L’effet des impuretés oxydantes
L'acide sulfurique utilisé dans l'industrie est rarement pur. Il contient des ions métalliques dissous provenant de la corrosion des équipements en amont, de la chimie du procédé lui-même ou des matières premières. Le fer ferrique (Fe³⁺) et le cuivre cuivrique (Cu²⁺) sont les impuretés métalliques les plus courantes. Leur concentration dans l'acide varie de 10 ppm à plusieurs milliers de ppm selon le procédé.
Ces métaux dissous ne sont pas des spectateurs inertes. Ils sont électrochimiquement actifs. Les ions ferriques et cuivriques sont des oxydants-ils peuvent accepter des électrons et être réduits aux états ferreux (Fe²⁺) et cuivreux (Cu⁺). Ce pouvoir oxydant affecte le comportement à la corrosion des métaux dans l'acide.
Le zirconium 702 repose sur un film passif stable de ZrO₂ pour la résistance à la corrosion dans l'acide sulfurique. Les impuretés oxydantes influencent la stabilité de ce film-parfois de manière bénéfique, parfois de manière destructrice, selon la concentration et la température.
Le PTFE n'a pas de film passif. Sa résistance à la corrosion est indépendante du caractère oxydant ou réducteur du milieu. La présence ou l'absence d'impuretés métalliques dans l'acide n'a aucun effet sur l'inertie chimique du PTFE. La comparaison entre le zirconium et le PTFE dans cet environnement se fait entre un matériau dont la résistance à la corrosion dépend de la chimie des impuretés et un autre qui y est indifférent.
Le double effet des impuretés oxydantes sur le zirconium
Les ions métalliques oxydants présents dans l'acide sulfurique affectent la corrosion du zirconium de deux manières opposées en fonction de leur concentration.
À faibles concentrations (10-100 ppm), les ions ferriques et cuivriques sont bénéfiques. Ils élèvent le potentiel de corrosion du zirconium dans le domaine passif, renforçant ainsi le film de ZrO₂. Le zirconium dans l'acide sulfurique avec une trace d'ion ferrique est plus résistant à la corrosion- que le zirconium dans l'acide pur. Cet effet bénéfique est bien connu et est parfois délibérément utilisé en ajoutant du sulfate ferrique à l'acide sulfurique pour protéger les équipements en zirconium.
À des concentrations élevées (au-dessus d'environ 500-1 000 ppm, en fonction de la température et de la concentration d'acide), les mêmes ions oxydants deviennent nocifs. Le potentiel de corrosion élevé pousse le zirconium dans la région transpassive, où le film de ZrO₂ devient instable et se dissout. Il en résulte une corrosion accélérée, souvent localisée. La concentration seuil pour cette transition dépend de la température : à des températures plus élevées, le seuil est plus bas.
| Paramètre de corrosion | Zirconium 702 | PTFE |
|---|---|---|
| Mécanisme de protection contre la corrosion | Film passif ZrO₂ | Stabilité inhérente de la liaison C-F |
| Effet de Fe³⁺ à 10-100 ppm | Bénéfique (renforce le film passif) | Aucun effet |
| Effet du Fe³⁺ à 500-5 000 ppm | Préjudiciable (dissolution transpassive) | Aucun effet |
| Effet du Cu²⁺ | Semblable à Fe³⁺; le seuil varie | Aucun effet |
| Exigence de surveillance de la concentration d’impuretés | Critique (doit rester à portée passive) | Aucun |
| Conséquence de l'excursion des impuretés | Corrosion localisée rapide | Aucune conséquence |
Le scénario de l’excursion des impuretés
Les processus chimiques subissent des excursions d’impuretés. Une roue de pompe corrodée en amont libère une boule de fer. Un changement dans la qualité des matières premières introduit une teneur élevée en cuivre. L'échangeur de chaleur, conçu pour la plage normale d'impuretés, est exposé à des concentrations bien en dehors de cette plage.
Le zirconium fonctionnant dans le régime « sûr » à faible-impuretés peut être poussé vers une corrosion transpassive par une excursion de fer ferrique. Les dommages dus à la corrosion se produisent pendant l'excursion et peuvent continuer après le retour des niveaux d'impuretés à la normale si une attaque localisée a commencé. L'excursion peut passer inaperçue-il n'y a aucun changement visible dans la couleur de l'acide et la surveillance de la corrosion est souvent périodique plutôt que continue.
Le PTFE n'est pas affecté par l'excursion quelle que soit la concentration d'impuretés. Le taux de corrosion du matériau reste nul quelle que soit la chimie des impuretés. Cette indifférence offre une marge de sécurité précieuse dans les processus où les niveaux d'impuretés sont variables, mal surveillés ou sujets à des excursions occasionnelles.
Le fardeau de la surveillance et du contrôle
Le zirconium dans l'acide sulfurique nécessite une surveillance de la concentration d'impuretés oxydantes pour garantir qu'elle reste dans la plage de sécurité. Cette surveillance consomme des ressources de laboratoire et crée un point de contrôle du processus qui doit être géré. Si la concentration d'impuretés tend vers le seuil transpassif, une mesure corrective -dilution, ajustement chimique ou modification du processus-doit être prise.
Le PTFE élimine cette charge de surveillance et de contrôle. Aucune analyse d’impuretés n’est requise à des fins de contrôle de la corrosion. L'échangeur de chaleur fonctionne en toute sécurité à n'importe quelle concentration d'impuretés de zéro à saturation. Les ressources du laboratoire et de l'ingénierie des procédés dédiées à la gestion des impuretés peuvent être réorientées.
Résumé
Les échangeurs de chaleur en PTFE sont indifférents aux impuretés métalliques oxydantes présentes dans l'acide sulfurique, tandis que le zirconium 702 passe d'une protection passive à une corrosion transpassive accélérée à mesure que la concentration d'impuretés augmente au-dessus d'un seuil. Le PTFE élimine le besoin de surveillance et de contrôle des impuretés et offre une immunité aux excursions d'impuretés qui pourraient endommager les équipements en zirconium. Dans les processus où la pureté de l'acide sulfurique est variable ou mal contrôlée, le PTFE est le choix de matériau à moindre risque-.
Une assistance technique pour la sélection des matériaux dans le service d'acide sulfurique impur est disponible sur soumission de la concentration d'acide, des types d'impuretés et des plages de concentration, de la température de fonctionnement et des données actuelles de surveillance de la corrosion.
