סביבת הכלוריד המחמצן
חומצה הידרוכלורית חמה המכילה כלוריד ברזל מומס היא אחת הסביבות האגרסיביות ביותר בתעשיית התהליך הכימי. השילוב של חומצה מפחיתה (HCl), מחמצן רב עוצמה (Fe³⁺), וריכוז כלוריד גבוה יוצר תנאים התוקפים את רוב המתכות באמצעות מנגנונים מרובים בו זמנית.
Hastelloy B-3 היא סגסוגת ניקל-מוליבדן שפותחה במיוחד לעמידות לחומצה הידרוכלורית טהורה בכל הריכוזים והטמפרטורות עד לנקודת הרתיחה. תכולת המוליבדן הגבוהה שלו (כ-28%) מספקת עמידות יוצאת דופן להפחתת חומצות. הסגסוגת היא החומר הנבחר עבור יישומים רבים לטיפול ב-HCl.
עם זאת, להסטלוי B-3 יש פגיעות קריטית: הוא אינו סובלני לזיהומים מחמצנים. נוכחות של כלוריד ברזל (FeCl₃) ב-HCl, אפילו בריכוזים נמוכים של 50-100 ppm, יכולה להאיץ באופן דרמטי את הקורוזיה. יון הברזל מעביר את פוטנציאל הקורוזיה לאזור בו הסרט הפסיבי המגן על הסגסוגת אינו יציב.
PTFE חסין בפני HCl, FeCl₃ ושילובם. אין פוטנציאל קורוזיה להזיז, אין סרט פסיבי שיערער את היציבות. ההשוואה בין Hastelloy B-3 ל-PTFE בסביבה זו ממחישה את המגבלה הבסיסית של הגנת קורוזיה מתכתית.
מנגנון הקורוזיה המושרה ב-המחמצן ב-Hastelloy B-3
Hastelloy B-3 מתנגד ל-HCl טהור באמצעות יצירת סרט פסיבי עשיר בתחמוצת מוליבדן. בתנאים מפחיתים -HCl ללא חמצן מומס או יוני מתכת מחמצנים - הסרט הזה יציב. הסגסוגת קורוזיה בקצבים הנמוכים מ-0.025 מ"מ לשנה בהרתחה של 20% HCl.
כאשר קיים מחמצן כגון כלוריד ברזל, פוטנציאל הקורוזיה עובר 200-400 mV בכיוון האציל. בפוטנציאל המוגבר הזה, הסרט הפסיבי העשיר במוליבדן הופך ללא יציב מבחינה תרמודינמית. זה מתמוסס. הסגסוגת הבסיסית, כעת חסרת פסיביות, פוגעת באופן פעיל. קצב הקורוזיה יכול לעלות בפקטור של 10-100.
כלוריד הברזל עצמו משתתף בתגובת הקורוזיה. יון ברזל מצטמצם ליון ברזל על פני המתכת: Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺. המתכת מספקת את האלקטרון על ידי המסת: Ni → Ni²⁺ + 2e⁻. התגובה נטו היא פירוק חמצוני של הסגסוגת, מזורזת על ידי מחזור חיזור ברזל/ברזל.
| פרמטר קורוזיה | Hastelloy B-3 | PTFE |
|---|---|---|
| מנגנון הגנה מפני קורוזיה | מו-סרט פסיבי עשיר | יציבות קשר C-F אינהרנטית |
| שיעור קורוזיה ב-20% HCl ב-80 מעלות, 0 ppm Fe³⁺ (מ"מ/שנה) | <0.025 | 0 |
| שיעור קורוזיה ב-20% HCl ב-80 מעלות, 100 ppm Fe³⁺ (מ"מ/שנה) | 0.1-0.5 | 0 |
| שיעור קורוזיה ב-20% HCl ב-80 מעלות, 500 ppm Fe³⁺ (מ"מ/שנה) | 0.5-2.0 | 0 |
| שיעור קורוזיה ב-20% HCl ב-80 מעלות, 2,000 ppm Fe³⁺ (מ"מ/שנה) | 2.0-10.0 (מהיר) | 0 |
| דרישה לניטור ריכוז המחמצן | קרִיטִי | אַף לֹא אֶחָד |
| תוצאה של טיול מחמצן | קורוזיה מהירה, שעלולה להיות קטסטרופלית | אין תוצאה |
תרחיש הטיול
כלוריד ברזל יכול להיכנס ל-HCl בכמה מסלולים. זיהום ברזל מציוד פלדה מאכל במעלה הזרם מתמוסס בחומצה ומתחמצן למצב ברזל. חומרי גלם הנושאים ברזל- מכניסים ברזל שמתמוסס ומתחמצן. בתהליכים מסוימים, כלוריד ברזל הוא תוצר תגובה או מתווסף בכוונה.
מחליף חום Hastelloy B-3 הפועל בצורה משביעת רצון ב-HCl "טהור" יכול לחוות קורוזיה מהירה אם אירוע זיהום ברזל מעלה את ריכוז יוני הברזל מעל הסף. הקורוזיה עשויה ליזום באזורי ריתוך, שבהם המיקרו-מבנה שונה מהמתכת הבסיסית, או בנקיקים מתחת לאטמים או משקעים.
הנזק כתוצאה מיציאה של מחמצן בודד עלול לדרוש החלפת מחליף חום. הטיול עשוי להיות קצר ולא מזוהה-ייתכן שצבע החומצה לא ישתנה באופן גלוי בריכוזי ברזל נמוכים. האינדיקציה הראשונה לבעיה עשויה להיות דליפה.
דרישת הניטור והבקרה
Hastelloy B-3 בשירות HCl דורש ניטור רציף או תכוף של ריכוז המחמצן. מדידת פוטנציאל חיזור מספקת-אינדיקציה בזמן אמת לאופי החמצון של התמיסה. פוטנציאל חיזור עולה מאותת על הגדלת ריכוז המחמצן והתקרבות לסף הקורוזיה. כאשר פוטנציאל החיזור חורג מנקודת הגדר, יש לבצע פעולה מתקנת-תוספה כימית להפחתת המחמצן, או התאמת תהליך.
תשתית ניטור ובקרה זו מוסיפה עלות ומורכבות לתהליך. הוא גם מציג נקודת סיכון לתהליך: אם הניטור נכשל או פעולת התיקון מתעכבת, מחליף החום נמצא בסיכון.
PTFE מבטל את התשתית והסיכון הזה. לא נדרש ניטור מחמצן לבקרת קורוזיה. מחליף החום פועל בבטחה בכל ריכוז כלוריד ברזל מאפס ועד לרוויה.
תַקצִיר
מחליפי חום PTFE עמידים ללא תנאי בפני HCl חם המכיל כלוריד ברזל מומס בכל ריכוזי המחמצן, בעוד Hastelloy B-3-הסגסוגת המובילה עבור HCl טהור- סובלת מקורוזיה מואצת כאשר ריכוז יוני הברזל עולה על 50-100 ppm. המחמצן מערער את הסרט הפסיבי העשיר במוליבדן, ומגדיל את קצב הקורוזיה ב-10-100×. PTFE מבטל את הצורך בניטור מחמצנים ואת הסיכון לקורוזיה קטסטרופלית כתוצאה מטיול מחמצן. בשירות HCl שבו קיים זיהום ברזל או תוספת כלוריד ברזל מכוונת, PTFE הוא הבחירה בחומר בעל סיכון נמוך יותר.
תמיכה הנדסית עבור מפרט מחליף חום PTFE בשירות HCl-FeCl₃ זמינה עם הגשת ריכוז חומצה, ריכוז יוני ברזל (רגיל ויציאה), טמפרטורת הפעלה והיסטוריית קורוזיה נוכחית של הציוד.
