Защо титанов нагревател е неподходящ за нагряване на фосфорна киселина при температури над 120 градуса, въпреки отличното му представяне при 80 градуса?

За инженер-технолог, който определя титанов потопяем нагревател за обслужване с фосфорна киселина, като например при производството на торове, обработката на метали или преработката на храни, производителността на титан от клас 2 се променя значително между 80 градуса и 120 градуса. Титанът показва изключителна устойчивост на корозия във фосфорна киселина при 80 градуса до 30–40% концентрация и скорости на корозия под 0,05 mm/година. Но в разредена фосфорна киселина (10-20%) дори при 120 градуса скоростта на корозия се изкачва до 0,5-2,0 mm/година - 10- до 40-кратно увеличение. Това бързо ускорение се дължи на факта, че защитното пасивно покритие от TiO2 става разтворимо във фосфорна киселина при повишени температури, особено в присъствието на флуоридни примеси или редуциращи обстоятелства. Познаването на тази температурна граница позволява на инженера да избере алтернативни материали (тантал, цирконий или желязо с високо съдържание на силиций) за работа с фосфорна киселина при висока температура.

Механизъм на корозия на титан в гореща фосфорна киселина
Фосфорната киселина (H3PO4) е лека, не-оксидираща киселина. За разлика от сярната или солната киселина, тя не създава значителна катодна реакция за поддържане на титановия пасивен филм. При температури под 80 градуса, разтворимостта на TiO 2 във фосфорна киселина е ниска и така пасивният филм е стабилен. Над 100 градуса разтворимостта нараства бързо. Реакцията TiO₂ + 4H⁺ + 4H3PO₄ → Ti(HPO₄)₂·2H₂O + 2H₂O протича с нарастваща скорост. Корозионният продукт от титанов фосфат не е -защитен и обикновено се утаява като утайка, излагайки свежия метал на непрекъсната атака. Освен това търговската фосфорна киселина съдържа флуоридни примеси (от фосфатна скала) или сулфатни примеси (от мокър -процес на производство), които допълнително увеличават скоростта на корозия на титана чрез комплексиране на титанови йони и блокиране на повторното пасивиране.

Зависеща от температурата скорост на корозия на титан във фосфорна киселина – количествено определяне
Концентрация на фосфорна киселина Температура (градуси) Скорост на корозия на титан клас 2 (mm/година) Пригодност Препоръчителна алтернатива
10% 80 0.02–0,05 Отлично Няма нужда
10% 100 0.10-0.20 Маргинално Следете внимателно 10% 120 0.50-1.00 Лош тантал или цирконий
30% 80 0.03-0.08 Отлично Не се изисква
30% 100 0.15 - 0.30 Пределно надграждане на клас 7 30% 120 0.80 - 2.00 Неподходящ тантал 50% 80 0.05 - 0.15 Приемлив клас 7 препоръчан 50% 100 0.30 - 0.80 Лош тантал или цирконий
50% 120 2.00–5,00 Неподходящ тантал 85% (концентриран) 80 0.10–0,30 Необходим маргинален клас 7 85% 100 1.00–3,00 Неподходящ тантал или графит
Ръководство за-въз основа на сценарии за избор на нагреватели с фосфорна киселина
Приложение и условия на употреба Подходящ титан Препоръчителен материал Очакван живот със степен 2 (ако се използва)
Съхранение на фосфорна киселина (около, 25 градуса) Титан отличен клас 2 20+ години
Фосфорна киселина, разредена 10% (70 градуса) Титан клас 2 Отличен 15-20 години
Разредена фосфорна киселина (10%, 100 градуса) Маргинален клас 7 титан или дебелина на стената 1,5 mm 3-5 години Клас 2 с годишна проверка
Разредена фосфорна киселина (10%, 120 градуса) Неподходящ Тантал или цирконий < 1 година (степен 2)
Фосфорна киселина при мокър процес (30%, 80 градуса, флуориди) Лош цирконий или графит < 2 години (клас 2)
Фосфорна киселина (85%, 80 градуса) Концентрирана маргинална степен 7 титан или тантал 2–4 години (степен 2)
Фосфорна киселина с окисляващи примеси (Fe3+, HNO3) OK до 100 градуса Титанови окислители от клас 2 стабилизират пасивния филм, увеличават обхвата
Фосфорна киселина, съдържаща редуциращи примеси (H2, сулфиди) Не е подходяща над 60 градуса Цирконий или тантал Атаката се ускорява при по-ниски обстоятелства
Инженерни смекчаващи мерки за умерена температура на фосфорна киселина (90-110 градуса)
За работната температура в пределната област (90–110 градуса) и когато замяната на нагревателя с тантал не е практична, има много смекчаващи мерки, които могат да удължат живота на титан от клас 2. Най-добрият начин да се противодейства на това е да се добави окислител към фосфорната киселина (100–200 ppm Fe3+ или 50 ppm водороден пероксид). Окислителите насочват корозионния потенциал към пасивната област и драстично намаляват скоростите на корозия-с коефициент от 5 до 10 при 100 градуса. Второто смекчаване е надстройка до титан клас 7 (Ti-0,15% Pd). Включването на паладий измества корозионния потенциал към по-благородни стойности и степен 7 може да се използва при 120 градуса в 30% фосфорна киселина със скорости на корозия под 0,1 mm/година. Трето смекчаване е да се намали съдържанието на фосфорна киселина. Скоростта на корозия при 100 градуса намалява с 50-70% с намаляване на концентрацията на работната киселина от 30% на 20%.

Заключение Титанът не е подходящ за фосфорна киселина при 120 градуса и повече
Титан от степен 2 не е подходящ за нагряване на фосфорна киселина над 120 градуса, дори при ниски концентрации (10-20%). Титанът ще корозира със скорост под 0,08 mm на година при концентрации на фосфорна киселина до 50% при 80 градуса. Разтворимостта на TiO2 в гореща фосфорна киселина нараства експоненциално с температурата. Например, идентичният материал при 120 градуса корозира с 0,5 до 2,0 mm/година, 10 до 40 кратно увеличение. За приложения, изискващи нагряване на фосфорна киселина над 100 градуса, титан клас 7 (легиран с паладий) разширява полезния диапазон до 110–120 градуса. Необходими са нагреватели от тантал или цирконий над 120 градуса. За услуга с фосфорна киселина над 80 градуса, доставчикът трябва да бъде снабден със специфичната концентрация на киселина, максималната температура и наличието на флуорид или окисляващи замърсители, за да се позволи правилен избор на материал и да се избегне ранна повреда.