När man värmer fosforsyra (30-50%) vid 100 grader, varför accelererar förorening av löst järn titankorrosion utöver acceptabla hastigheter?

Titanuppvärmningsutrustning i fosforsyraservice uppvisar motsägelsefullt beteende. Titan klass 2 i kemiskt ren 30-50 % fosforsyra vid 100 grader har en låg korrosionshastighet på 0,05-0,10 mm per år, vilket är väl inom acceptabla gränser för värmerör. Emellertid innehåller industriell våtprocessfosforsyra (WPA) erhållen från rötning av fosfatsten många föroreningar, och löst järn (Fe2+ och Fe3+) ​​har den mest förödande effekten på titankorrosionsbeständigheten bland dem. Även 0,5 % järnförorening kan öka titankorrosionshastigheten med en faktor på 10 till 50, vilket leder till rörperforering på månader snarare än år. Den här artikeln beskriver den elektrokemiska mekanismen för järninducerad accelererande korrosion och bestämmer säkra gränser för järninnehållet för driften av titanvärmare.

Korrosionsaccelerationsmekanism via järn
Den passiva filmen på titan i fosforsyra består huvudsakligen av TiO 2 med integrerade fosfattyper. Filmen är stabil mellan en rad elektrokemiska potentialer. De lösta järnjonerna, huvudsakligen Fe³⁺, är redoxskyttlar som cyklar mellan Fe³⁺ och Fe²⁺ vid titanytan. Varje Fe³⁺-jon som kommer i kontakt med ytan tar en elektron från titan (reducerande till Fe²⁺), diffunderar sedan bort och återoxideras till Fe³⁺ av löst syre. Denna konstanta redoxcykling överför framgångsrikt elektroner från titanmetallen till bulklösningen, så att den skyddande passiva beläggningen förbigår.

Elektrokemiska mätningar visar omfattningen av denna effekt. Korrosionspotentialen för titan Grade 2 i ren 40 % H₃PO₄ vid 100 grader stabiliseras mellan +150 och +250 mV mot SCE med en passiv strömtäthet på 5 µA/cm². Tillsatsen av 0,5 % Fe3+ (i form av järnfosfat) höjer korrosionspotentialen till +400 till +550 mV jämfört med SCE och ökar den passiva strömtätheten till 50-100 µA/cm2. Vid 1,0 % järn är strömtätheten 200-300 µA/cm 2 och motsvarar en korrosionshastighet på 0,5-0,8 mm per år. Vid 2,0 % järn är hastigheterna större än 1,5 mm/år.

**Uppvärmningsservice kritisk järngräns**
Lång-exponeringstestet av titan Grade 2 i fosforsyra vid 100 grader finner en praktisk gräns för järn. Vid löst järn under 0,2 % är korrosionshastigheten under 0,10 mm/år, tillräckligt för 10 års livslängd på värmaren med 1,5 mm väggtjocklek. Hastigheterna är 0,15-0,30 mm/år vid 0,2 till 0,5 % järn, vilket skulle minska den beräknade livslängden till 3-5 år med typisk väggtjocklek. Korrosionshastigheter över 0,5 % järn är för höga (mer än 0,5 mm per år) och involverar lokal gropbildning som bidrar till ytterligare metallförluster.

Fosforsyra i våt-process innehåller vanligtvis 0,8-1,5 % löst järn från föroreningar från fosfatsten. WPA-förångare och koncentratorer använder titaniumvärmare, som korroderar snabbt i frånvaro av järnborttagningsförbehandling eller uppgradering till en mer motståndskraftig titanlegering. Grad 7 titan (Ti-0.15Pd) förbättrar järntoleransen, med hastigheter under 0,15 mm per år vid 0,8 % järn, men även Grad 7 misslyckas med över 1,2 % järn.

Applikationsmatris och begränsningsstrategier
Källa till fosforsyraTypiskt järninnehåll Rekommenderat värmeelement Material Förväntad korrosionshastighet Livslängd (1,65 mm vägg)
Renat (termisk process) Grad 2 titan<0.05% 0.05-0.08 mm/year 15-20 years WPA, solvent-extracted Grade 2 titanium (1.65-2.0 mm) 0.2-0.4% 0.10-0.15 mm/year 8-12 years WPA, untreated (low iron rock) Grade 7 titanium (2.0 mm) 0.5-0.8% 0.12-0.20 mm/year 6-10 years WPA, untreated (high iron rock) Grade 7 + iron removal system 0.8-1.5% 0.20-0.40 mm/year 3-5 years
Superphosphoric acid (>70 % P₂O₅) Variabelt zirkonium eller tantal N/A Titan rekommenderas inte
Sammanfattning av Phosphoric Acid Heater Spec
Föroreningar av löst järn med mer än 0,2 % i fosforsyra vid 100 grader främjar korrosion av titan genom en redoxcykelmekanism som kringgår det skydd som den passiva filmen ger. För våt processsyra med typiskt järninnehåll på 0,8 till 1,5 %, kommer titanvärmare av grad 2 att misslyckas inom 2 till 3 år. Ingenjörer ställs inför valet att specificera Grad 7 titan (som skjuter upp järntoleransen till cirka 0,8%) eller lägga till järnborttagningssteg (lösningsmedelsextraktion, jonbyte) uppströms värmaren. När du köper titanvärmare för fosforsyraservice, fråga alltid efter en korrosionstestkupong som har utsatts för själva processsyran och kräv en minsta väggtjocklek på 2,0 mm för Grade 2 eller 1,65 mm för Grade 7 i järnbärande syra.