Per gli ingegneri di processo responsabili dei riscaldatori elettrici a immersione nella produzione di biossido di titanio mediante il processo al solfato, concentrazioni di acido solforico del 15–25% a temperature di 80–110 gradi sono comuni durante le fasi di digestione e idrolisi. A volte viene specificata una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,2 mm per reattori con vincoli di spazio-, ma la combinazione di alta concentrazione, temperatura elevata e flusso di calore derivante dalla densità di watt crea condizioni di corrosione estremamente aggressive. Al di sotto di soglie specifiche, la corrosione generale penetra nella parete da 1,2 mm entro tre mesi, richiedendo una sostituzione trimestrale. Questo articolo identifica le precise combinazioni di concentrazione-temperatura in cui una guaina 316 da 1,2 mm raggiunge un limite di durata di servizio di tre-mesi.
Comportamento alla corrosione del 316 nell'acido solforico concentrato ad alte temperature
Con concentrazioni di acido solforico del 15–25% a temperature superiori a 80 gradi, l'acciaio inossidabile 316 è in regime di corrosione attiva. I tassi di corrosione non sono passivi ma attivi, elevati e vanno da 2 mm a 10 mm all'anno a seconda della concentrazione e della temperatura esatte. L'intervallo più aggressivo è l'acido solforico al 18–22% a 90–100 gradi, dove i tassi possono superare i 15 mm all'anno. Per una guaina da 1,2 mm, lo spessore strutturale minimo per il contenimento della pressione è di circa 0,4 mm. Una penetrazione della corrosione di 0,8 mm (da 1,2 mm a 0,4 mm) avviene in 3 mesi con una velocità di corrosione di 3,2 mm all'anno. La soglia di sostituzione di tre-mesi viene raggiunta quando la combinazione di concentrazione di acido e temperatura superficiale della guaina produce un tasso di corrosione di circa 3–5 mm all'anno.
Soglie critiche per una durata di servizio di tre-mesi
In base ai test di immersione di 316 campioni in acido solforico a concentrazioni e temperature rilevanti per la produzione di biossido di titanio, le seguenti combinazioni producono una durata di servizio massima di tre-mesi per una parete da 1,2 mm.
| Concentrazione di acido solforico (%) | Temperatura della soluzione sfusa | Temperatura superficiale della guaina a 6 W/cm² (aumento di 12 gradi) | Tasso di corrosione previsto a temperatura superficiale | È ora di ridurre da 1,2 mm a 0,4 mm | Durata utile fino alla sostituzione |
|---|---|---|---|---|---|
| 15% | 80 gradi | 92 gradi | 1,5 – 2,5 mm/anno | 0,3 – 0,5 anni | 4 – 6 mesi |
| 15% | 85 gradi | 97 gradi | 2,5 – 4,0 mm/anno | 0,2 – 0,3 anni | 2,5 – 4 mesi |
| 15% | 90 gradi | 102 gradi | 4,0 – 6,0 mm/anno | 0,13 – 0,20 anni | 1,5 – 2,5 mesi |
| 18% | 75 gradi | 87 gradi | 2,0 – 3,0 mm/anno | 0,27 – 0,40 anni | 3 – 5 mesi |
| 18% | 80 gradi | 92 gradi | 3,0 – 5,0 mm/anno | 0,16 – 0,27 anni | 2 – 3,5 mesi |
| 18% | 85 gradi | 97 gradi | 5,0 – 8,0 mm/anno | 0,10 – 0,16 anni | 1,2 – 2 mesi |
| 20% | 70 gradi | 82 gradi | 2,5 – 4,0 mm/anno | 0,20 – 0,32 anni | 2,5 – 4 mesi |
| 20% | 75 gradi | 87 gradi | 4,0 – 6,0 mm/anno | 0,13 – 0,20 anni | 1,5 – 2,5 mesi |
| 20% | 80 gradi | 92 gradi | 6,0 – 10,0 mm/anno | 0,08 – 0,13 anni | 1 – 1,5 mesi |
| 22% | 65 gradi | 77 gradi | 3,0 – 5,0 mm/anno | 0,16 – 0,27 anni | 2 – 3,5 mesi |
| 22% | 70 gradi | 82 gradi | 5,0 – 8,0 mm/anno | 0,10 – 0,16 anni | 1,2 – 2 mesi |
| 22% | 75 gradi | 87 gradi | 8,0 – 12,0 mm/anno | 0,07 – 0,10 anni | 0,8 – 1,2 mesi |
| 25% | 60 gradi | 72 gradi | 3,0 – 5,0 mm/anno | 0,16 – 0,27 anni | 2 – 3,5 mesi |
| 25% | 65 gradi | 77 gradi | 5,0 – 8,0 mm/anno | 0,10 – 0,16 anni | 1,2 – 2 mesi |
| 25% | 70 gradi | 82 gradi | 8,0 – 12,0 mm/anno | 0,07 – 0,10 anni | 0,8 – 1,2 mesi |
Per un reattore di digestione del biossido di titanio che utilizza acido solforico al 20% a una temperatura complessiva di 80 gradi con una guaina da 1,2 mm a 6 W/cm², la superficie della guaina raggiunge circa 92 gradi. Il tasso di corrosione previsto è di 6–10 mm all’anno, riducendo la parete da 1,2 mm a 0,4 mm in 1–1,5 mesi. La sostituzione di tre-mesi è ottimistica; la vita effettiva può essere di 1-2 mesi.
Pacchetto operativo sicuro per un programma di sostituzione di tre-mesi
La tabella seguente fornisce la temperatura massima sicura dell'acido solforico sfuso per una guaina 316 da 1,2 mm a varie densità di watt per raggiungere almeno tre mesi di durata operativa prima che la riduzione della parete a 0,4 mm richieda la sostituzione.
| Densità di Watt (aumento di temperatura) | Temperatura massima di massa per il 15% di H₂SO₄ | Temperatura massima di massa per 18% H₂SO₄ | Temperatura massima di massa per il 20% di H₂SO₄ | Temperatura massima di massa per il 22% di H₂SO₄ | Temperatura massima di massa per il 25% di H₂SO₄ |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 W/cm² (aumento di 8 gradi) | 86 grado | 80 gradi | 76 gradi | 72 gradi | 66 gradi |
| 6 W/cm² (aumento di 12 gradi) | 82 gradi | 76 gradi | 72 gradi | 68 gradi | 62 gradi |
| 8 W/cm² (aumento di 16 gradi) | 78 gradi | 72 gradi | 68 gradi | 64 gradi | 58 gradi |
| 10 W/cm² (aumento di 20 gradi) | 74 gradi | 68 gradi | 64 gradi | 60 gradi | 54 gradi |
Per un processo con biossido di titanio che utilizza acido solforico al 18% a una temperatura di massa di 80 gradi con 6 W/cm² (aumento di 12 gradi, superficie di 92 gradi), il limite di massa di sicurezza è di 76 gradi. A 80 gradi, il riscaldatore supera il limite di sicurezza e la durata di servizio di tre-mesi non è garantita. Anche a 4 W/cm², il limite di sicurezza è di 80 gradi -marginali.
Modifiche progettuali per prolungare la vita oltre i tre mesi
Quando le condizioni del processo del biossido di titanio richiedono una guaina 316 da 1,2 mm e la durata di tre-mesi non è sufficiente, due modifiche possono essere d'aiuto, ma si consiglia vivamente l'aggiornamento della lega. La prima modifica consiste nel ridurre la densità di watt al minimo assoluto massimizzando la lunghezza riscaldata. Anche a 4 W/cm², i tassi di corrosione nell'acido solforico al 18–20% a 80 gradi sono di 2–4 mm all'anno, limitando la vita a 3–6 mesi. La seconda modifica consiste nell'utilizzare un acciaio inossidabile duplex come il 2205 o un acciaio inossidabile ad alto-silicio come la lega 20. La lega 20 mantiene tassi di corrosione inferiori a 0,5 mm all'anno in acido solforico al 20% a 80 gradi, prolungando la durata a 2-3 anni. Per la produzione di biossido di titanio, l’acciaio inossidabile 316 è generalmente inadatto per i riscaldatori ad immersione nelle fasi di digestione e idrolisi. Gli ingegneri dovrebbero specificare guaine rivestite in lega 20, lega 825 o tantalio-per un servizio affidabile. Quando si specificano i riscaldatori per la produzione di biossido di titanio, fornire sempre l'esatta concentrazione di acido, la temperatura complessiva e il ciclo di lavoro previsto. Un produttore che consiglia 316 per acido solforico al 20% a 80 gradi senza discutere della corrosione rapida non fornisce una guida responsabile. La soglia di sostituzione di tre-mesi è una durata prevedibile ma breve e, per la maggior parte delle operazioni, la sostituzione trimestrale è economicamente inaccettabile. L'aggiornamento della lega è la soluzione ingegneristica corretta.
