm tổn thất kim loại.
Axit photphoric-quá trình ướt thường chứa 0,8-1,5% sắt hòa tan từ tạp chất đá photphat. Thiết bị bay hơi và cô đặc WPA sử dụng bộ gia nhiệt bằng titan, chúng sẽ bị ăn mòn nhanh chóng nếu không được xử lý trước để loại bỏ sắt hoặc nâng cấp lên hợp kim titan có độ bền cao hơn. Titan lớp 7 (Ti-0,15Pd) cải thiện khả năng chịu đựng sắt, với tỷ lệ dưới 0,15 mm mỗi năm ở mức 0,8% sắt, tuy nhiên, ngay cả Lớp 7 cũng không đạt được trên 1,2% sắt.
Ma trận ứng dụng và chiến lược giảm nhẹ
Nguồn axit photphoric Hàm lượng sắt điển hình Vật liệu làm nóng được khuyến nghị Tỷ lệ ăn mòn dự kiến Tuổi thọ sử dụng (tường 1,65 mm)
Titan tinh khiết (quy trình nhiệt) Titan loại 2<0.05% 0.05-0.08 mm/year 15-20 years WPA, solvent-extracted Grade 2 titanium (1.65-2.0 mm) 0.2-0.4% 0.10-0.15 mm/year 8-12 years WPA, untreated (low iron rock) Grade 7 titanium (2.0 mm) 0.5-0.8% 0.12-0.20 mm/year 6-10 years WPA, untreated (high iron rock) Grade 7 + iron removal system 0.8-1.5% 0.20-0.40 mm/year 3-5 years
Superphosphoric acid (>70% P₂O₅) Zirconium hoặc tantalum có thể thay đổi Không áp dụng Titanium không được khuyến nghị
Tóm tắt thông số kỹ thuật của máy làm nóng axit photphoric
Ô nhiễm sắt hòa tan hơn 0,2% trong axit photphoric ở 100 độ sẽ thúc đẩy quá trình ăn mòn titan bằng cơ chế chu trình oxi hóa khử làm phá vỡ sự bảo vệ của màng thụ động. Đối với axit xử lý ướt có hàm lượng sắt điển hình từ 0,8 đến 1,5%, lò sưởi titan cấp 2 sẽ hỏng sau 2 đến 3 năm. Các kỹ sư phải đối mặt với việc lựa chọn chỉ định titan cấp 7 (đẩy dung sai sắt lên khoảng 0,8%) hoặc thêm các bước loại bỏ sắt (chiết bằng dung môi, trao đổi ion) ở thượng nguồn của lò sưởi. Khi mua bộ gia nhiệt titan cho dịch vụ axit photphoric, hãy luôn yêu cầu phiếu kiểm tra ăn mòn đã trải qua axit xử lý thực tế và yêu cầu độ dày thành tối thiểu là 2,0 mm đối với Cấp 2 hoặc 1,65 mm đối với Cấp 7 đối với axit mang sắt.
