Coroziunea saramură cu clorură foarte acidă a cuarțului în clorură de magneziu fierbinte
Clorura de magneziu (MgCl₂) este o substanță chimică utilizată pe scară largă în fluidele de-degivrare (de-dezghețuri de drum și piste), controlul prafului pe drumurile neasfaltate, producția de magneziu metal (electroliza MgCl₂) și ca coagulant în producția de tofu. Concentrațiile industriale tipice variază de la 20-30% în greutate în soluție apoasă, cu temperaturi de funcționare de 80-110 grade în evaporatoare, dizolvatoare și celule electrolitice. Încălzitoarele cu imersie cu cuarț sunt uneori folosite în serviciul cu clorură de magneziu, deoarece silicea topită oferă o rezistență bună la majoritatea soluțiilor de sare. Cu toate acestea, clorura de magneziu concentrată la cald este semnificativ mai corozivă pentru cuarț decât sărurile neutre datorită hidrolizei extinse: Mg²⁺ + 2H₂O ⇌ Mg(OH)⁺ + H₃O⁺; Mg(OH)⁺ + H₂O⇌ Mg(OH)₂ + H⁺. O soluție de MgCl₂ 25% are un pH de aproximativ 4,5–5,5 la 25 de grade, dar la 100 de grade, echilibrul de hidroliză se deplasează spre dreapta și pH-ul poate scădea la 3,5–4,5. Acidul liber este acidul clorhidric (HCl) deoarece anionul este clorura. Astfel, MgCl₂ concentrat la cald atacă cuarțul prin același mecanism ca și HCI diluat: hidroliza legăturilor siloxanice promovată de protoni-, ionii de clorură accelerând atacul prin complexare. În plus, saramurele MgCl₂ sunt electroliți foarte concentrați care pot depune hidroxid de magneziu sau săruri bazice de clorură de magneziu pe suprafața cuarțului, provocând puncte fierbinți localizate. Această analiză cuantifică modul în care concentrația de MgCl₂ (20–30%), temperatura (80–110 grade) și aciditatea soluției afectează ratele uniforme de coroziune a silicei topite.
Cinetica de coroziune a silicei topite în clorură de magneziu fierbinte
Coroziunea cuarțului în MgCl₂ este determinată de HCl liber din hidroliza magneziului. La 95 de grade în 25% MgCl₂, concentrația de HCI liber este de aproximativ 0,01–0,05 M (pH 1,3–2,0). La această aciditate, viteza uniformă de coroziune a cuarțului este de 0,0003–0,0006 mm/oră. La 110 grade, viteza crește la 0,0006–0,0012 mm/oră. La 80 de grade, viteza este de 0,0002–0,0004 mm/oră. Pentru comparație, 0,05 M HCl la 95 de grade corodează cuarțul la 0,0004–0,0008 mm/oră. La 95 de grade , o înveliș de cuarț de 2,0 mm ar pierde 0,0005 mm/oră × 4.000 ore=2.0 mm, oferind o viață de aproximativ 4.000 de ore (5,5 luni). Un perete de 2,5 mm asigură 5.000 de ore; un perete de 3,0 mm asigură 6.000 de ore. Aceste durate de viață sunt practice pentru serviciul industrial continuu cu întreținere trimestrială până la -semianuală.
Prezența excesului de clorură (din MgCl₂) accelerează ușor atacul dincolo de HCI pur la același pH, deoarece ionii de clorură perturbă stratul de silice hidratat. Factorul de îmbunătățire este de 1,2–1,5× în comparație cu HCI pur.
Formarea de depozit din hidroxid de magneziu
Pe măsură ce soluția este încălzită, echilibrul de hidroliză produce Mg(OH)₂ (hidroxid de magneziu), care are o solubilitate foarte scăzută. Mg(OH)₂ precipită ca un depozit alb, gelatinos pe suprafața cuarțului. Acest depozit este izolator termic; un strat de 0,1 mm poate reduce transferul de căldură cu 10–15%. Pe măsură ce depozitul se îngroașă, cuarțul de dedesubt este mai fierbinte, accelerând atât hidroliza, cât și coroziunea acidă. În cazuri severe, depozitul se poate desprinde, purtând mici fragmente de cuarț. Curățarea regulată cu HCI diluat (5–10%) dizolvă depozitele de hidroxid de magneziu fără a ataca cuarțul.
Cum modifică grosimea peretelui durata de viață
Pentru coroziunea acidă uniformă, durata de viață crește liniar cu grosimea peretelui. La 95 de grade, un perete de 2,0 mm asigură 4.000 de ore; un perete de 3,0 mm asigură 6.000 de ore. Pentru stresul termic indus de depozit-, pereții mai groși oferă o rezistență mai mare la fisurare. Un perete de 2,5–3,0 mm este recomandat pentru service continuu.
Penalizare termică a pereților mai groși
Soluțiile de clorură de magneziu la 25% și 95 de grade au o conductivitate termică de aproximativ 0,55–0,60 W/(m·K)-similar cu apa. U scade de la 427 la 292 W/(m²·K) când crește de la 1,5 la 3,0 mm, o reducere de 32%.
Matrice de selecție bazată pe scenariu-pentru grosimea peretelui tecii de cuarț în serviciul MgCl₂ fierbinte
| Scenariul aplicației și parametrii de funcționare | Grosimea recomandată a peretelui | Rațiune de bază cu comerțul cuantificat-dezactivat |
|---|---|---|
| Producția de lichid de dezghețare (25% MgCl₂, 95 de grade, curățare continuă, săptămânală) | 2,0 – 2,5 mm, calitate standard, lustruit la flacără | Rata de coroziune a acidului ~0,0005 mm/oră. Perete mai gros pentru o viață de 5.000-ore. Polisul cu flacără reduce aderența depozitelor. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Preîncălzitor de alimentare cu electroliză cu magneziu (30% MgCl₂, 110 grade, continuu) | 2,5 – 3,0 mm | Temperatura și concentrația mai ridicate. Perete mai gros esențial. U ≈ 350 W/(m²·K). |
| MgCl₂ la{0}}scădere (80 de grade, 20%, intermitent) | 2,0 mm, așa cum este-desenat | Rată de coroziune mai mică. Acceptabil. U ≈ 420 W/(m²·K). |
Modificări complementare de proiectare:Adăugarea unei cantități mici de HCl în soluție (până la pH 2–3) suprimă precipitarea Mg(OH)₂, dar crește coroziunea acidă. Curățarea periodică cu 5% HCI dizolvă depozitele de hidroxid de magneziu. O bună agitare previne formarea de depozite localizate. O suprafață de cuarț lustruită reduce aderența depozitelor. Menținerea nivelului constant al lichidului previne cristalizarea meniscului.
