La corrosió de salmorra de clorur altament àcid del quars en clorur de magnesi calent
El clorur de magnesi (MgCl₂) és una substància química àmpliament utilitzada en fluids de-congelació (desglaç de carreteres i pistes-), control de pols a carreteres sense asfaltar, producció de magnesi de metall (electròlisi de MgCl₂) i com a coagulant en la producció de tofu. Les concentracions industrials típiques oscil·len entre el 20 i el 30% en pes en solució aquosa, amb temperatures de funcionament de 80 a 110 graus en evaporadors, dissolvents i cèl·lules electrolítiques. Els escalfadors d'immersió de quars s'utilitzen de vegades en el servei de clorur de magnesi perquè la sílice fosa ofereix una bona resistència a la majoria de les solucions de sal. Tanmateix, el clorur de magnesi concentrat en calent és significativament més corrosiu per al quars que les sals neutres a causa de la hidròlisi extensiva: Mg²⁺ + 2H₂O ⇌ Mg(OH)⁺ + H₃O⁺; Mg(OH)⁺ + H₂O ⇌ Mg(OH)₂ + H⁺. Una solució de MgCl₂ al 25% té un pH d'aproximadament 4,5–5,5 a 25 graus, però a 100 graus, l'equilibri d'hidròlisi es desplaça cap a la dreta i el pH pot baixar a 3,5–4,5. L'àcid lliure és àcid clorhídric (HCl) perquè l'anió és clorur. Així, el MgCl₂ concentrat en calent ataca el quars mitjançant el mateix mecanisme que l'HCl diluït: la hidròlisi dels enllaços de siloxà afavorida per protons-, amb els ions clorur que acceleren l'atac mitjançant la complexació. A més, les salmorres de MgCl₂ són electròlits altament concentrats que poden dipositar hidròxid de magnesi o sals bàsiques de clorur de magnesi a la superfície del quars, provocant punts calents localitzats. Aquesta anàlisi quantifica com la concentració de MgCl₂ (20-30%), la temperatura (80-110 graus) i l'acidesa de la solució afecten les taxes de corrosió uniformes de la sílice fosa.
Cinètica de corrosió de sílice fosa en clorur de magnesi calent
La corrosió del quars en MgCl₂ és impulsada per HCl lliure de la hidròlisi del magnesi. A 95 graus en un 25% de MgCl₂, la concentració d'HCl lliure és d'aproximadament 0,01–0,05 M (pH 1,3–2,0). Amb aquesta acidesa, la taxa de corrosió uniforme del quars és de 0,0003–0,0006 mm/hora. A 110 graus, la velocitat augmenta fins a 0,0006–0,0012 mm/hora. A 80 graus, la velocitat és de 0,0002–0,0004 mm/hora. Per comparació, 0,05 M HCl a 95 graus corroeix el quars a 0,0004–0,0008 mm/hora. A 95 graus, una funda de quars de 2,0 mm perdria 0,0005 mm/hora × 4.000 hores=2.0 mm, donant una vida útil d'aproximadament 4.000 hores (5,5 mesos). Una paret de 2,5 mm proporciona 5.000 hores; una paret de 3,0 mm proporciona 6.000 hores. Aquests períodes de vida útils són pràctics per al servei industrial continu amb manteniment trimestral o semestral{41}}.
La presència d'excés de clorur (de MgCl₂) accelera lleugerament l'atac més enllà de l'HCl pur al mateix pH perquè els ions de clorur pertorben la capa de sílice hidratada. El factor de millora és 1,2–1,5 × en comparació amb l'HCl pur.
Formació de dipòsits a partir d'hidròxid de magnesi
A mesura que s'escalfa la solució, l'equilibri d'hidròlisi produeix Mg(OH)₂ (hidròxid de magnesi), que té una solubilitat molt baixa. Mg(OH)₂ precipita com un dipòsit blanc i gelatinós a la superfície del quars. Aquest dipòsit és tèrmicament aïllant; una capa de 0,1 mm pot reduir la transferència de calor entre un 10 i un 15%. A mesura que el dipòsit s'espesseix, el quars que hi ha a sota s'escalfa, accelerant tant la hidròlisi com la corrosió àcida. En casos greus, el dipòsit pot esquinçar-se, portant petits fragments de quars. La neteja regular amb HCl diluït (5-10%) dissol els dipòsits d'hidròxid de magnesi sense atacar el quars.
Com el gruix de la paret modifica la vida útil
Per a una corrosió àcida uniforme, la vida s'escala linealment amb el gruix de la paret. A 95 graus, una paret de 2,0 mm proporciona 4.000 hores; una paret de 3,0 mm proporciona 6.000 hores. Per a l'estrès tèrmic induït per dipòsit-, les parets més gruixudes proporcionen una major resistència a l'esquerdament. Es recomana una paret de 2,5-3,0 mm per al servei continu.
Pena tèrmica de parets més gruixudes
Les solucions de clorur de magnesi al 25% i 95 graus tenen una conductivitat tèrmica d'aproximadament 0,55–0,60 W/(m·K)-similar a l'aigua. La U baixa de 427 a 292 W/(m²·K) quan augmenta d'1,5 a 3,0 mm, una reducció del 32%.
Matriu de selecció basada en l'escenari-per al gruix de la paret de la funda de quars al servei de MgCl₂ calent
| Escenari d'aplicació i paràmetres de funcionament | Gruix de paret recomanat | Justificació bàsica amb el comerç quantificat-desactivat |
|---|---|---|
| Producció de líquid de-congelant (25% MgCl₂, 95 graus, neteja contínua, setmanal) | 2,0 – 2,5 mm, grau estàndard, polit a la flama- | Taxa de corrosió àcida ~ 0,0005 mm/hora. Paret més gruixuda durant 5.000-hores de vida. El poliment amb flama redueix l'adhesió del dipòsit. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Preescalfador d'alimentació d'electròlisi de magnesi (30% MgCl₂, 110 graus, continu) | 2,5 – 3,0 mm | Major temperatura i concentració. Imprescindible paret més gruixuda. U ≈ 350 W/(m²·K). |
| MgCl₂ a -temperatura baixa (80 graus, 20%, intermitent) | 2,0 mm, tal com es dibuixa- | Menor taxa de corrosió. Acceptable. U ≈ 420 W/(m²·K). |
Modificacions complementàries del disseny:L'addició d'una petita quantitat de HCl a la solució (a pH 2-3) suprimeix la precipitació de Mg(OH)₂ però augmenta la corrosió àcida. La neteja periòdica amb HCl al 5% dissol els dipòsits d'hidròxid de magnesi. Una bona agitació evita l'acumulació de dipòsits localitzats. Una superfície de quars polida redueix l'adhesió del dipòsit. Mantenir un nivell de líquid constant evita la cristal·lització del menisc.
