Lorsque vous utilisez un tube chauffant électrique en titane pour faire bouillir de l'acide chlorhydrique à 20 %, comment le niveau d'oxygène dissous de l'acide modifie-t-il la température critique de piqûre ?

La plupart des métaux sont plutôt agressifs lorsqu'ils font bouillir du HCl à 20 % à une température d'environ 105 degrés. Le titane n’est normalement pas recommandé pour l’utilisation de HCl en raison de sa corrosion active rapide. Cependant, d’autres applications nécessitent une exposition courte ou régulée comme les lignes de décapage de pièces en titane ou des procédures chimiques spécifiques. Dans ces conditions restreintes, la concentration d'oxygène dissous dans l'acide devient le principal critère permettant de déterminer si le titane peut résister même à un service à court terme. L'oxygène fonctionne comme un dépolariseur cathodique et déplace le potentiel de la surface du titane vers la zone passive. La température critique de piqûre (CPT)-la température au-dessus de laquelle les piqûres stables s'initient-augmente considérablement avec la concentration d'oxygène dissous. Le titane est attaqué à température ambiante dans du HCl 20% désaéré. Dans 20 % de HCl à 1 atm de pression partielle d'oxygène, le CPT grimpe à environ 80 degrés, toujours en dessous du point d'ébullition, mais suffisamment élevé pour un service limité à basse température.

Mécanisme de passivation dépendant de l'oxygène- dans l'acide chlorhydrique

Le titane nécessite une atmosphère oxydante pour maintenir son film passif de TiO2. L'acide chlorhydrique est un agent réducteur et les ions chlorure attaquent vigoureusement les défauts d'oxyde. L'oxygène en solution dans l'acide fournit le potentiel oxydant nécessaire à la restauration du film. La réduction de l'oxygène se produit à la surface du titane : O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O. Cette réaction cathodique augmente le potentiel de surface et inhibe donc la dissolution du titane. Si la concentration de l'oxygène dissous est abaissée jusqu'à une valeur critique, alors le courant cathodique dû à la réduction de l'oxygène ne peut pas compenser le courant anodique dû à la dissolution du titane. Le potentiel de surface chute dans la région active et une corrosion ou des piqûres uniformes sont initiées. La température critique de piqûre est la température à laquelle la vitesse de désintégration du film passif est supérieure à la vitesse de repassivation assistée par l'oxygène à une concentration d'oxygène donnée.

Modification quantitative de la température critique de piqûre avec de l'oxygène dissous

Les valeurs CPT pour le titane de grade 2 dans 20 % de HCl à pression atmosphérique sont données ci-dessous à partir d'essais contrôlés :

Oxygène dissous < 0,5 ppm (désaéré, N2-purgé) CPT < 25 degrés. Titane à température ambiante - corrosion agressive. Taux de corrosion 2-5 mm/an. Non recommandé pour tout service chaud.

Oxygène dissous à 2–5 ppm (air -saturé à 1 atm, récipient ouvert typique) : CPT 45–50 degrés. Comportement passif en dessous de 45 degrés, taux de corrosion<0.1 mm/year. Pitting starts within hours at temperatures above 50 °C. Attack is quick and devastating at boiling (105°C).

CPT de 60-65 degrés). Oxygène dissous à 10-15 ppm (barbotage d'oxygène à 1 atm). ACCEPTABLE À 60 degrés MAIS PAS À TEMPÉRATURE D'ÉBULLITION. Profondeur de piqûre 0,5 mm après 100 heures à 65 degrés.

Oxygène dissous 30-40 ppm (oxygène 3 atm pression partielle, système sous pression). CPT 75-80 degrés. À 75 degrés, la surface reste passive . 20 % HCl à 105 oC (1 atm) Toujours en dessous de l'ébullition

Dissolved oxygen >50 ppm (oxygène pur sous 5 atm, équipement spécifique) : CPT 85-90 degrés. N'atteint pas la température d'ébullition à pression atmosphérique mais s'en rapproche. Nécessite un système sous pression pour maintenir l’OD.

Implications pratiques pour le service dans de l'acide chlorhydrique bouillant à 20 %

La température globale de 20 % de HCl bouillant à pression atmosphérique est de 105 degrés. Toute quantité d'oxygène dissous à une pression partielle de 1 atm ne peut pas élever le CPT à 105 degrés . 65 degré est le CPT le plus élevé possible avec un acide saturé d'oxygène - à 1 atm. Par conséquent, indépendamment du barbotage d’oxygène, l’utilisation de titane de grade 2 pour faire bouillir du HCl à 20 % est fondamentalement inappropriée. Des pressions de pression partielle d'oxygène supérieures à 1 atm nécessiteraient un récipient sous pression qui contredit l'état d'ébullition . 1. Faire bouillir 20 % de HCl : tantale, zirconium ou certaines fontes à haute teneur en silicium.

Contrôle de l'oxygène dissous pour le service HCl à basse température

Le titane de grade 2 avec contrôle de l'oxygène est indiqué dans le tableau suivant pour un service HCl inférieur au CPT.

Concentration en HCl et température de fonctionnement Oxygène dissous minimum requis Concentration maximale en chlorure autorisée Stratégie de fonctionnement recommandée
3 ppm (saturation de l'air) 40 degrés 10 % HCl20 % Récipient ouvert standard. Aucun barbotage d’oxygène spécifique n’est requis.
8 ppm (barbotage d'air continu) 20 % 15 % HCl 50 degrés Placer le barboteur d'air près du radiateur. Contrôles DO hebdomadaires
20 % HCl à 60 degrés 15 ppm (nécessite un barbotage d'oxygène) 20 % Utiliser un barbotage d'oxygène pur. Mettre le récipient sous pression à 2 atm pour la maintenance de l'OD. Recommandé : titane grade 7.
20 % HCl, 70 degrés C. Non réalisable à 1 atm. 20 % Grade 2 inapproprié. Utilisez 3 ATM d'oxygène pour le grade 7.
Chlorides >25% Any concentration at >25°CNo benefit >25% Titane Déconseillé quel que soit l'oxygène.
Alternatives à l’ébullition de l’ingénierie des services HCl

If you need to boil 20% HCl, use tantalum or zirconium heaters instead of titanium. Tantalum is passive even in deaerated acid and has a CPT >150 degrés dans 20 % de HCl. Le zirconium est très résistant au HCl bouillant à toutes les concentrations. Si le titane est nécessaire pour des raisons financières, effectuez l'opération à une température inférieure à 50 degrés avec un barbotage continu d'oxygène et acceptez une durée de vie du réchauffeur limitée de 6 à 12 mois. Le titane de grade 7 (stabilisé au palladium) donne une augmentation de 10 à 15 degrés du CPT par rapport au grade 2 dans les mêmes circonstances d'oxygène et étend la plage de température utilisable à environ 75 degrés avec barbotage d'oxygène.

Faire une spécification éclairée<

Si vous envisagez un tube chauffant électrique en titane pour tout service d'acide chlorhydrique, la première chose à faire est de déterminer ou de définir le niveau d'oxygène dissous de l'acide. Notez qu'il est peu probable que le titane offre une durée de vie satisfaisante pour les applications à plus de 60 degrés, à moins que le système ne soit mis sous pression pour augmenter la solubilité de l'oxygène . 20 % de HCl, pression ambiante, ébullition. Ne spécifiez pas le titane. Demandez plutôt des devis pour des radiateurs recouverts de tantale ou de zirconium. Si le processus implique uniquement une ébullition intermittente (par exemple, des cycles de nettoyage), envisagez un chauffage amovible qui peut être retiré de l'acide pendant les périodes d'ébullition. L'ingénieur, en connaissant la relation fondamentale entre l'oxygène dissous et la température critique de piqûre, évite l'écueil habituel de penser que la résistance générale à la corrosion du titane s'applique à l'acide chlorhydrique chaud et concentré.