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钛管蒸发器在酸性溶液中的防腐防垢
来源:互联网 chen | 邸万山 辽宁石化职业技术学院
【分  类】 化工与理学
【关 键 词】 钝化、钛管蒸发器、酸性溶液、端电压、防腐蚀、防结垢
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  化工生产中,由于金属导热性好、热效率高。因此,常用金属管(如铜管、钛管等)通入导热油作为蒸发器蒸发溶剂,以节省能源,降低生产成本[1]。但是,在蒸发酸性溶液时,金属管蒸发器在高温、酸性溶液中容易被腐蚀形成“沙眼”,导致金属管蒸发器被击穿漏油,使金属管蒸发器报废影响生产,增加生产成本。同时,长时间蒸发会在蒸发器表面形成坚固的污垢。污垢导热性差,使蒸发器热效率降低。而且这种污垢坚硬难以处理,需要定期用蒸汽熏蒸后再机械敲打进行除垢,不仅使蒸发不能连续进行,而且影响蒸发器使用寿命[2]。为了防止金属管被腐蚀,目前常用的防腐蚀方法:一是保护缓蚀剂法(如用吸附膜型缓蚀剂、沉淀膜型缓蚀剂、氧化膜型缓蚀剂);二是电化学保护法,采用保护阴极法或牺牲阳极法[4]。这些方法虽然能够一定程度上起到防腐蚀作用,但防腐蚀效果不理想。同时不能防止结垢。

  本文采用阳极钝化法对钛管试件进行钝化。钝化处理后,在钛管试件表面形成致密钝化膜,阻止钛管试件与酸的反应。而且钛管试件钝化膜表面光滑,存在电离层阻碍污垢的形成。采用XRD进行膜层分析。结果表明,该钝化膜结构紧密,表面光滑。钝化膜与基体的结合力强,使金属的耐磨性、耐腐蚀性、抗热冲击及绝缘性能得到极大改善,能有效阻止金属钛与酸的反应以及污垢的形成。起到防腐蚀、防结垢的作用,实现溶液连续蒸发。

  1材料和方法

  1.1材料钛管:工业钛管蒸发器所用钛管。其余化学试剂均为国产分析纯试剂。

  1.2方法

  ①钛管试件的预处理:首先用280#、400#、600#水砂纸逐级打磨。然后用丙酮、无水乙醇冲洗、最后用蒸馏水超声清洗后干燥备用;

  ②低压直流电源:输出电压0-12V,输出电流0-60A;

  ③酸性硫酸铝试液:在硫酸铝溶液中加入不同量的硫酸调节试液的[H+]=1-4mol/L;

  ④钛管试件钝化处理:将低压直流电源正极与钛管试件(连接前准确称量质量)连接作为阳极,负极与不锈钢片连接作为阴极。将钛管试件、不锈钢片置于盛有酸性硫酸铝溶液的容器中构成闭合电路。电流表用于测量电路中电流,电压表用于测量钛管试件端电压。实验装置如图1。在不同的溶液酸度、温度、端电压和时间下对钛管试件进行钝化。通电后,电路中的电流由大逐渐变小,当电流无明显变化时表明钛管试件表面钝化完全。取出钛管试件冷却,洗涤干净、干燥后进行分析。

  图1钛管试件钝化电路图

  图1中 1.钛管试件;2.铂丝导线;3.容器;4.酸性硫酸铝溶液;5.电流表;6.低压直流电源;7.电路开关;8.电压表;9.不锈钢片;10.温度计

  ⑤钛管试件分析:用Rigaku D/ max-3C X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)仪和Link-ISIS 型X-射线能谱( energy dispersive X-ray anaiysis,EDX)分析膜层的成分和元素分布。ED300涡流测厚仪测量钝化膜的厚度。

  1.2实验方法

  1.2.1不同溶液的酸度下钝化钛管试件

  准确称取钛管试件95.0000g,按图1所示连接电路,保持钛管试件端电压2.0V、溶液温度140℃、通电时间为30小时。在不同溶液酸度下,钝化钛管试件。

  1.2.2不同溶液的温度下钝化钛管试件

  准确称取钛管试件95.0000g,按图1所示连接电路,保持钛管试件端电压2.0V、溶液酸度为[H+]=4mol/L、通电时间为30小时。在不同溶液温度下钝化钛管试件。

  1.2.3不同端电压下钝化钛管试件

  准确称取钛管试件95.0000g,按图1所示连接电路,保持溶液酸度为[H+]=4mol/L、溶液温度为140℃、通电时间为30小时。在不同端电压下钝化钛管试件。

  1.2.4不同时间钝化钛管试件

  准确称取钛管试件95.0000g,按图1所示连接电路,保持溶液酸度为[H+]=4mol/L、溶液温度为140℃、端电压2.0V。在不同时间通电下钝化钛管试件。

  2.结果与讨论

  2.1溶液的酸度对钛管试件钝化的影响

  通电前,在酸性硫酸铝试液中,钛管试件表面呈现带金属光泽的银白色。通电后,可以观察到银白色钛管试件表面的金属光泽逐渐消失,银白色表面逐渐呈灰白色。处理后的钛管试件表面形成了一层灰白色的钝化膜,部分地方的表面呈淬蓝色。用涡流测厚仪测得钝化膜的厚度。如图2所示,结果表明,随着溶液酸度的增加,钝化膜的厚度逐渐减小。当溶液[H+]≥4mol/L时,其钝化膜的厚度约为15μm。因此,在使用钛管蒸发器蒸发溶液时,溶液的酸度不宜过高,应控制在[H+]≤4mol/L。

  图2 钛管试件钝化膜厚度随溶液酸度变化情况

  2.2 溶液的温度对钛管试件钝化的影响

  用涡流测厚仪测得不同温度下形成钝化膜的厚度。如图3所示,结果表明,随着溶液温度的升高,钝化膜的厚度逐渐减小。当溶液温度高于150℃时,钝化膜厚度约为14μm。因此,在使用钛管蒸发器蒸发溶液时,溶液的温度不宜过高,应控制在150℃以下。

  图3 钛管试件钝化膜厚度随溶液温度变化情况

  2.3 端电压对钛管试件钝化的影响

  用涡流测厚仪测得不同端电压下形成钝化膜的厚度。如图4所示,结果表明,随着端电压的升高,钝化膜的厚度逐渐增加,而且钝化时间减少。当钝化膜的厚度达到28μm后增加缓慢。当端电压高于2.5V时溶液中的水分解加快。因此,在使用钛管蒸发器蒸发溶液时,端电压应控制在2.5V以下。

  图4 钛管钝化层厚度随端电压变化情况

  2.4 通电时间对钛管试件钝化的影响

  对钛管试件进行不同钝化时间后阳极产物的EDX能谱分析。如图5所示,由图可以看出,随着钝化时间的增加,阳极产物氧含量逐渐升高。能谱分析表明(表1),当钛管试件钝化前(图5a),能谱检测未见氧峰,表明钛管试件表面没有被氧化。当反应时间为10小时后(图5b),产物中氧钛的原子比已达到1:1,较未钝化前氧含量增高。当反应时间为30小时后(图5c),产物中氧钛的原子比已达到2:1,钛管试件被氧化完全。

  图5(a) 钛管试件钝化前X-射线衍射谱图

  图5(b) 钛管试件钝化10小时后X-射线衍射谱图

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