Det oksiderende kloridmiljøet
Varm saltsyre som inneholder oppløst jernklorid er et av de mest aggressive miljøene i den kjemiske prosessindustrien. Kombinasjonen av en reduserende syre (HCl), et kraftig oksidasjonsmiddel (Fe³⁺) og høy kloridkonsentrasjon skaper forhold som angriper de fleste metaller gjennom flere samtidige mekanismer.
Hastelloy B-3 er en nikkel-molybdenlegering utviklet spesielt for motstand mot ren saltsyre i alle konsentrasjoner og temperaturer opp til kokepunktet. Det høye molybdeninnholdet (omtrent 28%) gir eksepsjonell motstand mot reduserende syrer. Legeringen er det valgte materialet for mange HCl-håndteringsapplikasjoner.
Hastelloy B-3 har imidlertid en kritisk sårbarhet: den er intolerant for oksiderende urenheter. Tilstedeværelsen av jern(III)klorid (FeCl3) i HCl, selv ved konsentrasjoner så lave som 50-100 ppm, kan dramatisk akselerere korrosjon. Jernionet forskyver korrosjonspotensialet til et område hvor den beskyttende passive filmen på legeringen er ustabil.
PTFE er immun mot HCl, FeCl3 og deres kombinasjon. Det er ingen korrosjonspotensiale som kan forskyves, ingen passiv film som kan destabiliseres. Sammenligningen mellom Hastelloy B-3 og PTFE i dette miljøet illustrerer den grunnleggende begrensningen av metallisk korrosjonsbeskyttelse.
Oxidizer-indusert korrosjonsmekanisme i Hastelloy B-3
Hastelloy B-3 motstår ren HCl gjennom dannelsen av en passiv film rik på molybdenoksid. Under reduserende forhold-HCl uten oppløst oksygen eller oksiderende metallioner - denne filmen er stabil. Legeringen korroderer med hastigheter under 0,025 mm/år i kokende 20 % HCl.
Når et oksidasjonsmiddel som jern(III)klorid er tilstede, skifter korrosjonspotensialet 200-400 mV i edel retning. Ved dette forhøyede potensialet blir den molybdenrike passive filmen termodynamisk ustabil. Det løses opp. Den underliggende legeringen, nå depassivert, korroderer aktivt. Korrosjonshastigheten kan øke med en faktor på 10-100.
Selve jernkloridet deltar i korrosjonsreaksjonen. Jernion reduseres til jernholdig ion på metalloverflaten: Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺. Metallet forsyner elektronet ved å løse opp: Ni → Ni²⁺ + 2e⁻. Nettoreaksjonen er den oksidative oppløsningen av legeringen, katalysert av jern-/jernredokssyklusen.
| Korrosjonsparameter | Hastelloy B-3 | PTFE |
|---|---|---|
| Korrosjonsbeskyttelsesmekanisme | Mo-rik passiv film | Iboende C-F-bindingsstabilitet |
| Korrosjonshastighet i 20 % HCl ved 80 grader, 0 ppm Fe³⁺ (mm/år) | <0.025 | 0 |
| Korrosjonshastighet i 20 % HCl ved 80 grader, 100 ppm Fe³⁺ (mm/år) | 0.1-0.5 | 0 |
| Korrosjonshastighet i 20 % HCl ved 80 grader, 500 ppm Fe³⁺ (mm/år) | 0.5-2.0 | 0 |
| Korrosjonshastighet i 20 % HCl ved 80 grader, 2000 ppm Fe³⁺ (mm/år) | 2,0–10,0 (rask) | 0 |
| Krav til overvåking av oksidasjonsmiddelkonsentrasjon | Kritisk | Ingen |
| Konsekvens av ekskursjon av oksidasjonsmiddel | Rask, potensielt katastrofal korrosjon | Ingen konsekvens |
Ekskursjonsscenarioet
Jernklorid kan komme inn i HCl på flere veier. Jernforurensning fra korroderende oppstrøms stålutstyr løses opp i syren og oksiderer til jernholdig tilstand. Jern-råmaterialer introduserer jern som løses opp og oksiderer. I noen prosesser er jernklorid et reaksjonsprodukt eller tilsettes med hensikt.
En Hastelloy B-3 varmeveksler som fungerer tilfredsstillende i "ren" HCl kan oppleve rask korrosjon hvis en jernforurensning øker jernionkonsentrasjonen over terskelen. Korrosjonen kan starte ved sveisesoner, hvor mikrostrukturen er forskjellig fra basismetallet, eller ved sprekker under pakninger eller avleiringer.
Skaden fra et enkelt oksidasjonsmiddel kan kreve utskifting av varmeveksleren. Ekskursjonen kan være kort og uoppdaget-det kan hende at syrefargen ikke endres synlig ved lave jernkonsentrasjoner. Den første indikasjonen på et problem kan være en lekkasje.
Overvåkings- og kontrollkravet
Hastelloy B-3 i HCl-tjeneste krever kontinuerlig eller hyppig overvåking av oksidasjonsmiddelkonsentrasjonen. Redokspotensialmåling gir en sann-tidsindikasjon på løsningens oksiderende karakter. Et stigende redokspotensial signaliserer en økende oksidasjonsmiddelkonsentrasjon og nærmer seg korrosjonsterskelen. Når redokspotensialet overstiger et settpunkt, må korrigerende tiltak-kjemisk tilsetning for å redusere oksidasjonsmidlet eller prosessjustering iverksettes.
Denne overvåkings- og kontrollinfrastrukturen legger til kostnad og kompleksitet til prosessen. Den introduserer også et prosessrisikopunkt: hvis overvåkingen mislykkes eller den korrigerende handlingen er forsinket, er varmeveksleren i fare.
PTFE eliminerer denne infrastrukturen og risikoen. Ingen oksidasjonsovervåking er nødvendig for korrosjonskontroll. Varmeveksleren fungerer trygt ved enhver jernkloridkonsentrasjon fra null til metning.
Sammendrag
PTFE-varmevekslere er ubetinget motstandsdyktige mot varm HCl som inneholder oppløst jernklorid ved alle oksidasjonsmiddelkonsentrasjoner, mens Hastelloy B-3-den fremste legeringen for ren HCl-lider akselerert korrosjon når jern-ionkonsentrasjonen overstiger 50-100 ppm. Oksydasjonsmidlet destabiliserer den molybdenrike passive filmen, og øker korrosjonshastigheten med 10-100×. PTFE eliminerer behovet for oksidasjonsovervåking og risikoen for katastrofal korrosjon fra en oksidasjonsekskursjon. I HCl-tjeneste der jernforurensning eller tilsiktet jernkloridtilsetning er tilstede, er PTFE materialvalget med lavere risiko.
Teknisk støtte for PTFE-varmevekslerspesifikasjoner i HCl-FeCl₃-tjenesten er tilgjengelig ved innsending av syrekonsentrasjon, jernionkonsentrasjon (normal og ekskursjon), driftstemperatur og gjeldende utstyrskorrosjonshistorikk.
