À quelle combinaison spécifique de concentration et de température d'acide sulfurique une gaine en acier inoxydable 316 de 1,2 millimètre doit-elle être remplacée tous les trois mois lors d'un service de chauffage de production de dioxyde de titane ?

Les ingénieurs de procédés travaillant avec des thermoplongeurs électriques dans la fabrication de dioxyde de titane via le procédé au sulfate savent que tout au long des étapes de digestion et d'hydrolyse, des concentrations d'acide sulfurique de 15 à 25 % à des températures de 80 à 110 degrés sont typiques. Pour les réacteurs à espace limité-, une gaine en acier inoxydable 316 de 1,2 mm est parfois nécessaire, bien que la concentration élevée, la température et le flux thermique dû à la densité de watt génèrent des conditions de corrosion exceptionnellement agressives. Avec certains seuils, la corrosion générale peut pénétrer dans la paroi de 1,2 mm en trois mois, ce qui signifie qu'elle doit être remplacée tous les trois mois. Dans cette étude, nous identifions les conditions exactes de concentration-température auxquelles une gaine 316 de 1,2 mm atteint une limite de durée de vie de trois mois.

Résistance du 316 à la corrosion par l'acide sulfurique concentré à température élevée
À des températures supérieures à 80 degrés, l'acier inoxydable 316 tombe dans le domaine de corrosion active dans 15 à 25 % d'acide sulfurique. Les taux de corrosion ne sont pas passifs mais actifs élevés, de 2 mm à 10 mm par an en fonction de la concentration et de la température spécifiques. La plage la plus agressive est de 90 à 100 degrés avec 18 à 22 % d'acide sulfurique, où les taux peuvent dépasser 15 mm/an. L'épaisseur structurelle minimale pour le confinement de la pression pour une gaine de 1,2 mm est de l'ordre de 0,4 mm. 3.2 mm/an. Le taux de corrosion assurerait une pénétration de 0,8 mm (1,2 mm-0,4 mm) en 3 mois. La concentration totale d'acide et la température de surface de la gaine, lorsqu'elles sont combinées, entraînent un taux de corrosion d'environ 3 à 5 mm par an, atteignant la limite de remplacement de trois mois.

Seuils critiques de durée de vie de trois -mois
Sur la base de tests d'immersion de 316 échantillons dans de l'acide sulfurique à des concentrations et des températures pertinentes pour la production de dioxyde de titane, les combinaisons suivantes donnent une durée de vie maximale de trois -mois pour une paroi de 1,2 mm.

Concentration d'acide sulfurique (% en poids) Température de la solution globale Température de la surface de la gaine à 6 W/cm (augmentation de 12 degrés) Taux de corrosion attendu à la température de surface Temps de réduction de 1,2 mm à 0,4 mm Durée de vie jusqu'au remplacement
15 % 80 degrés 92 degrés 1,5 – 2,5 mm/an 0,3 – 0,5 ans 4 – 6 mois
15 % 85 degrés 97 degrés 2,5 – 4,0 mm/an 0,2 – 0,3 ans 2,5 – 4 mois
15 % 90 degrés 102 degrés 4,0 – 6,0 mm/an 0,13 – 0,20 ans 1,5 – 2,5 mois
18 % 75 degrés 87 degrés 2,0 – 3,0 mm/an 0,27 – 0,40 ans 3 – 5 mois
18 % 80 degrés 92 degrés 3,0 – 5,0 mm/an 0,16 – 0,27 ans 2 – 3,5 mois
18 % 85 degrés 97 degrés 5,0 – 8,0 mm/an 0,10 – 0,16 ans 1,2 – 2 mois
20 % 70 degrés 82 degrés 2,5 à 4,0 mm/an 0,20 à 0,32 ans 2,5 à 4 mois
20 % 75 degrés 87 degrés 4,0 – 6,0 mm/an 0,13 – 0,20 ans 1,5 – 2,5 mois
20 % 80 degrés 92 degrés 6,0 – 10,0 mm/an 0,08 – 0,13 ans 1 – 1,5 mois
22 % 65 degrés 77 degrés 3,0 – 5,0 mm/an 0,16 – 0,27 ans 2 – 3,5 mois
22 % 70 degrés 82 degrés 5,0 – 8,0 mm/an 0,10 – 0,16 an 1,2 – 2 mois
22 % 75 degrés 87 degrés 8,0 – 12,0 mm/an 0,07 – 0,10 ans 0,8 – 1,2 mois
25 % 60 degrés 72 degrés 3,0 ? 5,0 mm/an 0,16 ? 0,27 ans 2 ? 3,5 mois
25 % 65 degrés 77 degrés 5,0 – 8,0 mm/an 0,10 – 0,16 ans 1,2 – 2 mois
25 % 70 degrés 82 degrés 8,0 – 12,0 mm/an 0,07 – 0,10 an 0,8 – 1,2 mois
Pour un réacteur de digestion au dioxyde de titane utilisant 20 % d'acide sulfurique à une température globale de 80 degrés avec une gaine de 1,2 mm à 6 W/cm², la température de surface de la gaine est d'environ 92 degrés. Le taux de corrosion prévu est de 6 à 10 mm par an, ce qui entraînerait une réduction de la paroi de 1,2 mm à 0,4 mm en 1 à 1,5 mois. 3 mois de remplacement est optimiste. La durée de vie réelle est de 1 à 2 mois.

Calendrier de remplacement sur 3 mois Enveloppe de fonctionnement sécuritaire
Le tableau suivant indique la température maximale de sécurité pour l'acide sulfurique pour une gaine 316 de 1,2 mm à différentes densités de watts afin de fournir une durée de vie d'au moins trois mois avant son remplacement avec une réduction de paroi à 0,4 mm.

Densité en watts (augmentation de la température) Température globale maximale pour 15 % de H2SO4 Température globale maximale pour 18 % de H2SO4 Température globale maximale pour 20 % de H2SO4 Température globale maximale pour 22 % de H2SO4 Température globale maximale pour 25 % de H2SO4 4 W/cm2 (augmentation de 8 degrés) 86 degré 80 degrés 76 degrés 72 degrés 66 degrés 6 W/cm2 (12 degrés montée) 82 degrés 76 degrés 72 degrés 68 degrés 62 degrés 8 W/cm2 (montée de 16 degrés) 78 degrés 72 degrés 68 degrés 64 degrés 58 degrés 10 W/cm2 (montée de 20 degrés) 74 degrés 68 degrés 64 degrés 60 degrés 54 degrés
La limite de sécurité pour le procédé au dioxyde de titane est de 76 degrés (acide sulfurique à 18 %, température globale de 80 degrés, 6 W/cm² (augmentation de 12 degrés, surface de 92 degrés)). Le chauffage est au-dessus de la limite de sécurité de 80 degrés et la durée de vie de trois mois n'est pas garantie. Limite de volume sûre de 80 degrés -marginaux, même à 4 W/cm2.

Modifications de conception pour prolonger la durée de vie au-delà de trois mois
Si les conditions de traitement du dioxyde de titane imposent une gaine 316 de 1,2 mm et qu'une durée de vie de trois mois n'est pas suffisante, deux modifications peuvent aider, mais une mise à niveau de l'alliage est fortement suggérée. Le premier changement consiste à maximiser la longueur chauffée afin de minimiser autant que possible la densité en watts. Avec 4 W/cm2, des taux de corrosion de 2 à 4 mm/an dans 18 à 20 % d'acide sulfurique à 80 degrés sont possibles, la durée de vie est donc limitée à 3 à 6 mois. La deuxième amélioration consisterait à utiliser un acier inoxydable duplex tel que le 2205 ou un acier inoxydable à haute teneur en silicium tel que l'alliage 20. Dans 20 % d'acide sulfurique à 80 degrés, l'alliage 20 réduit les taux de corrosion à moins de 0,5 mm par an, prolongeant la durée de vie à 2 à 3 ans. L'acier inoxydable n'est généralement pas adapté aux thermoplongeurs pendant les étapes de digestion et d'hydrolyse de la fabrication du dioxyde de titane. Les ingénieurs doivent spécifier des gaines en alliage 20, en alliage 825 ou en tantale-pour un service fiable. Lors de la spécification d'appareils de chauffage pour la production de dioxyde de titane, mentionnez toujours la teneur en acide, la température globale et le cycle de service prévu. Un conseil responsable est de ne pas proposer 316 pour 20% d'acide sulfurique à 80 degrés sans parler de corrosion rapide. Pour la plupart des entreprises, le remplacement trimestriel n’est pas économiquement viable. Une durée de vie prévisible mais courte de trois mois pour le remplacement. Une amélioration de l’alliage est la bonne réponse technique.