Em que limite crítico de concentração e temperatura de ácido sulfúrico uma bainha de aço inoxidável 316 de 1,6 milímetros se torna insegura para aquecimento por imersão contínua acima de 15 watts por centímetro quadrado?

Os engenheiros de processos químicos que projetam aquecedores elétricos de imersão para serviço de ácido sulfúrico em linhas de decapagem de metais, fabricação de baterias e reatores de síntese química precisam conhecer os limites de concentração-de temperatura nos quais ocorre com precisão a quebra passiva do filme, se quiserem selecionar o aço inoxidável 316 como material de revestimento. Dos ácidos minerais, apenas o ácido sulfúrico mostra-se corrosivo ao máximo para o aço inoxidável 316 em concentrações intermediárias (40-60%) e diminui em concentrações mais baixas e mais altas. Um padrão típico de 1,6 mm de espessura de parede proporciona um compromisso entre a transmissão prática de calor e a robustez mecânica. Mas operar acima da mistura crucial de concentração, temperatura e densidade de watts pode levar a uma rápida corrosão ativa, reduzindo a vida útil da bainha de anos para semanas. Neste artigo, os limites exatos da bainha 316 de 1,6 mm, que não é segura para aquecimento por imersão contínua em densidades de potência superiores a 15 W/cm2 .

A mudança da passividade para a atividade em 316 exposto ao ácido sulfúrico
A resistência à corrosão do aço inoxidável 316 em ácido sulfúrico depende da estabilidade do revestimento passivo de óxido de cromo. O filme passivo é estável em ácido sulfúrico diluído em concentrações abaixo de 15% até 60 graus, e as taxas de corrosão são inferiores a 0,1 mm por ano. Ao aumentar a concentração para 40-60%, a tendência redutora do ácido domina o filme passivo e há uma mudança para corrosão ativa com taxas de 5-20 mm por ano. Em concentrações acima de 70%, o ácido sulfúrico oxida novamente, repassivando a superfície do 316 e diminuindo as taxas de corrosão para menos de 0,5 mm/ano. A temperatura da superfície da bainha é normalmente 20–50 graus acima da temperatura do ácido a granel devido ao fluxo de calor para um aquecedor de imersão. A temperatura da superfície da bainha de um aquecedor de 15 W/cm^2 em ácido a granel de 50 graus pode ser de 80–90 graus. Isto resulta numa temperatura superficial mais elevada e numa mudança da transição passiva para activa para concentrações mais baixas. Uma concentração de ácido a granel de 30% que é segura a 50°C pode ser agressiva na superfície da bainha se a temperatura local ultrapassar 70°C. Portanto, a janela de trabalho segura para uma bainha 316 de 1,6 mm é determinada pela temperatura mais alta da superfície, e não pela temperatura do ácido a granel.

Limites críticos para uma parede de 1,6 milímetros a 15 Watts por centímetro quadrado
Testes experimentais de corrosão em 316 amostras com um polimento de superfície típico de bainhas de aquecedor estampadas (0,5 a 0,8 mícrons Ra) produzem os seguintes limites essenciais para o início da corrosão ativa. A concentração crítica de ácido sulfúrico para a quebra do filme passivo é de cerca de 55% na temperatura superficial de 60 graus. A concentração crítica é reduzida para 48% a uma temperatura de superfície de 70 graus. A 80 graus, o limite diminui para 42%. A 90 graus é 38%. A 100 graus reduz para 32%. Para uma bainha de parede de 1,6 mm a 15 W/cm2, o aumento de temperatura do ácido bruto para a superfície da bainha é de cerca de 25-30 graus em ácido naturalmente circulado. O ácido a granel está a 50 graus e a superfície da bainha a 75-80 graus. Portanto a concentração crítica é de cerca de 40%. Se a concentração de ácido a granel estiver acima de 40% a esta temperatura, a corrosão ativa começará dentro de alguns dias. Uma vez iniciada a corrosão ativa, a taxa de corrosão é geralmente de 5 a 15 mm/ano, portanto, uma bainha de 1,6 mm perfurará em 1 a 4 meses. Abaixo da concentração crítica, à mesma temperatura de superfície, a taxa de corrosão é inferior a 0,2 mm/ano, permitindo uma vida útil de 5 a 8 anos. É uma mudança repentina, não gradual. Uma mudança de 2-3% na concentração ou 5 graus na temperatura pode implicar a diferença entre anos de operação e uma falha catastrófica em semanas.

Bainha 316 de 1,6 mm em ácido sulfúrico - Envelope de operação segura
A tabela a seguir descreve o envelope operacional seguro para uma bainha de aço inoxidável 316 de 1,6 mm com uma densidade de watts de 15 W/cm2 . Os valores representam combinações de concentração de ácido em massa e temperatura para as quais a temperatura da superfície da bainha está abaixo da temperatura de transição passiva-para-ativa.

Temperatura máxima segura a granel para bainha de 1,6 mm a 15 W/cm2 Concentração a granel de ácido sulfúrico Temperatura da superfície da bainha em volume máximo seguro Taxa de corrosão estimada Vida estimada em 1,6 mm 0 - 10% 95 graus 120 - 125 graus 0,08 - 0,15 mm/ano 8 - 12 anos 10 - 20% 90 graus 115 - 120 grau 0,10 - 0,20 mm/ano 6 - 10 anos 20 - 30% 80 graus 105 - 110 graus 0,15 - 0,30 mm/ano 4 - 8 anos 30 - 35% 65 graus 90 - 95 graus 0,20 - 0,40 mm/ano 3 - 5 anos 50 graus 75 - 80 graus 0,30 – 0,60 mm/ano 2 – 4 anos 40 – 45%Inseguro em qualquer temperatura Mais de 65 graus Corrosão ativa > 5 mm/ano Semanas a meses
45 – 60% Não é seguro em qualquer temperatura Qualquer Corrosão ativa > 10 mm/ano Dias a semanas
60 – 70% 50 graus 75 – 80 graus 0,50 – 1,00 mm/ano 1 – 2 anos (transitório)80 graus 105 – 110 graus 0,20 – 0,40 mm/ano 3 – 5 anos (re-passivado)
80 – 93% 100 graus 125 – 130 graus 0,10 – 0,20 mm/ano 6 – 10 anos
Mais de 93% 120 graus 145 – 150 graus 0,05 – 0,10 mm/ano 10 – 15 anos
Para concentrações de ácido a granel de 40 a 60%, nenhuma combinação de temperatura a granel e densidade de watts proporcionará um revestimento 316 seguro de 1,6 mm para serviço contínuo. O filme passivo é instável em qualquer temperatura superior a 30 graus, e a alta temperatura na superfície da bainha causada pelo fluxo de calor garante corrosão ativa. Nessa faixa de concentração, os engenheiros precisam especificar uma liga mais resistente à corrosão, como a liga 20 (Carpenter 20) ou a liga 825, ou empregar uma tecnologia de aquecimento não{10}}metálica, como um aquecedor de imersão de grafite ou carboneto de silício. Por exemplo, ácido sulfúrico a 38% a uma temperatura aparente de 55 graus, na borda do envelope seguro, uma ligeira perturbação no processo pode empurrar a bainha para a região ativa. Os engenheiros devem aplicar uma margem de segurança de pelo menos 5 graus abaixo da temperatura máxima segura conforme especificado na tabela.

Modificações de projeto para expandir o envelope operacional seguro
Quando as condições do processo se aproximam dos limites críticos para uma bainha 316 de 1,6 mm, três ajustes de projeto podem expandir o ambiente operacional seguro sem alterar o material da bainha. A primeira é minimizar a densidade de watts. Se trabalharmos com 8 W/cm² em vez de 15 W/cm², a temperatura da superfície da bainha cai cerca de 15–20 graus. Um aquecedor é perigoso a 15 W/cm 2 em ácido sulfúrico a 38% a 60 graus (temperatura de superfície 85–90 graus) e seguro a 8 W/cm 2 (temperatura de superfície 70–75 graus). A desvantagem é maior comprimento ou diâmetro do aquecedor. Um segundo ajuste é aumentar o fluxo de ácido através da superfície da bainha. A circulação forçada por uma bomba ou agitador aumenta o coeficiente de transferência de calor de 200 – 500 W/m 2 K em convecção natural para 1.000 – 2.000 W/m 2 K em fluxo turbulento, reduzindo o aumento da temperatura da superfície em 40 – 60%. Assim, um aquecedor que produz um aumento de 30°C no ácido estagnado pode produzir apenas um aumento de 12°C no ácido bem{33}}circulado e manter a superfície da bainha abaixo do nível crítico. A terceira mudança é a adição de um agente oxidante ao ácido. A transição dos estados passivo para ativo pode ser deslocada para temperaturas e concentrações mais altas, mantendo o potencial oxidante da solução por uma pequena concentração (0,1-0,5%) de ácido nítrico ou peróxido de hidrogênio. Mas isto nem sempre é viável devido a restrições do processo. Em instalações críticas onde uma falha imprevista do aquecedor pode causar perdas consideráveis ​​de produção, os engenheiros devem instalar uma sonda de monitoramento de corrosão – um pequeno cupom 316 conectado eletronicamente ao revestimento do aquecedor. Um aumento repentino na corrente galvânica entre a sonda e um eletrodo de referência indica a quebra precoce do filme passivo e permite ao operador reduzir a potência ou alterar o conteúdo de ácido para evitar danos à bainha. Ao especificar aquecedores para serviço com ácido sulfúrico, sempre mencione ao fornecedor a concentração aparente e a faixa de temperatura aparente esperada e solicite uma temperatura calculada da superfície da bainha para a densidade de watts e espessura de parede sugeridas. Se o fabricante não puder fazer esse cálculo, não confie nele a aplicação. A diferença entre a operação segura e a falha catastrófica no ácido sulfúrico é às vezes inferior a 10 graus de temperatura da superfície da bainha e uma análise térmica precisa é importante para uma especificação confiável do aquecedor.