El efecto de la impureza oxidante
El ácido sulfúrico utilizado en servicios industriales rara vez es puro. Contiene iones metálicos disueltos procedentes de la corrosión de los equipos anteriores, de la propia química del proceso o de las materias primas. El hierro férrico (Fe³⁺) y el cobre cúprico (Cu²⁺) son las impurezas metálicas más comunes. Su concentración en el ácido oscila entre 10 ppm y varios miles de ppm, según el proceso.
Estos metales disueltos no son espectadores inertes. Son electroquímicamente activos. Los iones férricos y cúpricos son oxidantes-pueden aceptar electrones y reducirse a los estados ferroso (Fe²⁺) y cuproso (Cu⁺). Este poder oxidante afecta el comportamiento de corrosión de los metales en el ácido.
Zirconium 702 se basa en una película pasiva estable de ZrO₂ para resistir la corrosión en ácido sulfúrico. Las impurezas oxidantes influyen en la estabilidad de esta película-a veces de forma beneficiosa, a veces destructiva, dependiendo de la concentración y la temperatura.
El PTFE no tiene película pasiva. Su resistencia a la corrosión es independiente del carácter oxidante o reductor del ambiente. La presencia o ausencia de impurezas metálicas en el ácido no tiene ningún efecto sobre la inercia química del PTFE. La comparación entre el circonio y el PTFE en este entorno es entre un material cuya resistencia a la corrosión depende de la química de las impurezas y uno que le es indiferente.
El doble efecto de las impurezas oxidantes sobre el circonio
Los iones metálicos oxidantes del ácido sulfúrico afectan la corrosión del circonio de dos maneras opuestas dependiendo de su concentración.
En concentraciones bajas (10-100 ppm), los iones férricos y cúpricos son beneficiosos. Aumentan el potencial de corrosión del circonio al dominio pasivo, fortaleciendo la película de ZrO₂. El circonio en ácido sulfúrico con trazas de ion férrico es más resistente a la corrosión-que el circonio en ácido puro. Este efecto beneficioso es bien conocido y en ocasiones se utiliza deliberadamente: añadiendo sulfato férrico al ácido sulfúrico para proteger los equipos de circonio.
En concentraciones altas (por encima de aproximadamente 500-1000 ppm, dependiendo de la temperatura y la concentración de ácido), los mismos iones oxidantes se vuelven perjudiciales. El elevado potencial de corrosión lleva al circonio a la región transpasiva, donde la película de ZrO₂ se vuelve inestable y se disuelve. El resultado es una corrosión acelerada, a menudo localizada. El umbral de concentración para esta transición depende de la temperatura; a temperaturas más altas, el umbral es más bajo.
| Parámetro de corrosión | Circonio 702 | PTFE |
|---|---|---|
| Mecanismo de protección contra la corrosión | Película pasiva de ZrO₂ | Estabilidad inherente del enlace C-F |
| Efecto del Fe³⁺ a 10-100 ppm | Beneficioso (fortalece la película pasiva) | Sin efecto |
| Efecto del Fe³⁺ a 500-5000 ppm | Perjudicial (disolución transpasiva) | Sin efecto |
| Efecto del Cu²⁺ | Similar al Fe³⁺; el umbral varía | Sin efecto |
| Requisito de control de la concentración de impurezas | Crítico (debe permanecer en rango pasivo) | Ninguno |
| Consecuencia de la excursión de impurezas. | Corrosión localizada rápida | Sin consecuencias |
El escenario de la excursión a la impureza
Los procesos químicos experimentan excursiones de impurezas. Un impulsor de bomba corroído aguas arriba libera un trozo de hierro. Un cambio en la calidad de la materia prima introduce niveles elevados de cobre. El intercambiador de calor, diseñado para el rango normal de impurezas, está expuesto a concentraciones muy fuera de ese rango.
El circonio que opera en el régimen "seguro" de baja-impureza puede sufrir corrosión transpasiva mediante una excursión del hierro férrico. El daño por corrosión ocurre durante la excursión y puede continuar después de que los niveles de impureza vuelvan a la normalidad si se ha iniciado un ataque localizado. La excursión puede pasar desapercibida-no hay cambios visibles en el color del ácido y el monitoreo de la corrosión suele ser periódico en lugar de continuo.
El PTFE no se ve afectado por la excursión en ninguna concentración de impurezas. La tasa de corrosión del material permanece cero independientemente de la química de las impurezas. Esta indiferencia proporciona un margen de seguridad que es valioso en procesos donde los niveles de impureza son variables, están mal monitoreados o están sujetos a variaciones ocasionales.
La carga del seguimiento y el control
El circonio en ácido sulfúrico requiere un control de la concentración de impurezas oxidantes para garantizar que permanezca dentro del rango seguro. Este seguimiento consume recursos del laboratorio y crea un punto de control del proceso que debe gestionarse. Si la concentración de impurezas tiende hacia el umbral transpasivo, se deben tomar medidas correctivas-dilución, ajuste químico o modificación del proceso-.
El PTFE elimina esta carga de seguimiento y control. No se requiere análisis de impurezas para fines de control de la corrosión. El intercambiador de calor funciona de forma segura con cualquier concentración de impurezas desde cero hasta saturación. Se pueden redirigir los recursos de laboratorio y de ingeniería de procesos dedicados a la gestión de impurezas.
Resumen
Los intercambiadores de calor de PTFE son indiferentes a las impurezas metálicas oxidantes en el ácido sulfúrico, mientras que el circonio 702 pasa de una protección pasiva a una corrosión transpasiva acelerada a medida que la concentración de impurezas aumenta por encima de un umbral. El PTFE elimina la necesidad de monitoreo y control de impurezas y proporciona inmunidad a las variaciones de impurezas que podrían dañar los equipos de circonio. En procesos donde la pureza del ácido sulfúrico es variable o está mal controlada, el PTFE es la opción de material de menor-riesgo.
El soporte de ingeniería para la selección de materiales en el servicio de ácido sulfúrico impuro está disponible previa presentación de la concentración de ácido, los tipos de impurezas y los rangos de concentración, la temperatura de funcionamiento y los datos actuales de monitoreo de la corrosión.
