استفاده از مخازن مقاوم در برابر خوردگی اسید نیتریک

مقدمه

اسید نیتریک (HNO3) یک اسید معدنی بسیار خورنده است که به طور گسترده در صنایعی از تولید کود گرفته تا ساخت مواد منفجره استفاده می شود. با این حال ذخیره کردن این ماده شیمیایی مهاجم چالش های بزرگی به همراه دارد. مخازن معمولی ساخته شده از فلزات رایج می توانند به سرعت دچار خوردگی شوند و منجر به نشتی، آلودگی یا خرابی های خطرناک گردند. مخازن مقاوم در برابر خوردگی اسید نیتریک نقشی حیاتی در نگهداری ایمن و استفاده از این اسید ایفا می کند. این مخازن ویژه با مواد و ویژگی هایی طراحی شده اند که بتوانند خاصیت اکسیدکنندگی شدید اسید نیتریک را تحمل کنند. در این مرور جامع به این می پردازیم که چرا مقاومت در برابر خوردگی ضروری است، چه موادی برای مخزن اسید نیتریک مناسب اند و بهترین رویه ها برای اطمینان از ذخیره سازی ایمن و بلندمدت اسید نیتریک بدون خطرات زیست محیطی یا ایمنی کدام اند.

شناخت اسید نیتریک و ماهیت خورنده آن

اسید نیتریک یک عامل اکسیدکننده‌ ی بسیار قوی است که به طور تهاجمی به بیشتر مواد حمله می‌ کند. در حالت خالص، بی‌ رنگ است اما معمولاً به دلیل حل شدن گاز دی‌ اکسید نیتروژن حاصل از تجزیه در آن، به رنگ زرد یا قرمز دیده می‌ شود. خوردندگی این اسید به غلظت و دمای آن بستگی دارد؛ اسید نیتریک رقیق به‌ راحتی با بسیاری از فلزات واکنش داده و ضمن آزاد کردن دودهای سمی قهوه‌ ای‌رنگ (NOx)، باعث زنگ‌ زدگی سریع یا ایجاد خوردگی حفره‌ ای می‌ شود. در مقابل، اسید نیتریک غلیظ (بالاتر از حدود ۹۰٪) اثری اکسیدکننده دارد که می‌ تواند روی برخی فلزات مانند آلومینیوم یا فولاد زنگ‌ نزن یک لایه‌ ی اکسید محافظ ایجاد کند (پدیده‌ ای که غیرفعال‌ سازی نام دارد). با وجود این حتی اسید نیتریک قوی نیز در بلندمدت مواد نامناسب را می‌ خورد و بخارات آن می‌ تواند به سازه‌ ها و تجهیزات مجاور آسیب برساند. از این رو در فرآیندهای صنعتی و خرید اسید نیتریک صادراتی فله، انتخاب جنس مناسب برای مخازن و ظروف نگهداری اهمیت ویژه‌ ای دارد تا در شرایط غلظت و دمای مورد انتظار، مقاومت کافی در برابر خوردگی تضمین شود و خطر نشت یا آلودگی محیط کاهش یابد.

کاربردهای صنعتی رایج اسید نیتریک

اسید نیتریک یک ماده شیمیایی پایه با کاربردهای متنوع در صنایع است. بارزترین استفاده آن در تولید کودهای شیمیایی است؛ جایی که اسید نیتریک را با آمونیاک خنثی می کنند تا نیترات آمونیوم، یک کود نیتروژن دار کلیدی، حاصل شود. همچنین این اسید نقش اساسی در ساخت مواد منفجره ای مانند TNT و نیتروگلیسیرین دارد که بر ضرورت نگهداری ایمن آن تأکید می کند. در فلزکاری، اسید نیتریک برای اسیدشویی و تمیزکاری فلزات (اغلب همراه با دیگر اسیدها) به کار می رود تا اکسیدها و لایه های پوسته ای را حذف کند. تولید رنگ ها و رنگدانه ها نیز از نیتراسیون با HNO3 برای افزودن گروه های نیترو به ترکیبات آروماتیک بهره می گیرد. در سنتز دارویی هم اسید نیتریک گاه به عنوان معرف در تولید واسطه های مهم دارویی نقش دارد. حتی در صنایع هوافضا و دفاع، از اسید نیتریک بسیار غلیظ به عنوان اکسیدکننده سوخت موشک استفاده می شود. افزون بر این، محلول های اسید نیتریک در شست و شوی تجهیزات صنعتی سیستم های CIP برای حل کردن رسوبات معدنی به کار می روند. تمامی این کاربردهای گسترده باعث می شود تأسیسات صنعتی غالباً به مخازن مخصوص در محل برای ذخیره مقادیر قابل توجهی اسید نیتریک نیاز داشته باشند که اهمیت طراحی صحیح مخزن و انتخاب جنس مناسب را دوچندان می کند.

اهمیت مخازن ذخیره سازی مقاوم در برابر خوردگی

با توجه به خطرات بالای اسید نیتریک، استفاده از مخازن مقاوم در برابر خوردگی هم از نظر ایمنی و هم از نظر اقتصادی ضروری است، زیرا خرابی یک مخزن می‌تواند منجر به نشت فاجعه‌ بار اسید، انتشار دودهای سمی و آسیب‌ های جدی زیست‌ محیطی و انسانی شود. رعایت نشانه‌ گذاری استاندارد برای مخازن اسید نیتریک نیز نقش مهمی در افزایش ایمنی، شناسایی سریع محتویات و مدیریت شرایط اضطراری دارد، چرا که این برچسب‌ ها هشدارهای لازم درباره خورندگی و سمیت را به وضوح نمایش می‌ دهند. انتخاب جنس مناسب و مقاوم، علاوه بر جلوگیری از واکنش‌ های ناخواسته میان اسید و بدنه مخزن، از ورود ناخالصی‌ ها به محصول جلوگیری کرده و کیفیت اسید را در کاربردهای صنعتی حفظ می‌ کند. در نتیجه، استفاده از چنین مخازنی ضمن کاهش احتمال نشت و توقف‌ های ناگهانی فرآیند، موجب صرفه‌ جویی در هزینه‌ های نگهداری و افزایش طول عمر تجهیزات می‌ شود.

انتخاب مواد مناسب برای مخازن اسید نیتریک

انتخاب جنس مناسب مهم ترین عامل در طراحی یک مخزن اسید نیتریک است. ماده انتخاب شده باید هنگام تماس با HNO3 در محدوده غلظت و دمای موردنظر پایدار بماند. عوامل کلیدی شامل سازگاری شیمیایی، استحکام مکانیکی و هزینه هستند. برای مثال برخی پلاستیک ها در برابر اسید نیتریک مقاوم اند اما ممکن است استحکام سازه ای لازم برای حجم های بسیار زیاد را نداشته باشند. بعضی فلزات استحکام بالایی دارند اما در معرض اسید دچار خوردگی می شوند مگر اینکه اسید به قدری غلیظ باشد که اثر غیرفعال کنندگی ایجاد شود. مهندسان اغلب برای انتخاب جنس مناسب از جداول مقاومت شیمیایی و تجربیات گذشته استفاده می کنند. موادی که معمولاً در ساخت مخازن اسید نیتریک به کار می روند عبارتند از فولادهای زنگ نزن ویژه، پوشش های فلوئوروپلیمری، پلاستیک های سخت مانند پلی اتیلن و مواد کامپوزیتی. گاهی ترکیبی از مواد به کار گرفته می شود برای نمونه، یک مخزن فولادی با پوشش داخلی مقاوم در برابر خوردگی. انتخاب جنس صحیح یک موازنه دقیق است: باید بدون تخریب در برابر اسید مقاومت کند، استحکام و شکل مخزن را زیر بار حفظ نماید، نیازهای دمایی و فشاری را برآورده کند و از نظر هزینه نیز مقرون به صرفه و در دسترس باشد.

مخازن فولاد زنگ نزن برای ذخیره اسید نیتریک

فولاد زنگ نزن به دلیل استحکام و مقاومت خوردگی گزینه ای رایج برای مخازن ذخیره سازی اسید نیتریک است. ویژگی منحصر به فرد اسید نیتریک این است که خاصیت اکسیدکنندگی آن در واقع از برخی گریدهای استیل محافظت می کند. فولاد نوع 304L می تواند در گستره ای وسیع از غلظت ها (تا حدود 90 تا 95٪) استفاده شود زیرا اسید نیتریک یک لایه اکسید کروم روی سطح فولاد تشکیل می دهد که از خوردگی بیشتر جلوگیری می کند. در حقیقت 304L در اسید نیتریک خالص اغلب عملکرد بهتری نسبت به 316L دارد؛ مولیبدن موجود در 316 می تواند فازهایی ایجاد کند که مورد حمله اسید نیتریک قرار می گیرند. برای اسید نیتریک با غلظت بسیار بالا (بیش از ~95٪ یا اسید دودزا) گاهی از آلیاژهای آلومینیوم یا فولادهای زنگ نزن حاوی سیلیسیم بالا استفاده می شود چون در اسید بسیار قوی در دمای اتاق مقاوم هستند. به طور کلی مخازن فولاد زنگ نزن دوام بالایی دارند، می توانند حجم های زیادی را تحمل کنند و با اسید نسبتاً قوی سازگارند. لازم است تکنیک های جوشکاری مناسبی به کار گرفته شود (مثلاً استفاده از گریدهای کم کربن یا پایدار شده تا از خوردگی مناطق جوش جلوگیری گردد) و هرچند هزینه اولیه این مخازن بالاتر است، یک مخزن فولاد زنگ نزن ساخته شده با کیفیت، عمر طولانی خواهد داشت و می تواند اسید نیتریک را به شکل ایمن در محدوده غلظت و دمای مجاز خود نگه دارد.

مخازن پلاستیکی و پلی اتیلنی اسید نیتریک

مواد ترموپلاستیک مانند پلی اتیلن گزینه ای مقرون به صرفه و ضد خوردگی برای ذخیره اسید نیتریک هستند، به ویژه در غلظت های پایین تر. مخازن پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و پلی اتیلن کراس لینک (XLPE) معمولاً برای اسیدهایی تا حدود 50٪ استفاده می شوند. پلاستیک ها زنگ نمی زنند یا خورده نمی شوند و می توانند در برابر اسید نیتریک بدون واکنش مقاومت کنند. این مخازن سبک هستند و اغلب به صورت یکپارچه و بدون درز قالب گیری دورانی می شوند که احتمال نشت از اتصالات را از بین می برد. با این حال مخازن پلاستیکی محدودیت هایی دارند. این مخازن معمولاً فقط برای حجم های کوچک تا متوسط مناسب اند چون برای حجم های بسیار بزرگ باید دیواره ها بسیار ضخیم ساخته شوند و با این وجود همچنان خطر شکست مکانیکی وجود دارد. همچنین تحمل دمایی پلاستیک محدود است، مخازن پلاستیکی عموماً در دمای محیط به کار می روند (معمولاً زیر حدود ۵۰ درجه سانتی گراد) زیرا گرما می تواند باعث نرم شدن ماده و تسریع تجزیه شیمیایی آن شود. علاوه بر این پلاستیک ها ممکن است تحت تنش یا ضربه ترک بردارند و نور فرابنفش می تواند برخی از پلاستیک ها را تجزیه کند البته افزودن پایدارکننده UV و رنگ آمیزی سطح بیرونی به افزایش دوام کمک می کند. در مجموع مخازن پلی اتیلنی راه حلی مقرون به صرفه و مقاوم در برابر خوردگی برای ذخیره اسید نیتریک رقیق محسوب می شوند اما برای اسید بسیار غلیظ یا شرایط دمایی بالا توصیه نمی گردند.

مخازن فایبرگلاس (FRP) و کامپوزیتی

مخازن ساخته شده از پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه (FRP) مقاومت شیمیایی را با استحکام ساختاری بیشتر ترکیب می کنند و برای بسیاری از موارد ذخیره سازی اسید نیتریک مناسب اند. FRP یک ماده کامپوزیت شامل یک رزین پلیمری (مانند وینیل استر یا اپوکسی) است که با الیاف شیشه تقویت شده است. رزین را می توان طوری فرموله کرد که در برابر مواد خورنده ای مثل اسید نیتریک مقاوم باشد. مخزن FRP اغلب دارای یک لایه داخلی محافظ در برابر خوردگی است که مستقیماً با اسید تماس دارد؛ این لایه گاهی از یک رزین خاص یا حتی یک آستر نازک ترموپلاستیک ساخته می شود و پشت آن لایه های سازه ای فایبرگلاس برای استحکام قرار می گیرند. مخازن FRP به صورت سفارشی در اندازه ها و شکل های گوناگون ساخته می شوند و عموماً برای غلظت های متوسط اسید نیتریک مناسب هستند (برای مثال یک رزین وینیل استر مناسب اجازه می دهد اسید ۵۰ تا ۷۰٪ بدون مشکل ذخیره شود).FRP همچنین نسبت به مخازن پلی اتیلنی معمولی، بازه دمایی گسترده تری را تحمل می کند، هرچند دماهای خیلی بالا ممکن است نیاز به رزین های ویژه داشته باشد. از مزایای مخازن FRP می توان وزن کمتر نسبت به فلز، مقاومت خوردگی خوب در صورت انتخاب رزین مناسب و امکان تعبیه اتصالات و نازل ها در زمان ساخت را نام برد. از سوی دیگر، این مخازن باید به درستی مهندسی شوند تا دچار شکست ترد یا جداشدگی لایه ها نشوند، ضمن اینکه رزین ممکن است در برابر برخی مواد شیمیایی یا تابش UV طولانی مدت آسیب ببیند. با این وجود اگر طراحی و ساخت به شکل صحیح انجام شود، مخازن FRP یک انتخاب مطمئن برای نگهداری اسید نیتریک است.

آسترها و پوشش های ویژه مخازن

رویکرد دیگری برای دستیابی به مقاومت خوردگی، استفاده از آستر یا پوشش در داخل یک مخزن فلزی معمولی است. در این روش، یک مخزن فولادی کربنی (که استحکام و هزینه پایین را فراهم می کند) از داخل با یک سد مقاوم در برابر خوردگی اندود می شود. آستر می تواند از جنس لاستیک یا ورق/پوشش های فلوئوروپلیمری باشد. برای مثال، سال هاست که برای حفاظت فولاد در برابر موادی مثل HNO3 از آستر لاستیکی استفاده می شود. لاستیک به عنوان یک مانع خنثی عمل می کند که اسید نیتریک نمی تواند به راحتی آن را نفوذ کند، در حالی که پوسته فولادی پشتیبان مقاومت مکانیکی را فراهم می کند. ترکیبات پیشرفته تر لاستیک می توانند حتی در برابر اسید نیتریک غلیظ مقاومت کنند، اگرچه خاصیت اکسیدکنندگی اسید به این معنی است که همه انواع لاستیک در برابر آن پایدار نیستند (مثلاً لاستیک طبیعی و برخی انواع نئوپرن ممکن است تخریب شوند). آسترهای ترموپلاستیکی از موادی مانند PVDF یا PTFE (تفلون) نیز استفاده می شوند که مقاومت شیمیایی عالی پلاستیک را با استحکام فولاد ترکیب می کنند. علاوه بر این برخی مخازن از لعاب شیشه استفاده می کنند، لایه ای از شیشه که روی سطح داخلی فولاد لعاب داده می شود که در برابر تقریباً تمام اسیدها مقاومت خوردگی کاملی دارد. ساخت مخازن اندود شده باید با دقت انجام شود تا آستر به خوبی به سطح بچسبد و عاری از هرگونه عیب باقی بماند. با نگهداری صحیح، پوشش ها را می توان در صورت لزوم ترمیم یا جایگزین کرد و به این ترتیب عمر مفید مخزن عملاً نامحدود می شود و اطمینان حاصل می گردد که اسید نیتریک تنها با سطوح خنثی تماس دارد.

طراحی صحیح مخزن و ویژگی ها

علاوه بر جنس مخزن، طراحی مناسب آن نیز به ذخیره سازی ایمن اسید نیتریک کمک می کند. یکی از نکات کلیدی، تهویه است: اسید نیتریک با گرم شدن یا تلاطم، گاز دی اکسید نیتروژن آزاد می کند. مخزن باید مجهز به سیستم تهویه (ونت) باشد و ترجیحاً اسکرابر نیز داشته باشد تا فشار اضافی را رها کرده و بخارات سمی را خنثی کند. هنگام پر یا تخلیه کردن اسید، طراحی باید جلوی ایجاد خلأ یا فشار درون مخزن را بگیرد که می تواند به آن آسیب بزند این کار معمولاً با استفاده از دریچه های اطمینان فشار/خلأ انجام می شود. اندازه و شکل مخزن با توجه به میزان ذخیره سازی تعیین می گردد اما باید فضای بالایی (فضای خالی در قسمت بالای مایع) را برای انبساط ناشی از افزایش دما در نظر گرفت. اتصالات (لوله ها، شیرآلات، گیج ها) روی مخزن اسید نیتریک باید از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته شوند مثلاً استفاده از تفلون، PVDF یا آلیاژهای ضد اسید برای شیرآلات و واشرها، زیرا حتی پیچ های استیل اگر از گرید مناسب نباشند ممکن است آسیب ببینند. ملاحظه ایمنی دیگر، ایجاد مهار ثانویه است: معمولاً با ساخت یک حوضچه بتنی با پوشش ضد اسید پیرامون مخزن یا بهره گیری از مخازن دوجداره، اسید در صورت نشتی مهار می شود. علاوه بر آن وجود آژیر یا نشانگر سطح می تواند از سرریز شدن جلوگیری کند. در نهایت، طراحی مخزن باید طبق استانداردهای مهندسی و مقررات محلی مانند ASME برای فشار یا قوانین محیط زیست انجام پذیرد تا اطمینان حاصل شود که مخزن در تمامی شرایط پیش بینی شده به شکل ایمن عمل می کند.

نگهداری اسید نیتریک رقیق در مقابل غلیظ

غلظت اسید نیتریک تأثیر چشمگیری بر نحوه ذخیره آن دارد. اسید نیتریک رقیق (مثلاً زیر ۳۰٪) برای بسیاری از فلزات در واقع خورنده تر از اسید بسیار غلیظ است. در غلظت های پایین، اسید نیتریک صرفاً به شکل یک اسید قوی عمل می کند بدون آنکه توان اکسیدکنندگی لازم برای تشکیل لایه های محافظ روی سطح فلز را داشته باشد. نتیجه اینکه موادی مانند فولاد زنگ نزن معمولی یا آلومینیوم در اسید رقیق به سرعت خورده شده و آسیب می بینند، از این رو این اسیدها اغلب در مخازن پلاستیکی یا FRP نگهداری می شوند. در مقابل، اسید نیتریک غلیظ (معمولاً غلظت صنعتی ۶۸٪ تا اسید دودزای ۹۸٪) یک اکسیدکننده بسیار قوی است. در غلظت های بالا، این اسید به محض تماس بیشتر فلزات را به سرعت اکسید می کند، اما همین اکسایش یک لایه اکسیدی چسبنده تشکیل می دهد که ادامه خوردگی را کند می سازد. به همین دلیل می توان اسید نیتریک ۹۸٪ را در ظروف آلومینیومی حمل یا در بعضی فولادهای زنگ نزن ذخیره کرد واکنش اولیه یک لایه غیرفعال ایجاد می کند. البته اگر اسید ناخالص باشد یا دما بیش از حد بالا رود این حالت محافظت آمیز از بین می رود. اسید نیتریک دودزا (تقریباً بدون آب) باید همیشه در ظروف دارای ونت نگهداری شود تا از تجمع فشار ناشی از گازهای آزادشده جلوگیری گردد. چه با اسید رقیق کار شود چه اسید غلیظ ضروری است راهنمای های سازگاری مواد برای همان محدوده غلظت رعایت گردد تا جنس مخزن و طراحی آن مناسب با آن غلظت انتخاب شوند.

ملاحظات دما و فشار

کنترل دما در ذخیره سازی اسید نیتریک اهمیت زیادی دارد، زیرا دمای بالاتر نرخ خوردگی را افزایش داده و می تواند به مواد مخزن آسیب برساند. بسیاری از موادی که در دمای اتاق در برابر اسید نیتریک مقاوم اند ممکن است در صورت گرم شدن اسید دچار مشکل شوند. به عنوان نمونه یک مخزن پلاستیکی که ۳۰–۴۰٪ اسید نیتریک را در شرایط محیطی نگه می دارد، اگر این اسید نزدیک نقطه جوش خود ذخیره گردد یا در یک فرآیند دما بالا به کار رود ممکن است تضعیف شود. مخازن فولادی زنگ نزن به طور کلی می توانند دماهای بالاتری را تحمل کنند، اما حتی فولاد نیز اگر اسید نزدیک نقطه جوش باشد یا ناخالصی ها باعث افزایش دمای جوش شوند با محدودیت مواجه می گردد. عایق کردن مخزن یا نگهداری اسید در جای خنک و سایه می تواند به ثابت ماندن دما کمک کند. فشار نیز یک نگرانی است: بیشتر مخازن اسید نیتریک به صورت اتمسفریک (تهویه شونده) هستند، اما هر سیستم بسته یا افزایش ناگهانی دما می تواند درون ظرف ایجاد فشار کند. مخازن نباید تحت فشار بیش از اندازه قرار گیرند، چون این وضعیت ممکن است به پارگی آنها منجر شود. تدابیر مهندسی مانند دیسک های انفجاری یا شیرهای اطمینان نصب می شوند تا فشار غیرمنتظره را رها کنند. علاوه بر این تمامی اتصالات باید طوری طراحی شوند که حداکثر دما و هرگونه فشار یا خلأ جزئی را بدون نشتی تحمل کنند.

مقایسه مواد مخازن مقاوم در برابر خوردگی

برای ساخت مخزن اسید نیتریک از مواد گوناگونی استفاده می شود که هر کدام نقاط قوت و محدودیت های خود را دارند. جدول زیر تعدادی از گزینه های رایج و ویژگی های کلیدی آنها را مقایسه می کند:

این مقایسه نشان می دهد که هیچ ماده واحدی برای همه موقعیت ها ایده آل نیست. برای کاربردهای وسیع و اسید بسیار غلیظ معمولاً مخازن فولادی زنگ نزن ترجیح داده می شوند، در حالی که نیازهای کوچک تر یا اسیدهای رقیق تر اغلب با مخازن پلاستیکی برآورده می شوند. مخازن کامپوزیتی و اندود شده نیز خلأ میان این دو را پر می کنند و ترکیبی از استحکام و مقاومت شیمیایی را ارائه می دهند.