Hapettava kloridiympäristö
Kuuma kloorivetyhappo, joka sisältää liuennutta rautakloridia, on yksi aggressiivisimmista ympäristöistä kemian prosessiteollisuudessa. Pelkistävän hapon (HCl), voimakkaan hapettimen (Fe³⁺) ja korkean kloridipitoisuuden yhdistelmä luo olosuhteet, jotka hyökkäävät useimpiin metalleihin useiden samanaikaisten mekanismien kautta.
Hastelloy B-3 on nikkeli-molybdeeniseos, joka on kehitetty erityisesti kestämään puhdasta suolahappoa kaikissa pitoisuuksissa ja lämpötiloissa aina kiehumispisteeseen asti. Sen korkea molybdeenipitoisuus (noin 28 %) tarjoaa poikkeuksellisen kestävyyden pelkistäviä happoja vastaan. Seos on valittu materiaali moniin HCl-käsittelysovelluksiin.
Hastelloy B-3:lla on kuitenkin kriittinen haavoittuvuus: se ei siedä hapettavia epäpuhtauksia. Rautakloridin (FeCl3) läsnäolo HCl:ssä, jopa niinkin alhaisina pitoisuuksina kuin 50-100 ppm, voi dramaattisesti kiihdyttää korroosiota. Rauta-ioni siirtää korroosiopotentiaalin alueelle, jossa lejeeringin päällä oleva suojaava passiivinen kalvo on epävakaa.
PTFE on immuuni HCl:lle, FeCl3:lle ja niiden yhdistelmälle. Ei ole korroosiopotentiaalia siirtymään, ei passiivista kalvoa, joka horjuttaisi vakautta. Hastelloy B-3:n ja PTFE:n vertailu tässä ympäristössä osoittaa metallisen korroosiosuojan perustavanlaatuisen rajoituksen.
Hastelloy B-3:n hapetin{0}}indusoitu korroosiomekanismi
Hastelloy B-3 vastustaa puhdasta HCl:ää muodostamalla passiivisen kalvon, jossa on runsaasti molybdeenioksidia. Pelkistävissä olosuhteissa -HCl ilman liuennutta happea tai hapettavia metalli-ioneja - tämä kalvo on stabiili. Seos syövyttää alle 0,025 mm/vuosi kiehuvassa 20 % HCl:ssä.
Kun läsnä on hapettavaa ainetta, kuten rautakloridia, korroosiopotentiaali siirtyy 200-400 mV jalosuuntaan. Tällä kohonneella potentiaalilla runsaasti molybdeenia sisältävä passiivinen kalvo muuttuu termodynaamisesti epästabiiliksi. Se liukenee. Taustalla oleva metalliseos, joka on nyt depassivoitu, syövyttää aktiivisesti. Korroosionopeus voi kasvaa kertoimella 10-100.
Rautakloridi itse osallistuu korroosioreaktioon. Rauta-ioni pelkistyy rautaioneiksi metallipinnalla: Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺. Metalli syöttää elektronin liuottamalla: Ni → Ni²⁺ + 2e⁻. Nettoreaktio on lejeeringin hapettava liukeneminen, jota katalysoi ferri/ferro-pelkistyssykli.
| Korroosioparametri | Hastelloy B-3 | PTFE |
|---|---|---|
| Korroosiosuojamekanismi | Monipuolinen passiivinen elokuva | Luontainen C-F-sidoksen vakaus |
| Korroosionopeus 20 % HCl:ssä 80 asteessa, 0 ppm Fe³⁺ (mm/vuosi) | <0.025 | 0 |
| Korroosionopeus 20 % HCl:ssa 80 asteessa, 100 ppm Fe³⁺ (mm/vuosi) | 0.1-0.5 | 0 |
| Korroosionopeus 20 % HCl:ssä 80 asteessa, 500 ppm Fe³⁺ (mm/vuosi) | 0.5-2.0 | 0 |
| Korroosionopeus 20 % HCl:ssa 80 asteessa, 2000 ppm Fe³⁺ (mm/vuosi) | 2,0-10,0 (nopea) | 0 |
| Hapettimen pitoisuuden seurantavaatimus | Kriittinen | Ei mitään |
| Hapettimen liikkeen seuraus | Nopea, mahdollisesti katastrofaalinen korroosio | Ei seurauksia |
Retken skenaario
Rautakloridi voi päästä HCl:ään useilla reiteillä. Syövyttävien teräslaitteiden rautakontaminaatio liukenee happoon ja hapettuu ferri-tilaan. Rauta-pitoiset raaka-aineet sisältävät rautaa, joka liukenee ja hapettuu. Joissakin prosesseissa rautakloridi on reaktiotuote tai sitä lisätään tarkoituksella.
Hastelloy B-3 -lämmönvaihdin, joka toimii tyydyttävästi "puhtaassa" HCl:ssä, voi kokea nopeaa korroosiota, jos raudan kontaminaatiotapahtuma nostaa rauta-ionipitoisuuden kynnyksen yläpuolelle. Korroosio voi alkaa hitsausalueilla, joissa mikrorakenne eroaa perusmetallista, tai tiivisteiden tai kerrostumien alla olevista rakoista.
Yhden hapettimen liikkeen aiheuttamat vauriot voivat vaatia lämmönvaihtimen vaihtamista. Retki voi olla lyhyt ja huomaamaton-hapon väri ei välttämättä muutu näkyvästi alhaisilla rautapitoisuuksilla. Ensimmäinen merkki ongelmasta voi olla vuoto.
Valvonta- ja valvontavaatimus
Hastelloy B-3 HCl-palvelussa vaatii jatkuvaa tai toistuvaa hapettimen pitoisuuden seurantaa. Redox-potentiaalin mittaus antaa reaaliaikaisen-osoituksen liuoksen hapettavasta luonteesta. Kasvava redox-potentiaali merkitsee hapettimen pitoisuuden kasvua ja korroosiokynnyksen lähestymistä. Kun redox-potentiaali ylittää asetusarvon, on suoritettava korjaavat toimenpiteet-kemiallisen lisäyksen vähentämiseksi hapettimen tai prosessin säätöön.
Tämä valvonta- ja ohjausinfrastruktuuri lisää kustannuksia ja monimutkaista prosessia. Se tuo myös prosessin riskipisteen: jos valvonta epäonnistuu tai korjaava toimenpide viivästyy, lämmönvaihdin on vaarassa.
PTFE eliminoi tämän infrastruktuurin ja riskin. Hapettimen valvontaa ei vaadita korroosion torjuntaan. Lämmönvaihdin toimii turvallisesti kaikilla rautakloridipitoisuuksilla nollasta kyllästykseen.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet kestävät ehdoitta kuumaa HCl:ää, joka sisältää liuennutta rautakloridia kaikilla hapetusainepitoisuuksilla, kun taas Hastelloy B-3-puhtaan HCl--seos kärsii kiihtyvästä korroosiosta, kun rauta-ionipitoisuus ylittää 50-100 ppm. Hapetin destabiloi molybdeenipitoisen passiivikalvon ja lisää korroosionopeutta 10-100x. PTFE eliminoi hapettimen valvonnan tarpeen ja katastrofaalisen korroosion riskin hapettimen liikkeestä. HCl-palveluissa, joissa on rautakontaminaatiota tai tarkoituksellista rautakloridin lisäystä, PTFE on alhaisemman riskin materiaalivalinta.
Tekninen tuki PTFE-lämmönvaihtimen spesifikaatioille HCl{0}}FeCl₃ -palvelussa on saatavilla, kun happopitoisuus, rauta-ionipitoisuus (normaali ja ekskursio), käyttölämpötila ja nykyinen laitteiden korroosiohistoria on toimitettu.
