هیدرولیز اسیدی-خوردگی ناشی از کوارتز در محلولهای سولفات آهن
سولفات آهن (Fe2 (SO4)3) به طور گسترده در ترشی فلز (فولاد ضد زنگ و مس)، تصفیه آب (منعقد کننده برای حذف فسفات) و به عنوان یک اچ در تولید برد مدار چاپی استفاده می شود. غلظتهای صنعتی معمولی از 10 تا 20 درصد Fe2 (SO4)3 وزنی، با دمای عملیاتی 60 تا 90 درجه در مخازن ترشی و راکتورهای انعقاد متغیر است. محلول به دلیل هیدرولیز گسترده یون آهن به شدت اسیدی است: Fe3+ + H2O ⇌ FeOH2+ + H+. FeOH2⁺ + H2O ⇌ Fe(OH)2+ + H+; و بیشتر به Fe(OH)3. اثر خالص یک غلظت اسید سولفوریک آزاد معادل 0.05-0.2 M H2SO4 در 10-20٪ Fe2 (SO4)3 است. بخاری های غوطه وری کوارتز اغلب در خدمات سولفات آهن مورد استفاده قرار می گیرند زیرا سیلیس ذوب شده مقاومت عالی در برابر اسید سولفوریک رقیق ارائه می دهد. با این حال، سولفات آهن یک مکانیسم تخریب دوگانه را ارائه می دهد: خوردگی اسیدی یکنواخت از H2SO4 تولید شده و تشکیل رسوب از رسوب هیدروکسید آهن (Fe(OH)3). هیدروکسید آهن رسوب شده از نظر حرارتی عایق است و می تواند نقاط داغ ایجاد کند. علاوه بر این، یون آهن یک اکسید کننده است (مانند FeCl3 اما کمتر تهاجمی)، اما آنیون سولفات به کوارتز حمله نمی کند. این تجزیه و تحلیل کمیت می کند که چگونه غلظت Fe2 (SO4)3 (10-20٪)، دما (60-90 درجه)، و اسیدیته محلول بر خوردگی یکنواخت و تشکیل رسوب روی سیلیس ذوب شده تأثیر می گذارد.
سینتیک خوردگی سیلیس ذوب شده در محلول های سولفات آهن داغ
خوردگی کوارتز در سولفات آهن توسط اسید سولفوریک آزاد تولید شده از هیدرولیز آهن انجام می شود. در دمای 80 درجه در 15% Fe2 (SO4)3 (تقریباً 0.25 مولار Fe3+)، غلظت H2SO4 آزاد تقریباً 0.1-0.15 M (pH 0.8-1.0) است. در این اسیدیته، نرخ خوردگی یکنواخت کوارتز 0.0003-0.0006 میلی متر در ساعت است. در 90 درجه، سرعت به 0.0006-0.001 میلی متر در ساعت افزایش می یابد. در 60 درجه، سرعت 0.0001-0.0002 میلی متر در ساعت است. برای مقایسه، 0.1 M H2SO4 در 80 درجه کوارتز را در 0.0002-0.0004 میلی متر در ساعت خورده می کند. یون آهن به طور قابل توجهی حمله را فراتر از اثر اسید آزاد تسریع نمی کند. در 80 درجه، یک غلاف کوارتز 2.0 میلیمتری 0.0005 میلیمتر در ساعت × 4000 ساعت=2.0 میلیمتر از دست میدهد که تقریباً 4000 ساعت (5.5 ماه) عمر میکند. یک دیوار 2.5 میلی متری 5000 ساعت را فراهم می کند. یک دیوار 3.0 میلی متری 6000 ساعت را فراهم می کند. این طول عمر برای خدمات صنعتی مستمر با تعمیر و نگهداری سه ماهه تا نیمه{43}سالانه عملی است.
تشکیل رسوب از هیدروکسید فریک
واکنش هیدرولیز که اسید آزاد تولید می کند، هیدروکسید آهن را نیز تولید می کند، به ویژه در نزدیکی سطح کوارتز که در آن دما بالاترین: Fe³+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+. Fe(OH)3 یک رسوب ژلاتینی و قهوه ای مایل به قرمز{3}} است که به سطح کوارتز می چسبد. این رسوب عایق حرارتی است. یک لایه 0.1 میلی متری می تواند انتقال حرارت را 10-15٪ کاهش دهد. با ضخیم شدن رسوب، کوارتز زیر داغتر می شود و هیدرولیز و هر گونه خوردگی اسیدی زیرین را تسریع می کند. در موارد شدید، رسوب می تواند پاره شود و قطعات کوچک کوارتز را حمل کند. رسوب همچنین با عایق کاری سطح ضخامت موثر دیوار را کاهش می دهد. تمیز کردن منظم با اسید سولفوریک رقیق (5-10٪) رسوبات هیدروکسید آهن را بدون حمله به کوارتز حل می کند.
چگونه ضخامت دیوار عمر سرویس را تغییر می دهد
برای خوردگی اسیدی یکنواخت، عمر به صورت خطی با ضخامت دیواره مقیاس می شود. در 80 درجه، یک دیوار 2.0 میلی متری 4000 ساعت را فراهم می کند. یک دیوار 3.0 میلی متری 6000 ساعت را فراهم می کند. برای تنش حرارتی ناشی از رسوب، دیوارهای ضخیم تر مقاومت بیشتری در برابر ترک ایجاد می کنند اما از تشکیل رسوب جلوگیری نمی کنند. دیوار 2.5-3.0 میلی متری برای حمام هایی با بارش قابل توجه هیدروکسید آهن توصیه می شود.
جریمه حرارتی دیوارهای ضخیم تر
محلولهای سولفات فریک در 15% و 80 درجه رسانایی حرارتی تقریباً 0.55-0.60 W/(m·K) دارند. برای دیوار 1.5 میلی متری، R_cond=0.00109; برای یک دیوار 3.0 میلیمتری، R_cond=0.00217. با h=800 W/(m²·K)، U از 427 به 292 W/(m²·K) کاهش مییابد، کاهش 32 درصدی.
سناریو{0}}ماتریس انتخاب مبتنی بر سناریو
| سناریوی کاربردی و پارامترهای عملیاتی | ضخامت دیوار توصیه شده | دلیل اصلی |
|---|---|---|
| ترشی فلز (15٪ Fe2 (SO4)3، 80 درجه، مداوم، تمیز کردن هفتگی) | 2.0 - 2.5 میلیمتر، درجه استاندارد، شعله-جلیشده | نرخ خوردگی یکنواخت ~0.0005 میلی متر در ساعت. دیواره ضخیم تر حاشیه ایمنی را در برابر تنش حرارتی رسوب ایجاد می کند. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| منعقد کننده تصفیه آب (10% Fe2(SO4)3، 70 درجه، متناوب) | 2.0 میلی متر، همانطور که- کشیده شده است | دمای پایین تر و استفاده متناوب قابل قبول U ≈ 420 W/(m²·K). |
| ترشی در دمای بالا (90 درجه، 20% Fe2(SO4)₃) | 2.5 - 3.0 میلی متر | نرخ خوردگی بالاتر. دیوار ضخیم تر عمر را افزایش می دهد. |
اصلاحات طراحی تکمیلی:حفظ pH محلول پایین (افزودن H2SO4 آزاد) هیدرولیز آهن و تشکیل رسوب را سرکوب می کند. هم زدن خوب از ته نشین شدن ذرات جلوگیری می کند. تمیز کردن دوره ای با 10% H2SO4 رسوبات Fe(OH)3 را حل می کند. سطح صیقلی چسبندگی رسوب را کاهش می دهد.
