Kyslá hydrolýza-poháňaná korózia kremeňa v roztokoch síranu železitého
Síran železitý (Fe₂(SO₄)₃) sa široko používa pri morení kovov (nehrdzavejúca oceľ a meď), úprave vody (koagulant na odstraňovanie fosfátov) a ako leptadlo pri výrobe dosiek plošných spojov. Typické priemyselné koncentrácie sa pohybujú od 10 do 20 % hmotnostných Fe2(SO4)3, s prevádzkovými teplotami 60 až 90 stupňov v moriacich nádržiach a koagulačných reaktoroch. Roztok je silne kyslý v dôsledku rozsiahlej hydrolýzy železitého iónu: Fe3+ + H2O ⇌ FeOH2+ + H+; FeOH2+ + H207Fe(OH)2+ + H+; a ďalej na Fe(OH)3. Čistým účinkom je koncentrácia voľnej kyseliny sírovej ekvivalentná 0,05–0,2 M H2SO4 pri 10–20 % Fe2(SO4)3. Kremenné ponorné ohrievače sa často používajú v prevádzke síranu železitého, pretože tavený oxid kremičitý ponúka vynikajúcu odolnosť voči zriedenej kyseline sírovej. Síran železitý však predstavuje dvojitý mechanizmus degradácie: rovnomernú kyslú koróziu z generovanej H2SO4 a tvorbu usadenín zo zrážania hydroxidom železitým (Fe(OH)3). Usadený hydroxid železitý je tepelne izolujúci a môže vytvárať horúce miesta. Okrem toho je železitý ión okysličovadlo (ako FeCl3, ale menej agresívny), ale síranový anión nenapáda kremeň. Táto analýza kvantifikuje, ako koncentrácia Fe2(SO4)3 (10–20 %), teplota (60–90 stupňov) a kyslosť roztoku ovplyvňujú rovnomernú koróziu a tvorbu usadenín na tavenej kremeni.
Kinetika korózie taveného oxidu kremičitého v horúcich roztokoch síranu železitého
Korózia kremeňa v sírane železitom je poháňaná voľnou kyselinou sírovou generovanou hydrolýzou železa. Pri 80 stupňoch v 15 % Fe2(SO4)3 (približne 0,25 M Fe3⁺) je koncentrácia voľnej H2S04 približne 0,1 – 0,15 M (pH 0,8 – 1,0). Pri tejto kyslosti je rovnomerná rýchlosť korózie kremeňa 0,0003–0,0006 mm/hod. Pri 90 stupňoch sa rýchlosť zvyšuje na 0,0006–0,001 mm/hod. Pri 60 stupňoch je rýchlosť 0,0001–0,0002 mm/hod. Pre porovnanie, 0,1 M H2SO4 pri 80 stupňoch koroduje kremeň rýchlosťou 0,0002 – 0,0004 mm/h. Železitý ión výrazne neurýchľuje napadnutie nad rámec účinku voľnej kyseliny. Pri 80 stupňoch stratí 2,0 mm kremenný plášť 0,0005 mm/h × 4 000 hodín=2.0 mm, čo dáva životnosť približne 4 000 hodín (5,5 mesiaca). 2,5 mm stena poskytuje 5 000 hodín; 3,0 mm stena poskytuje 6 000 hodín. Tieto životnosti sú praktické pre nepretržité priemyselné služby so štvrťročnou až polročnou{43}}údržbou.
Tvorba usadenín z hydroxidu železitého
Hydrolytická reakcia, pri ktorej vzniká voľná kyselina, tiež produkuje hydroxid železitý, najmä v blízkosti povrchu kremeňa, kde je najvyššia teplota: Fe3⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺. Fe(OH)₃ je želatínová, hnedasto-červená zrazenina, ktorá priľne k povrchu kremeňa. Tento nános je tepelne izolačný; 0,1 mm vrstva môže znížiť prenos tepla o 10–15 %. Keď sa usadenina zahusťuje, kremeň pod ním je teplejší, čo urýchľuje hydrolýzu a akúkoľvek koróziu pod ňou. V závažných prípadoch sa môže usadenina odlupovať a niesť malé úlomky kremeňa. Nános tiež znižuje efektívnu hrúbku steny izoláciou povrchu. Pravidelné čistenie zriedenou kyselinou sírovou (5–10 %) rozpúšťa usadeniny hydroxidu železitého bez napadnutia kremeňa.
Ako hrúbka steny mení životnosť
Pre rovnomernú kyslú koróziu sa životnosť lineárne mení s hrúbkou steny. Pri 80 stupňoch poskytuje 2,0 mm stena 4 000 hodín; 3,0 mm stena poskytuje 6 000 hodín. V prípade tepelného namáhania-vyvolaného usadeninami poskytujú hrubšie steny väčšiu odolnosť proti praskaniu, ale nezabraňujú tvorbe usadenín. Pre kúpele s výrazným zrážaním hydroxidu železitého sa odporúča 2,5–3,0 mm stena.
Tepelná penalizácia hrubších stien
Roztoky síranu železitého pri 15 % a 80 stupňoch majú tepelnú vodivosť približne 0,55–0,60 W/(m·K). Pre 1,5 mm stenu R_cond=0.00109; pre 3,0 mm stenu, R_cond=0.00217. S h=800 W/(m²·K), U klesá zo 427 na 292 W/(m²·K), čo predstavuje zníženie o 32 %.
Matica výberu{0}}založená na scenári
| Aplikačný scenár a prevádzkové parametre | Odporúčaná hrúbka steny | Základné zdôvodnenie |
|---|---|---|
| Morenie kovov (15 % Fe₂(SO₄)₃, 80 stupňov, nepretržité, týždenné čistenie) | 2,0 – 2,5 mm, štandardná trieda, leštená plameňom- | Rovnomerná rýchlosť korózie ~0,0005 mm/hod. Hrubšia stena poskytuje bezpečnostnú rezervu proti tepelnému namáhaniu usadenín. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Koagulant na úpravu vody (10 % Fe2(SO4)3, 70 stupňov, prerušovaný) | 2,0 mm, ako-nakreslený | Nižšia teplota a občasné používanie. Prijateľné. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| More{0}}pri vysokej teplote (90 stupňov, 20 % Fe₂(SO₄)₃) | 2,5 – 3,0 mm | Vyššia rýchlosť korózie. Hrubšia stena predlžuje životnosť. |
Doplnkové úpravy dizajnu:Udržiavanie nízkeho pH roztoku (pridávanie voľnej H2SO4) potláča hydrolýzu železa a tvorbu usadenín. Dobré premiešanie zabraňuje usadzovaniu častíc. Pravidelné čistenie 10% H₂SO₄ rozpúšťa usadeniny Fe(OH)₃. Leštený povrch znižuje priľnavosť usadenín.
