Cuando se utiliza un tubo calefactor eléctrico de titanio para hervir ácido clorhídrico al 20 %, ¿cómo cambia el nivel de oxígeno disuelto del ácido la temperatura crítica de picadura?

La mayoría de los metales son bastante agresivos al hervir HCl al 20% a una temperatura de aproximadamente 105 grados. Normalmente no se recomienda el titanio para el uso de HCl debido a la rápida corrosión activa. Sin embargo, otras aplicaciones requieren una exposición corta o regulada, como líneas de decapado de piezas de titanio o procedimientos químicos específicos. En estas condiciones restringidas, la concentración de oxígeno disuelto en el ácido se convierte en el criterio principal para establecer si el titanio puede resistir incluso un servicio a corto plazo. El oxígeno actúa como despolarizador catódico y desplaza el potencial de la superficie del titanio al área pasiva. La temperatura crítica de picadura (CPT)-la temperatura por encima de la cual se inicia la picadura estable-aumenta considerablemente con la concentración de oxígeno disuelto. El titanio se ataca a temperatura ambiente en HCl al 20% desaireado. En HCl al 20% a una presión parcial de oxígeno de 1 atm, el CPT sube a aproximadamente 80 grados, todavía por debajo del punto de ebullición, pero lo suficientemente alto para un servicio limitado a baja temperatura.

Mecanismo de pasivación dependiente del oxígeno-en ácido clorhídrico

El titanio requiere una atmósfera oxidante para mantener su película pasiva de TiO2. El ácido clorhídrico es un agente reductor y los iones de cloruro atacan vigorosamente cualquier defecto de óxido. El oxígeno en solución en el ácido proporciona el potencial oxidante necesario para la restauración de la película. La reducción de oxígeno se produce en la superficie del titanio: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O. Esta reacción catódica aumenta el potencial de la superficie y, por lo tanto, inhibe la disolución del titanio. Si la concentración de oxígeno disuelto se reduce a un valor crítico, entonces la corriente catódica debida a la reducción de oxígeno no puede compensar la corriente anódica debida a la disolución del titanio. El potencial superficial cae en la región activa y se inicia una corrosión uniforme o picaduras. La temperatura crítica de picadura es la temperatura a la cual la tasa de desintegración pasiva de la película es mayor que la tasa de repasivación asistida por oxígeno a una concentración de oxígeno determinada.

Cambio cuantitativo de la temperatura crítica de picaduras con oxígeno disuelto

Los valores de CPT para titanio de grado 2 en HCl al 20 % a presión atmosférica se proporcionan a continuación a partir de pruebas controladas:

Oxígeno disuelto < 0,5 ppm (desaireado, N2-purgado) CPT < 25 grados. Titanio a temperatura ambiente: corrosión agresiva. Tasa de corrosión 2-5 mm/año. No recomendado para ningún servicio caliente.

Oxígeno disuelto a 2–5 ppm (aire-saturado a 1 atm, recipiente abierto típico): CPT 45–50 grados. Comportamiento pasivo por debajo de 45 grados, tasa de corrosión.<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 grados). Oxígeno disuelto a 10-15 ppm (rociado de oxígeno a 1 atm). ACEPTABLE A 60 grados PERO NO A TEMPERATURA DE EBULLICIÓN. Profundidad de las picaduras 0,5 mm después de 100 horas a 65 grados.

Oxígeno disuelto 30-40 ppm (oxígeno 3 atm de presión parcial, sistema presurizado). CPT 75-80 grados. A 75 grados, la superficie permanece pasiva. 20% HCl a 105oC (1 atm) Aún por debajo del punto de ebullición

Dissolved oxygen >50 ppm (oxígeno puro a menos de 5 atm, equipo específico): CPT 85-90 grados. No alcanza la temperatura de ebullición a presión atmosférica pero se acerca a ella. Requiere un sistema presurizado para mantener el OD.

Implicaciones prácticas para el servicio en ebullición de ácido clorhídrico al 20%.

La temperatura total del HCl al 20% que hierve a presión atmosférica es de 105 grados. Cualquier cantidad de oxígeno disuelto a una presión parcial de 1 atm no puede elevar el CPT a 105 grados . 65 grados es el CPT más alto posible con ácido saturado de oxígeno - a 1 atm. Por lo tanto, independientemente del rociado de oxígeno, el uso de titanio de grado 2 para hervir HCl al 20% es básicamente inapropiado. Las presiones de presión parcial de oxígeno superiores a 1 atm requerirían un recipiente a presión que contradiga el estado de ebullición.. 1. HCl al 20 % en ebullición: tantalio, circonio o algunas fundiciones con alto contenido de silicio.

Control de oxígeno disuelto para servicio de HCl a baja temperatura

El titanio de grado 2 con control de oxígeno se indica en la siguiente tabla para servicio de HCl por debajo del CPT.

Concentración de HCl y temperatura de funcionamiento Oxígeno disuelto mínimo requerido Concentración máxima de cloruro permitida Estrategia operativa recomendada
3 ppm (saturación de aire) 40 grados 10% HCl20% Recipiente abierto estándar. No se requiere rociado de oxígeno específico.
8 ppm (rociado continuo de aire) 20% 15% HCl 50 grados Coloque el rociador de aire cerca del calentador. Comprobaciones semanales de DO
20 % HCl a 60 grados 15 ppm (requiere rociado con oxígeno) 20 % Utilice rociado de oxígeno puro. Presurice el recipiente a 2 atm para el mantenimiento de OD Recomendado: titanio Grado 7.
20 % HCl, 70 grados C. No es factible a 1 atm. 20 % Grado 2 inapropiado. Utilice 3 atm de rociado de oxígeno en Grado 7.
Chlorides >25% Any concentration at >25°CNo benefit >25% Titanio No recomendado independientemente del oxígeno.
Alternativas a la ebullición de ingeniería de servicios 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 grados en HCl al 20%. El circonio es muy resistente al HCl hirviendo en todas las concentraciones. Si se requiere titanio por razones financieras, realice la operación a menos de 50 grados con rociado continuo de oxígeno y acepte una vida útil restringida del calentador de 6 a 12 meses. El titanio de grado 7 (estabilizado con paladio) proporciona un aumento de 10 a 15 grados en el CPT en relación con el grado 2 en las mismas circunstancias de oxígeno y extiende el rango de temperatura utilizable a aproximadamente 75 grados con rociado de oxígeno.

Hacer una especificación informada<

Si está considerando un tubo calentador eléctrico de titanio para cualquier servicio de ácido clorhídrico, lo primero que debe hacer es determinar o definir el nivel de oxígeno disuelto del ácido. Tenga en cuenta que es poco probable que el titanio proporcione una vida útil satisfactoria para aplicaciones a más de 60 grados a menos que se presione el sistema para aumentar la solubilidad del oxígeno . 20 % de HCl, presión ambiental, punto de ebullición. No especifique el titanio. En su lugar, solicite cotizaciones sobre calentadores con revestimiento de tantalio o circonio. Si el proceso sólo implica ebullición intermitente (por ejemplo, ciclos de limpieza), considere un calentador extraíble que pueda retirarse del ácido durante los períodos de ebullición. El ingeniero, al conocer la relación básica entre el oxígeno disuelto y la temperatura crítica de picadura, evita el error habitual de pensar que la resistencia general a la corrosión del titanio se aplica al ácido clorhídrico concentrado y caliente.