Efekt zanieczyszczeń utleniających
Kwas siarkowy w zastosowaniach przemysłowych rzadko jest czysty. Zawiera rozpuszczone jony metali powstałe w wyniku korozji urządzeń poprzedzających, z samego procesu chemicznego lub z surowców. Żelazo żelazowe (Fe³⁺) i miedź miedziowa (Cu²⁺) to najczęstsze zanieczyszczenia metaliczne. Ich stężenie w kwasie waha się w zależności od procesu od 10 ppm do kilku tysięcy ppm.
Te rozpuszczone metale nie są obojętnymi widzami. Są aktywne elektrochemicznie. Jony żelaza i miedzi są utleniaczami-mogą przyjmować elektrony i ulegać redukcji do stanu żelazawego (Fe²⁺) i miedziowego (Cu⁺). Ta siła utleniająca wpływa na zachowanie korozyjne metali w kwasie.
Cyrkon 702 opiera się na stabilnej warstwie pasywnej ZrO₂ zapewniającej odporność na korozję w kwasie siarkowym. Zanieczyszczenia utleniające wpływają na stabilność tej warstwy-czasami korzystnie, czasem destrukcyjnie, w zależności od stężenia i temperatury.
PTFE nie posiada folii pasywnej. Jego odporność na korozję jest niezależna od utleniającego lub redukującego charakteru środowiska. Obecność lub brak zanieczyszczeń metalicznych w kwasie nie ma wpływu na obojętność chemiczną PTFE. Porównanie cyrkonu i PTFE w tym środowisku dotyczy materiału, którego odporność na korozję zależy od składu chemicznego zanieczyszczeń, i materiału, który jest na niego obojętny.
Podwójny wpływ zanieczyszczeń utleniających na cyrkon
Utleniające jony metali w kwasie siarkowym wpływają na korozję cyrkonu na dwa przeciwstawne sposoby, w zależności od ich stężenia.
Przy niskich stężeniach (10-100 ppm) korzystne są jony żelaza i miedzi. Podnoszą potencjał korozyjny cyrkonu do domeny pasywnej, wzmacniając warstwę ZrO₂. Cyrkon w kwasie siarkowym ze śladami jonów żelaza jest bardziej{{5}odporny na korozję niż cyrkon w czystym kwasie. Ten korzystny efekt jest dobrze znany i czasami jest celowo stosowany – dodanie siarczanu żelaza do kwasu siarkowego w celu ochrony sprzętu cyrkonowego.
Przy wysokich stężeniach (powyżej około 500-1000 ppm, w zależności od temperatury i stężenia kwasu) te same jony utleniające stają się szkodliwe. Podwyższony potencjał korozyjny powoduje, że cyrkon znajduje się w obszarze transpasywnym, gdzie warstwa ZrO₂ staje się niestabilna i rozpuszcza się. Rezultatem jest przyspieszona, często miejscowa korozja. Stężenie progowe dla tego przejścia zależy od temperatury - w wyższych temperaturach próg jest niższy.
| Parametr korozji | Cyrkon 702 | PTFE |
|---|---|---|
| Mechanizm zabezpieczający przed korozją | Folia pasywna ZrO₂ | Wrodzona stabilność wiązania C-F |
| Wpływ Fe³⁺ przy 10-100 ppm | Korzystny (wzmacnia warstwę pasywną) | Brak efektu |
| Wpływ Fe³⁺ przy 500-5000 ppm | Szkodliwe (rozpuszczanie transpasywne) | Brak efektu |
| Wpływ Cu²⁺ | Podobny do Fe³⁺; próg jest zróżnicowany | Brak efektu |
| Wymóg monitorowania stężenia zanieczyszczeń | Krytyczny (musi pozostać w zasięgu pasywnym) | Nic |
| Konsekwencje wypadnięcia zanieczyszczeń | Szybka miejscowa korozja | Bez konsekwencji |
Scenariusz wycieczki po nieczystości
W procesach chemicznych występują wycieczki zanieczyszczeń. Korodujący wirnik pompy znajdujący się przed nią uwalnia kulę żelaza. Zmiana jakości surowca powoduje wprowadzenie podwyższonej zawartości miedzi. Wymiennik ciepła, zaprojektowany dla normalnego zakresu zanieczyszczeń, jest narażony na stężenia znacznie wykraczające poza ten zakres.
Cyrkon działający w „bezpiecznym” reżimie niskiej-zanieczyszczeń może zostać wepchnięty w korozję transpasywną w wyniku wysunięcia się żelaza żelazowego. Uszkodzenia korozyjne pojawiają się podczas wychylenia i mogą trwać dalej, gdy poziom zanieczyszczeń powróci do normy, jeśli rozpoczął się miejscowy atak. Odchylenie może pozostać niewykryte-nie ma widocznej zmiany koloru kwasu, a monitorowanie korozji jest często raczej okresowe niż ciągłe.
Wychylenie nie ma wpływu na PTFE przy żadnym stężeniu zanieczyszczeń. Szybkość korozji materiału pozostaje zerowa, niezależnie od składu chemicznego zanieczyszczeń. Ta obojętność zapewnia margines bezpieczeństwa, który jest cenny w procesach, w których poziom zanieczyszczeń jest zmienny, słabo monitorowany lub podlega sporadycznym wahaniom.
Obciążenia związane z monitorowaniem i kontrolą
Cyrkon w kwasie siarkowym wymaga monitorowania stężenia zanieczyszczeń utleniających, aby upewnić się, że utrzymuje się ono w bezpiecznym zakresie. Monitorowanie to pochłania zasoby laboratorium i tworzy punkt kontroli procesu, którym należy zarządzać. Jeśli stężenie zanieczyszczeń zmierza w stronę progu transpasywnego, należy podjąć działania naprawcze-rozcieńczenie, dostosowanie chemiczne lub modyfikację procesu-.
PTFE eliminuje to obciążenie związane z monitorowaniem i kontrolą. Do celów kontroli korozji nie jest wymagana analiza zanieczyszczeń. Wymiennik ciepła działa bezpiecznie przy każdym stężeniu zanieczyszczeń od zera do nasycenia. Zasoby laboratorium i inżynierii procesowej przeznaczone do zarządzania zanieczyszczeniami można przekierować.
Streszczenie
Wymienniki ciepła PTFE są obojętne na utleniające zanieczyszczenia metaliczne w kwasie siarkowym, podczas gdy cyrkon 702 przechodzi od ochrony pasywnej do przyspieszonej korozji transpasywnej, gdy stężenie zanieczyszczeń wzrasta powyżej wartości progowej. PTFE eliminuje potrzebę monitorowania i kontroli zanieczyszczeń oraz zapewnia odporność na skoki zanieczyszczeń, które mogłyby uszkodzić sprzęt cyrkonowy. W procesach, w których czystość kwasu siarkowego jest zmienna lub słabo kontrolowana, PTFE jest materiałem o niższym-ryzyku.
Wsparcie inżynieryjne w zakresie doboru materiałów do stosowania zanieczyszczonego kwasu siarkowego jest dostępne po przedstawieniu stężenia kwasu, rodzaju zanieczyszczeń i zakresów stężeń, temperatury roboczej i bieżących danych z monitorowania korozji.
