Para los ingenieros de procesos responsables de los calentadores eléctricos de inmersión en la producción de dióxido de titanio mediante el proceso de sulfato, las concentraciones de ácido sulfúrico del 15 al 25 % a temperaturas de 80 a 110 grados son comunes durante las etapas de digestión e hidrólisis. A veces se especifica una vaina de acero inoxidable 316 de 1,2 mm para reactores con espacio limitado-, pero la combinación de alta concentración, temperatura elevada y flujo de calor debido a la densidad de vatios crea condiciones de corrosión extremadamente agresivas. Bajo umbrales específicos, la corrosión general penetra la pared de 1,2 mm en un plazo de tres meses y requiere reemplazo trimestral. Este artículo identifica las combinaciones precisas de concentración-temperatura en las que una funda 316 de 1,2 mm alcanza un límite de vida útil de tres-meses.
Comportamiento de corrosión del 316 en ácido sulfúrico concentrado a altas temperaturas
En concentraciones de ácido sulfúrico del 15 al 25% a temperaturas superiores a 80 grados, el acero inoxidable 316 se encuentra en régimen de corrosión activa. Las tasas de corrosión no son pasivas sino activamente altas, oscilando entre 2 mm y 10 mm por año, dependiendo de la concentración y la temperatura exactas. El rango más agresivo es el de 18 a 22 % de ácido sulfúrico a 90 a 100 grados, donde las tasas pueden exceder los 15 mm por año. Para una funda de 1,2 mm, el espesor estructural mínimo para la contención de presión es de aproximadamente 0,4 mm. La penetración de la corrosión de 0,8 mm (de 1,2 mm a 0,4 mm) se produce en 3 meses con una velocidad de corrosión de 3,2 mm por año. El umbral de reemplazo de tres-meses se alcanza cuando la combinación de concentración de ácido y temperatura de la superficie de la vaina produce una tasa de corrosión de aproximadamente 3 a 5 mm por año.
Umbrales críticos para una vida útil de tres-meses
Según las pruebas de inmersión de 316 muestras en ácido sulfúrico en concentraciones y temperaturas relevantes para la producción de dióxido de titanio, las siguientes combinaciones producen una vida útil máxima de tres-meses para una pared de 1,2 mm.
| Concentración de ácido sulfúrico (% en peso) | Temperatura de la solución a granel | Temperatura de la superficie de la funda a 6 W/cm² (aumento de 12 grados) | Tasa de corrosión esperada a temperatura superficial | Tiempo para reducir de 1,2 mm a 0,4 mm | Vida útil hasta el reemplazo |
|---|---|---|---|---|---|
| 15% | 80 grados | 92 grados | 1,5 – 2,5 mm/año | 0,3 – 0,5 años | 4 – 6 meses |
| 15% | 85 grados | 97 grados | 2,5 – 4,0 mm/año | 0,2 – 0,3 años | 2,5 – 4 meses |
| 15% | 90 grados | 102 grados | 4,0 – 6,0 mm/año | 0,13 – 0,20 años | 1,5 – 2,5 meses |
| 18% | 75 grados | 87 grados | 2,0 – 3,0 mm/año | 0,27 – 0,40 años | 3 – 5 meses |
| 18% | 80 grados | 92 grados | 3,0 – 5,0 mm/año | 0,16 – 0,27 años | 2 – 3,5 meses |
| 18% | 85 grados | 97 grados | 5,0 – 8,0 mm/año | 0,10 – 0,16 años | 1,2 – 2 meses |
| 20% | 70 grados | 82 grados | 2,5 – 4,0 mm/año | 0,20 – 0,32 años | 2,5 – 4 meses |
| 20% | 75 grados | 87 grados | 4,0 – 6,0 mm/año | 0,13 – 0,20 años | 1,5 – 2,5 meses |
| 20% | 80 grados | 92 grados | 6,0 – 10,0 mm/año | 0,08 – 0,13 años | 1 – 1,5 meses |
| 22% | 65 grados | 77 grados | 3,0 – 5,0 mm/año | 0,16 – 0,27 años | 2 – 3,5 meses |
| 22% | 70 grados | 82 grados | 5,0 – 8,0 mm/año | 0,10 – 0,16 años | 1,2 – 2 meses |
| 22% | 75 grados | 87 grados | 8,0 – 12,0 mm/año | 0,07 – 0,10 años | 0,8 – 1,2 meses |
| 25% | 60 grados | 72 grados | 3,0 – 5,0 mm/año | 0,16 – 0,27 años | 2 – 3,5 meses |
| 25% | 65 grados | 77 grados | 5,0 – 8,0 mm/año | 0,10 – 0,16 años | 1,2 – 2 meses |
| 25% | 70 grados | 82 grados | 8,0 – 12,0 mm/año | 0,07 – 0,10 años | 0,8 – 1,2 meses |
Para un reactor de digestión de dióxido de titanio que utiliza ácido sulfúrico al 20 % a una temperatura total de 80 grados con una vaina de 1,2 mm a 6 W/cm², la superficie de la vaina alcanza aproximadamente 92 grados. La velocidad de corrosión esperada es de 6 a 10 mm por año, lo que reduce la pared de 1,2 mm a 0,4 mm en 1 a 1,5 meses. El reemplazo de tres-meses es optimista; la vida real puede ser de 1 a 2 meses.
Marco operativo seguro para un programa de reemplazo de tres-meses
La siguiente tabla proporciona la temperatura máxima segura de ácido sulfúrico a granel para una vaina 316 de 1,2 mm con varias densidades de vatios para lograr al menos tres meses de vida útil antes de que sea necesario reemplazar la reducción de la pared a 0,4 mm.
| Densidad de vatios (aumento de temperatura) | Temperatura máxima a granel para 15% H₂SO₄ | Temperatura máxima a granel para 18% H₂SO₄ | Temperatura máxima a granel para 20% H₂SO₄ | Temperatura aparente máxima para 22 % H₂SO₄ | Temperatura máxima a granel para 25% H₂SO₄ |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 W/cm² (aumento de 8 grados) | 86 grado | 80 grados | 76 grados | 72 grados | 66 grados |
| 6 W/cm² (aumento de 12 grados) | 82 grados | 76 grados | 72 grados | 68 grados | 62 grados |
| 8 W/cm² (aumento de 16 grados) | 78 grados | 72 grados | 68 grados | 64 grados | 58 grados |
| 10 W/cm² (aumento de 20 grados) | 74 grados | 68 grados | 64 grados | 60 grados | 54 grados |
Para un proceso de dióxido de titanio que utiliza ácido sulfúrico al 18 % a una temperatura total de 80 grados con 6 W/cm² (aumento de 12 grados, superficie de 92 grados), el límite máximo seguro es 76 grados. A 80 grados, el calentador excede el límite seguro y no se garantiza una vida útil de tres-meses. Incluso a 4 W/cm², el límite de volumen seguro es de 80 grados -marginales.
Modificaciones de diseño para extender la vida útil más allá de tres meses
Cuando las condiciones del proceso de dióxido de titanio requieren una vaina 316 de 1,2 mm y una vida útil de tres-meses es insuficiente, dos modificaciones pueden ayudar, pero se recomienda encarecidamente una mejora de la aleación. La primera modificación es reducir la densidad de vatios al mínimo absoluto maximizando la longitud calentada. Incluso a 4 W/cm², las tasas de corrosión en ácido sulfúrico al 18-20 % a 80 grados son de 2 a 4 mm por año, lo que limita la vida útil a 3 a 6 meses. La segunda modificación es utilizar un acero inoxidable dúplex como el 2205 o un acero inoxidable con alto contenido de silicio como la Aleación 20. La Aleación 20 mantiene tasas de corrosión por debajo de 0,5 mm por año en ácido sulfúrico al 20 % a 80 grados, lo que extiende la vida útil a 2 o 3 años. Para la producción de dióxido de titanio, el acero inoxidable 316 generalmente no es adecuado para calentadores de inmersión en las etapas de digestión e hidrólisis. Los ingenieros deben especificar vainas revestidas de aleación 20, aleación 825 o tantalio-para un servicio confiable. Al especificar calentadores para la producción de dióxido de titanio, proporcione siempre la concentración exacta de ácido, la temperatura total y el ciclo de trabajo esperado. Un fabricante que recomienda 316 para ácido sulfúrico al 20% a 80 grados sin discutir la corrosión rápida no está brindando una orientación responsable. El umbral de reemplazo de tres-meses es una vida predecible pero corta, y para la mayoría de las operaciones, el reemplazo trimestral es económicamente inaceptable. La actualización de aleaciones es la solución de ingeniería correcta.
