チタン電熱管を使用して 20% 塩酸を沸騰させる場合、酸の溶存酸素レベルは臨界孔食温度をどのように変化させますか?

ほとんどの金属は、約 105 度の温度で 20% HCl を沸騰させるのにかなり攻撃的です。チタンは急速な活性腐食のため、通常、HCl の使用には推奨されません。ただし、チタン部品の酸洗いラインや特定の化学手順など、他の用途では短時間または規制された暴露が必要です。このような制限された条件下では、酸中の溶存酸素濃度が、チタンが短期間の使用にも耐えられるかどうかを確立する主な基準になります。酸素は陰極減極剤として機能し、チタン表面の電位を不動態領域にシフトします。臨界孔食温度 (CPT)-それを超えると安定した孔食が始まる温度-は、溶存酸素の濃度とともに大幅に増加します。チタンは室温で脱気した 20% HCl 中で攻撃されます。酸素分圧 1 気圧の 20% HCl では、CPT は約 80 度まで上昇しますが、これはまだ沸点未満ですが、一部の限定的な低温使用には十分な高さです。

塩酸における酸素-依存の不動態化メカニズム

チタンは、その不動態 TiO2 膜を維持するために酸化雰囲気を必要とします。塩酸は還元剤であり、塩化物イオンは酸化物の欠陥を強力に攻撃します。酸中の溶液中の酸素は、膜の修復に必要な酸化電位を供給します。チタン表面では酸素の還元が起こります: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O。この陰極反応は表面電位を増加させるため、チタンの溶解を抑制します。溶存酸素の濃度が臨界値まで低下すると、酸素の減少による陰極電流はチタンの溶解による陽極電流を補償できなくなります。表面電位が活性領域に低下し、均一な腐食または孔食が始まります。臨界孔食温度は、所定の酸素濃度において、不動態皮膜の崩壊速度が酸素補助再不動態化速度よりも速くなる温度である。

溶存酸素による臨界孔食温度の定量的変化

大気圧、20% HCl 中でのグレード 2 チタンの CPT 値は、管理されたテストから以下に得られます。

溶存酸素 < 0.5 ppm (脱気、N2- パージ) CPT < 25 度。室温でのチタン - 激しい腐食。腐食速度は 2 ～ 5 mm/年。ホットなサービスにはお勧めできません。

2 ～ 5 ppm の溶存酸素 (1 気圧で飽和した空気-、典型的な開放容器): CPT 45 ～ 50 度。 45度以下での受動的挙動、腐食速度<0.1 mm/year. Pitting starts within hours at temperatures above 50 °C. Attack is quick and devastating at boiling (105°C).

CPT 60-65 度）。溶存酸素は 10 ～ 15 ppm (1 気圧での酸素散布)。 60度では許容されますが、沸騰温度では許容されません。 65度で100時間後の孔食の深さは0.5mm。

溶存酸素30～40ppm（酸素分圧3気圧、加圧系）。 CPT 75-80 度。 75 度では、表面は不動態のままです。105 ℃ (1 気圧) で . 20% HCl はまだ沸騰未満です

Dissolved oxygen >50 ppm (5 気圧以下の純酸素、特定の装置): CPT 85 ～ 90 度。大気圧では沸点には達しませんが、それに近づきます。 DOを維持するには加圧システムが必要です。

20% 塩酸を沸騰させるサービスの実際的な意味

大気圧で沸騰する 20% HCl のバルク温度は 105 度です。 1 気圧の分圧でどのような量の溶存酸素が存在しても、CPT を 105 度まで上げることはできません。. 65 度は、1 気圧の酸素飽和酸で可能な最高の CPT です-。したがって、酸素のスパージングに関係なく、20% HCl の沸騰にグレード 2 チタンを使用することは基本的に不適切です。酸素分圧が 1 atm を超える圧力では、沸騰状態に矛盾する加圧容器が必要になります。. 1. 沸騰 20% HCl: タンタル、ジルコニウム、または一部の高ケイ素鋳鉄。

低温 HCl サービスの溶存酸素制御

酸素制御を備えたグレード 2 チタンは、CPT の下の HCl サービスについて次の表に示されています。

HCl 濃度と動作温度最低限必要な溶存酸素最大許容塩化物濃度推奨される動作戦略
3 ppm (空気飽和) 40 度 10% HCl20% 標準開放容器。特別な酸素散布は必要ありません。
8 ppm (連続エア スパージング) 20% 15% HCl 50 度 エア スパージャーをヒーターの近くに置きます。毎週のDOチェック
20% HCl @ 60 度 15 ppm (酸素によるスパージングが必要) 20% 純酸素スパージングを使用します。 DO 維持のために容器を 2 atm に加圧します。推奨: チタン グレード 7。
20% HCl、70 ℃。1 気圧では不可能。20 % グレード 2 不適切。グレード 7 では 3 気圧の酸素スパージングを使用します。
Chlorides >25% Any concentration at >25°CNo benefit >25% チタン 酸素に関係なく推奨されません。
HClサービスエンジニアリングの沸騰に代わる手段

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 >20% HCl 中で 150 度。ジルコニウムは、あらゆる濃度の沸騰 HCl に対して非常に耐性があります。経済的な理由でチタンが必要な場合は、酸素を継続的に吹き込みながら 50 度以下で操作を実行し、ヒーターの寿命は 6 ～ 12 か月に制限してください。グレード 7 チタン (パラジウム安定化) は、同じ酸素環境下でグレード 2 に比べて CPT が 10 ～ 15 度増加し、酸素散布により使用可能な温度範囲が約 75 度まで広がります。

情報に基づいた仕様の作成<

塩酸サービス用のチタン電熱管を検討している場合、最初に行うことは、酸の溶存酸素レベルを決定または定義することです。システムが酸素溶解度. 20% HCl、周囲圧力、沸騰を増加させるように圧力をかけない限り、チタンは 60 度を超える用途では満足のいく耐用年数を提供する可能性が低いことに注意してください。チタンは指定しないでください。代わりに、タンタルクラッドまたはジルコニウムヒーターの見積もりをリクエストしてください。プロセスに断続的な沸騰のみが含まれる場合 (洗浄サイクルなど)、沸騰中に酸から取り出せる取り外し可能なヒーターを検討してください。エンジニアは、溶存酸素と臨界孔食温度の基本的な関係を理解することで、チタンの一般的な耐食性が高温の濃塩酸に適用されると考えるというよくある落とし穴を回避できます。