Det oxiderende kloridmiljø
Varm saltsyre indeholdende opløst ferrichlorid er et af de mest aggressive miljøer i den kemiske procesindustri. Kombinationen af en reducerende syre (HCl), et kraftigt oxidationsmiddel (Fe³⁺) og høj kloridkoncentration skaber forhold, der angriber de fleste metaller gennem flere samtidige mekanismer.
Hastelloy B-3 er en nikkel-molybdænlegering udviklet specifikt til modstandsdygtighed over for ren saltsyre i alle koncentrationer og temperaturer op til kogepunktet. Dens høje molybdænindhold (ca. 28%) giver enestående modstandsdygtighed over for reducerende syrer. Legeringen er det foretrukne materiale til mange HCl-håndteringsapplikationer.
Hastelloy B-3 har dog en kritisk sårbarhed: den er intolerant over for oxiderende urenheder. Tilstedeværelsen af ferrichlorid (FeCl3) i HCl, selv ved koncentrationer så lave som 50-100 ppm, kan dramatisk accelerere korrosion. Jernionen flytter korrosionspotentialet til et område, hvor den beskyttende passive film på legeringen er ustabil.
PTFE er immun over for HCl, FeCl3 og deres kombination. Der er intet korrosionspotentiale, der kan forskydes, ingen passiv film, der kan destabilisere. Sammenligningen mellem Hastelloy B-3 og PTFE i dette miljø illustrerer den grundlæggende begrænsning af metallisk korrosionsbeskyttelse.
Oxidator-induceret korrosionsmekanisme i Hastelloy B-3
Hastelloy B-3 modstår ren HCl gennem dannelsen af en passiv film rig på molybdænoxid. Under reducerende forhold-HCl uden opløst oxygen eller oxiderende metalioner - denne film er stabil. Legeringen korroderer med hastigheder under 0,025 mm/år i kogende 20 % HCl.
Når et oxidationsmiddel såsom ferrichlorid er til stede, skifter korrosionspotentialet 200-400 mV i den ædle retning. Ved dette forhøjede potentiale bliver den molybdænrige passive film termodynamisk ustabil. Det opløses. Den underliggende legering, nu depassiveret, korroderer aktivt. Korrosionshastigheden kan stige med en faktor på 10-100.
Jernchloridet selv deltager i korrosionsreaktionen. Ferri-ion reduceres til ferro-ion ved metaloverfladen: Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺. Metallet forsyner elektronen ved at opløse: Ni → Ni²⁺ + 2e⁻. Nettoreaktionen er den oxidative opløsning af legeringen, katalyseret af ferri/jern-redox-cyklussen.
| Korrosionsparameter | Hastelloy B-3 | PTFE |
|---|---|---|
| Korrosionsbeskyttelsesmekanisme | Mo-rig passiv film | Iboende C-F-bindingsstabilitet |
| Korrosionshastighed i 20 % HCl ved 80 grader, 0 ppm Fe³⁺ (mm/år) | <0.025 | 0 |
| Korrosionshastighed i 20 % HCl ved 80 grader, 100 ppm Fe³⁺ (mm/år) | 0.1-0.5 | 0 |
| Korrosionshastighed i 20 % HCl ved 80 grader, 500 ppm Fe³⁺ (mm/år) | 0.5-2.0 | 0 |
| Korrosionshastighed i 20 % HCl ved 80 grader, 2.000 ppm Fe³⁺ (mm/år) | 2,0-10,0 (hurtig) | 0 |
| Krav til overvågning af oxidationsmiddelkoncentration | Kritisk | Ingen |
| Konsekvens af oxidationsmiddel ekskursion | Hurtig, potentielt katastrofal korrosion | Ingen konsekvens |
Udflugtsscenariet
Jernchlorid kan trænge ind i HCl ad flere veje. Jernforurening fra korroderende opstrøms ståludstyr opløses i syren og oxideres til jernholdig tilstand. Jern-råmaterialer introducerer jern, der opløses og oxideres. I nogle processer er ferrichlorid et reaktionsprodukt eller tilsættes med vilje.
En Hastelloy B-3 varmeveksler, der fungerer tilfredsstillende i "ren" HCl, kan opleve hurtig korrosion, hvis en jernforureningshændelse øger ferriionkoncentrationen over tærsklen. Korrosionen kan starte ved svejsezoner, hvor mikrostrukturen adskiller sig fra basismetallet, eller ved sprækker under pakninger eller aflejringer.
Skaden fra et enkelt oxidationsmiddel kan kræve udskiftning af varmeveksleren. Udflugten kan være kort og uopdaget-syrefarven ændrer sig muligvis ikke synligt ved lave jernkoncentrationer. Den første indikation på et problem kan være en lækage.
Overvågnings- og kontrolkravet
Hastelloy B-3 i HCl-service kræver kontinuerlig eller hyppig overvågning af oxidationsmiddelkoncentrationen. Redox-potentialemåling giver en-realtidsindikation af opløsningens oxiderende karakter. Et stigende redoxpotentiale signalerer en stigende oxidationsmiddelkoncentration og nærmer sig korrosionstærsklen. Når redoxpotentialet overstiger et sætpunkt, skal der foretages korrigerende handling-kemisk tilsætning for at reducere oxidationsmidlet eller procesjustering.
Denne overvågnings- og kontrolinfrastruktur tilføjer omkostninger og kompleksitet til processen. Det introducerer også et procesrisikopunkt: Hvis overvågningen fejler, eller den korrigerende handling forsinkes, er varmeveksleren i fare.
PTFE eliminerer denne infrastruktur og risiko. Der kræves ingen overvågning af oxidationsmiddel til korrosionskontrol. Varmeveksleren fungerer sikkert ved enhver jernchloridkoncentration fra nul til mætning.
Oversigt
PTFE-varmevekslere er ubetinget modstandsdygtige over for varmt HCl indeholdende opløst ferrichlorid ved alle oxidationsmiddelkoncentrationer, mens Hastelloy B-3-den førende legering for ren HCl- lider under accelereret korrosion, når ferriionkoncentrationen overstiger 50-100 ppm. Oxidationsmidlet destabiliserer den molybdænrige passive film, hvilket øger korrosionshastigheden med 10-100×. PTFE eliminerer behovet for overvågning af oxidationsmiddel og risikoen for katastrofal korrosion fra en oxidationsekskursion. I HCl-service, hvor jernforurening eller bevidst tilsætning af jern(III)chlorid er til stede, er PTFE det lavere risikomaterialevalg.
Teknisk support til PTFE-varmevekslerspecifikation i HCl-FeCl₃-service er tilgængelig ved indsendelse af syrekoncentration, ferri-ionkoncentration (normal og afvigelse), driftstemperatur og aktuel udstyrskorrosionshistorik.
