Kāpēc titāna sildītājs nav piemērots fosforskābes sildīšanai temperatūrā virs 120 grādiem, neskatoties uz tā lielisko veiktspēju 80 grādu temperatūrā?
Atstāj ziņu
Procesu inženierim, kurš nosaka titāna iegremdējamo sildītāju fosforskābes izmantošanai, piemēram, mēslošanas līdzekļu ražošanā, metāla apstrādē vai pārtikas pārstrādē, 2. pakāpes titāna veiktspēja būtiski mainās no 80 līdz 120 grādiem. Titānam piemīt izcila izturība pret koroziju fosforskābē pie 80 grādiem līdz 30–40% koncentrācijai un korozijas ātrums mazāks par 0,05 mm/gadā. Bet atšķaidītā fosforskābē (10-20%) pat pie 120 grādiem korozijas ātrums palielinās līdz 0,5-2,0 mm/gadā, kas ir 10-40 reizes lielāks. Šis straujais paātrinājums ir saistīts ar faktu, ka aizsargājošais TiO2 pasīvais pārklājums paaugstinātā temperatūrā kļūst šķīstošs fosforskābē, īpaši fluora piemaisījumu klātbūtnē vai reducējošos apstākļos. Zināšanas par šo temperatūras ierobežojumu ļauj inženierim izvēlēties alternatīvus materiālus (tantalu, cirkoniju vai dzelzi ar augstu silīcija saturu) fosforskābes lietošanai augstā temperatūrā.
Titāna korozijas mehānisms karstā fosforskābē
Fosforskābe (H3PO4) ir viegla, ne-oksidējoša skābe. Atšķirībā no sērskābes vai sālsskābes, tas nerada ievērojamu katoda reakciju, lai uzturētu titāna pasīvo plēvi. Temperatūrā, kas zemāka par 80 grādiem, TiO 2 šķīdība fosforskābē ir zema, tāpēc pasīvā plēve ir stabila. Virs 100 grādiem šķīdība strauji palielinās. Reakcija TiO₂ + 4H⁺ + 4H3PO4 → Ti(HPO4)₂·2H₂O + 2H₂O notiek ar pieaugošu ātrumu. Titāna fosfāta korozijas produkts nav-aizsargājošs un parasti izgulsnējas kā nogulsnes, pakļaujot svaigu metālu nepārtrauktam uzbrukumam. Turklāt komerciālā fosforskābe satur fluorīda piemaisījumus (no fosfāta iežiem) vai sulfātu piemaisījumus (no slapjās ražošanas procesā), kas vēl vairāk palielina titāna korozijas ātrumu, veidojot titāna jonu kompleksu un bloķējot repasivāciju.
No temperatūras atkarīga titāna korozijas ātrums fosforskābē – kvantitatīva noteikšana
Fosforskābes koncentrācijas temperatūra ( grāds ) 2. pakāpes korozijas ātrums titāns (mm/gadā) Piemērotība ieteicamā alternatīva
10% 80 0.02–0,05 Teicami Nav nepieciešams
10% 100 0.10-0.20 Neliels monitors cieši 10% 120 0.50-1.00 Slikts tantals vai cirkonijs
30% 80 0.03-0.08 Teicami Nav nepieciešams
30% 100 0.15 - 0.30 Nepiemērots 7. pakāpes jauninājums 30% 120 0.80 - 2.00 Nepiemērots tantals 50% 80 0.05 - 0.15 Pieņemams 7. klases ieteicamais 50% 100 0.30 - 0.80 Slikts tantals vai cirkonijs
50% 120 2.00–5,00 Nepiemērots tantals 85% (koncentrēts) 80 0.10–0,30 Nepieciešams 7. pakāpe 85% 100 1.00–3,00 Nepiemērots tantals vai grafīts
Scenārijs{0}}Rokasgrāmata fosforskābes sildītāju izvēlei
Pielietojums un lietošanas nosacījumi Titāna piemērotība Ieteicamais materiāla paredzamais kalpošanas laiks ar 2. pakāpi (ja tiek izmantots)
Fosforskābes uzglabāšana (apkārtējā, 25 grādi) Lielisks 2. pakāpes titāns 20+ gadi
Fosforskābe, atšķaidīta 10% (70 grādi) 2. pakāpes titāns Lieliski 15-20 gadi
Atšķaidīta fosforskābe (10 %, 100 grādi) 7. titāna robežšķirtne vai sieniņu biezums 1,5 mm 3-5 gadi 2. pakāpe ar ikgadēju pārbaudi
Atšķaidīta fosforskābe (10%, 120 grādi) Nepiemērots tantals vai cirkonijs < 1 gads (2. pakāpe)
Slapjā procesā fosforskābe (30%, 80 grādi, fluorīdi) Slikts cirkonijs vai grafīts < 2 gadi (2. pakāpe)
Fosforskābe (85%, 80 grādi) Koncentrēta marginālā 7. pakāpes titāns vai tantals 2–4 gadi (2. pakāpe)
Fosforskābe ar oksidējošiem piemaisījumiem (Fe3+, HNO3) Labi līdz 100 grādiem 2. pakāpes titāna oksidētāji stabilizē pasīvo plēvi, palielina diapazonu
Fosforskābe, kas satur reducējošus piemaisījumus (H2, sulfīdus) Nav piemērots virs 60 grādiem Cirkonijs vai tantals Uzbrukums paātrina zemākos apstākļos
Inženiertehniskie mazināšanas līdzekļi mērenas temperatūras fosforskābei (90-110 grādi)
Darba temperatūrai marginālajā reģionā (90–110 grādi) un gadījumos, kad sildītāja nomaiņa ar tantalu nav praktiska, ir daudz mazināšanas iespēju, kas var pagarināt 2. pakāpes titāna kalpošanas laiku. Labākais veids, kā to novērst, ir pievienot oksidantu fosforskābei (100–200 ppm Fe3+ vai 50 ppm ūdeņraža peroksīda). Oksidētāji iedzen korozijas potenciālu pasīvajā zonā un krasi samazina korozijas ātrumu-no 5 līdz 10 100 grādu leņķī. Otrs mazināšanas līdzeklis ir jauninājums uz 7. pakāpes titānu (Ti-0,15% Pd). Palādija iekļaušana maina korozijas potenciālu uz cēlākām vērtībām, un 7. pakāpi var izmantot 120 grādu temperatūrā 30% fosforskābē ar korozijas ātrumu, kas mazāks par 0,1 mm/gadā. Trešais mazināšanas līdzeklis ir fosforskābes satura samazināšana. Korozijas ātrums pie 100 grādiem samazinās par 50-70%, samazinot darba skābes koncentrāciju no 30% līdz 20%.
Secinājums Titāns nav piemērots fosforskābei pie 120 grādiem un augstāk
2. pakāpes titāns nav piemērots fosforskābes karsēšanai virs 120 grādiem pat zemās koncentrācijās (10-20%). Titāns korodēs ar ātrumu zem 0,08 mm gadā pie fosforskābes koncentrācijas līdz 50% 80 grādu temperatūrā. TiO2 šķīdība karstā fosforskābē palielinās eksponenciāli līdz ar temperatūru. Piemēram, identisks materiāls 120 grādos sarūsē ar ātrumu 0,5 līdz 2,0 mm/gadā, kas ir 10 līdz 40 reizes lielāks. Lietojumiem, kuros nepieciešama fosforskābes karsēšana virs 100 grādiem, 7. pakāpes titāns (leģēts ar palādiju) paplašina lietderīgo diapazonu līdz 110–120 grādiem. Tantala vai cirkonija sildītāji ir nepieciešami virs 120 grādiem. Fosforskābes apkalpošanai virs 80 grādiem piegādātājam ir jānodrošina konkrētā skābes koncentrācija, maksimālā temperatūra un fluora vai oksidējošu piesārņotāju klātbūtne, lai nodrošinātu pareizu materiāla izvēli un izvairītos no agrīnas atteices.
