Zašto je grijač od titana neprikladan za zagrijavanje fosforne kiseline na temperaturama iznad 120 stupnjeva unatoč svojim izvrsnim performansama na 80 stupnjeva?

Za procesnog inženjera koji specificira titanski uronjeni grijač za fosfornu kiselinu kao što je proizvodnja gnojiva, obrada metala ili prerada hrane, performanse titana Grade 2 značajno se mijenjaju između 80 stupnjeva i 120 stupnjeva. Titan pokazuje izvanrednu otpornost na koroziju u fosfornoj kiselini na 80 stupnjeva do 30–40% koncentracije i brzine korozije manje od 0,05 mm/godišnje. Ali u razrijeđenoj fosfornoj kiselini (10-20%) čak i na 120 stupnjeva brzina korozije se penje na 0,5-2,0 mm/godišnje - povećanje od 10 do 40 puta. Ovo brzo ubrzanje pripisuje se činjenici da zaštitni TiO2 pasivni premaz postaje topljiv u fosfornoj kiselini na povišenim temperaturama, posebno u prisutnosti fluoridnih nečistoća ili redukcijskih okolnosti. Poznavanje ove temperaturne granice omogućuje inženjeru da odabere alternativne materijale (tantal, cirkonij ili željezo s visokim sadržajem silicija) za rad s fosfornom kiselinom na visokim temperaturama.

Mehanizam korozije titana u vrućoj fosfornoj kiselini
Fosforna kiselina (H3PO4) je blaga kiselina koja ne -oksidira. Za razliku od sumporne ili klorovodične kiseline, ne stvara značajnu katodnu reakciju za održavanje titanovog pasivnog filma. Na temperaturama ispod 80 stupnjeva, topljivost TiO 2 u fosfornoj kiselini je niska pa je pasivni film stabilan. Iznad 100 stupnjeva topljivost se brzo povećava. Reakcija TiO₂ + 4H⁺ + 4H3PO₄ → Ti(HPO₄)₂·2H₂O + 2H₂O odvija se sve većom brzinom. Produkt korozije titan fosfata nije -zaštitni i obično se taloži kao talog, izlažući svježi metal neprekidnom napadu. Osim toga, komercijalna fosforna kiselina sadrži fluoridne nečistoće (iz fosfatne stijene) ili sulfatne nečistoće (iz mokro-proizvodnje) koje dodatno povećavaju stopu korozije titana kompleksiranjem titanovih iona i blokiranjem repasivacije.

Brzina korozije titana u fosfornoj kiselini ovisna o temperaturi – kvantifikacija
Koncentracija fosforne kiseline Temperatura (stupnjevi) Stopa korozije titana stupnja 2 (mm/godina) Prikladnost Preporučena alternativa
10% 80 0.02–0,05 Izvrsno Nije potrebno
10% 100 0.10-0.20 Marginalno pažljivo pratiti 10% 120 0.50-1.00 Loš tantal ili cirkonij
30% 80 0.03-0.08 Izvrsno Nije potrebno
30% 100 0.15 - 0.30 Marginalna nadogradnja stupnja 7 30% 120 0.80 - 2.00 Neprikladni tantal 50% 80 0.05 - 0.15 Prihvatljivi stupanj 7 preporučeno 50% 100 0.30 - 0.80 Loš tantal ili cirkonij
50% 120 2.00–5,00 Neprikladni tantal 85% (koncentrirani) 80 0.10–0,30 Potreban granični stupanj 7 85% 100 1.00–3,00 Neprikladni tantal ili grafit
Vodič-temeljen na scenariju za odabir grijača fosforne kiseline
Primjena i uvjeti uporabe Prikladnost titana Preporučeni materijal Očekivani vijek trajanja s ocjenom 2 (ako se koristi)
Skladištenje fosforne kiseline (ambijentalna, 25 stupnjeva) Titan izvrstan stupanj 2 20+ godina
Fosforna kiselina, razrijeđena 10% (70 stupnjeva) Titanij 2. stupnja Izvrsno 15-20 godina
Razrijeđena fosforna kiselina (10 %, 100 stupnjeva) Marginalni stupanj 7 titan ili debljina stijenke 1,5 mm 3-5 godina Razred 2 s godišnjim pregledom
Razrijeđena fosforna kiselina (10%, 120 stupnjeva) Neprikladno Tantal ili cirkonij < 1 godine (2. stupanj)
Fosforna kiselina mokrim postupkom (30%, 80 stupnjeva, fluoridi) Loš cirkonij ili grafit < 2 godine (2. stupanj)
Fosforna kiselina (85%, 80 stupnjeva) Koncentrirana granična razina 7 titan ili tantal 2-4 godine (razred 2)
Fosforna kiselina s oksidirajućim nečistoćama (Fe3+, HNO3) OK do 100 stupnjeva Titan oksidansi stupnja 2 stabiliziraju pasivni film, povećavaju domet
Fosforna kiselina koja sadrži reducirajuće nečistoće (H2, sulfidi) Nije prikladna iznad 60 stupnjeva Cirkonij ili tantal Napad se ubrzava u nižim okolnostima
Inženjerska sredstva za ublažavanje fosforne kiseline umjerene temperature (90-110 stupnjeva)
Za radnu temperaturu u graničnom području (90–110 stupnjeva ) i kada zamjena grijača tantalom nije praktična, postoje mnoga ublažavanja koja mogu produljiti vijek trajanja titana Grade 2. Najbolji način da se to spriječi je dodavanje oksidansa fosfornoj kiselini (100–200 ppm Fe3+ ili 50 ppm vodikovog peroksida). Oksidatori potiču potencijal korozije u pasivno područje i drastično smanjuju stope korozije-za faktor od 5 do 10 na 100 stupnjeva. Drugo ublažavanje je nadogradnja na titan stupnja 7 (Ti-0,15% Pd). Uključivanje paladija pomiče potencijal korozije na plemenitije vrijednosti i stupanj 7 može se koristiti na 120 stupnjeva u 30% fosfornoj kiselini s stopama korozije manjim od 0,1 mm/godišnje. Treće ublažavanje je smanjenje sadržaja fosforne kiseline. Brzina korozije na 100 stupnjeva smanjuje se za 50-70% sa smanjenjem koncentracije radne kiseline sa 30% na 20%.

Zaključak Titan nije prikladan za fosfornu kiselinu na 120 stupnjeva i više
Titan stupnja 2 nije prikladan za zagrijavanje fosforne kiseline iznad 120 stupnjeva, čak ni pri niskim koncentracijama (10-20%). Titan će korodirati brzinama ispod 0,08 mm godišnje pri koncentraciji fosforne kiseline do 50% na 80 stupnjeva. Topivost TiO2 u vrućoj fosfornoj kiselini raste eksponencijalno s temperaturom. Na primjer, identičan materijal na 120 stupnjeva korodira brzinom od 0,5 do 2,0 mm godišnje, što je povećanje od 10 do 40 puta. Za primjene koje zahtijevaju zagrijavanje fosforne kiseline iznad 100 stupnjeva, titan stupnja 7 (legiran paladijem) proširuje korisni raspon na 110-120 stupnjeva. Potrebni su grijači od tantala ili cirkonija iznad 120 stupnjeva. Za uslugu fosforne kiseline iznad 80 stupnjeva, dobavljač treba dobiti podatke o specifičnoj koncentraciji kiseline, maksimalnoj temperaturi i prisutnosti fluorida ili oksidirajućih kontaminanata kako bi se omogućio pravilan izbor materijala i izbjegao rani kvar.