Ao usar um tubo de aquecimento elétrico de titânio para ferver ácido clorídrico a 20%, como o nível de oxigênio dissolvido do ácido altera a temperatura crítica de corrosão?

A maioria dos metais é bastante agressiva ao ferver 20% de HCl a uma temperatura de cerca de 105 graus. O titânio normalmente não é recomendado para uso de HCl devido à rápida corrosão ativa. No entanto, outras aplicações requerem exposição curta ou regulamentada, como linhas de decapagem de peças de titânio ou procedimentos químicos específicos. Sob estas condições restritas, a concentração de oxigênio dissolvido no ácido torna-se o principal critério para estabelecer se o titânio pode resistir mesmo a serviços de curto prazo. O oxigênio funciona como um despolarizador catódico e transfere o potencial da superfície do titânio para a área passiva. A temperatura crítica de corrosão (CPT)-a temperatura acima da qual a corrosão estável se inicia-aumenta consideravelmente com a concentração de oxigênio dissolvido. O titânio é atacado à temperatura ambiente em HCl desaerado a 20%. Em 20% de HCl a 1 atm de pressão parcial de oxigênio, o CPT sobe para cerca de 80 graus, ainda abaixo da ebulição, mas alto o suficiente para alguns serviços limitados em baixa temperatura.

Mecanismo de passivação-dependente de oxigênio em ácido clorídrico

O titânio requer uma atmosfera oxidante para manter seu filme passivo de TiO2. O ácido clorídrico é um agente redutor e os íons cloreto atacam vigorosamente qualquer falha de óxido. O oxigênio em solução no ácido fornece o potencial oxidante necessário para a restauração do filme. A redução do oxigênio está ocorrendo na superfície do titânio: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O. Esta reação catódica aumenta o potencial da superfície e, portanto, inibe a dissolução do titânio. Se a concentração do oxigénio dissolvido for reduzida para um valor crítico, então a corrente catódica devido à redução do oxigénio não pode compensar a corrente anódica devido à dissolução do titânio. O potencial de superfície cai para a região ativa e a corrosão uniforme ou pite é iniciada. A temperatura crítica de corrosão é a temperatura na qual a taxa de desintegração passiva do filme é maior que a taxa de repassivação assistida por oxigênio a uma determinada concentração de oxigênio.

Mudança quantitativa da temperatura crítica de corrosão com oxigênio dissolvido

Os valores CPT para titânio Grau 2 em 20% de HCl à pressão atmosférica são fornecidos abaixo a partir de testes controlados:

Oxigênio dissolvido < 0,5 ppm (desaerado, N2-purgado) CPT < 25 graus . Titânio à temperatura ambiente - corrosão agressiva. Taxa de corrosão 2-5 mm/ano. Não recomendado para nenhum serviço quente.

Oxigênio dissolvido a 2–5 ppm (ar-saturado a 1 atm, vaso aberto típico): CPT 45–50 graus . Comportamento passivo abaixo de 45 graus, taxa de corrosão<0.1 mm/year. Pitting starts within hours at temperatures above 50 °C. Attack is quick and devastating at boiling (105°C).

CPT de 60-65 graus). Oxigênio dissolvido a 10-15 ppm (aspergido com oxigênio a 1 atm). ACEITÁVEL A 60 graus, MAS NÃO À TEMPERATURA DE EBULIÇÃO. Profundidade de corrosão 0,5 mm após 100 horas a 65 graus.

Oxigênio dissolvido 30-40 ppm (oxigênio 3 atm de pressão parcial, sistema pressurizado). CPT 75-80 graus. A 75 graus a superfície permanece passiva. 20% HCl a 105oC (1 atm) Ainda abaixo da ebulição

Dissolved oxygen >50 ppm (oxigênio puro abaixo de 5 atm, equipamento específico): CPT 85-90 graus. Não atinge a temperatura de ebulição à pressão atmosférica, mas aproxima-se dela. Requer um sistema pressurizado para manter o OD.

Implicações práticas para serviço em fervura de ácido clorídrico a 20%

A temperatura aparente de 20% de HCl fervendo à pressão atmosférica é de 105 graus. Qualquer quantidade de oxigênio dissolvido a uma pressão parcial de 1 atm não pode elevar o CPT a 105 graus . 65 grau é o CPT mais alto possível com oxigênio-ácido saturado a 1 atm. Portanto, independentemente da pulverização de oxigênio, o uso de titânio de grau 2 para ferver HCl a 20% é basicamente inadequado. Pressões de pressão parcial de oxigênio superiores a 1 atm exigiriam um recipiente pressurizado que contradiz o estado de ebulição. 1. Ebulição de 20% de HCl: Tântalo, zircônio ou alguns ferros fundidos com alto teor de silício.

Controle de oxigênio dissolvido para serviço de HCl em baixa temperatura

O titânio grau 2 com controle de oxigênio é indicado na tabela a seguir para serviço de HCl abaixo do CPT.

Concentração de HCl e temperatura operacional Oxigênio dissolvido mínimo necessárioConcentração máxima permitida de cloretoEstratégia operacional recomendada
3 ppm (saturação de ar) 40 graus 10% HCl20% Recipiente aberto padrão. Não é necessária nenhuma pulverização específica de oxigênio.
8 ppm (aspersão de ar contínua) 20% 15% HCl 50 graus Coloque o aspersor de ar próximo ao aquecedor. Verificações semanais de DO
20% HCl a 60 graus 15 ppm (requer borrifação com oxigênio) 20% Use borrifação de oxigênio puro. Pressurize o recipiente a 2 atm para manutenção de OD. Recomendado: titânio Grau 7.
20% HCl, 70 graus C. Não viável a 1 atm 20% Grau 2 inapropriado. Use 3 atm de aspersão de oxigênio no Grau 7.
Chlorides >25% Any concentration at >25°CNo benefit >25% Titânio Não recomendado, independentemente do oxigênio.
Alternativas para a fervura de engenharia de serviço de HCl

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 graus em 20% HCl. O zircônio é muito resistente à ebulição do HCl em todas as concentrações. Se o titânio for necessário por razões financeiras, execute a operação abaixo de 50 graus com pulverização contínua de oxigênio e aceite uma vida útil restrita do aquecedor de 6 a 12 meses. O titânio grau 7 (estabilizado com paládio) proporciona um aumento de 10-15 graus no CPT em relação ao grau 2 sob as mesmas circunstâncias de oxigênio e estende a faixa de temperatura utilizável para cerca de 75 graus com pulverização de oxigênio.

Fazendo uma especificação informada<

Se você está considerando um tubo de aquecimento elétrico de titânio para qualquer serviço de ácido clorídrico, a primeira coisa a fazer é determinar ou definir o nível de oxigênio dissolvido do ácido. Observe que é improvável que o titânio forneça uma vida útil satisfatória para aplicações acima de 60 graus, a menos que o sistema seja pressionado para aumentar a solubilidade do oxigênio. 20% HCl, pressão ambiente, ebulição Não especifique titânio. Em vez disso, solicite orçamentos para aquecedores revestidos de tântalo ou zircônio. Se o processo envolver apenas fervura intermitente (por exemplo, ciclos de limpeza), considere um aquecedor removível que possa ser retirado do ácido durante os períodos de fervura. O engenheiro, ao ter a relação básica entre o oxigênio dissolvido e a temperatura crítica de corrosão, evita a armadilha usual de pensar que a resistência geral à corrosão do titânio se aplica ao ácido clorídrico concentrado e quente.