クロルアルカリ工業は、電解塩水溶液を用いて塩素ガスと苛性ソーダを製造する化学工業である。100年以上の歴史があり、化学工業におけるチタンの最も早い応用でもあります。クロルアルカリ製造において、チタン設備は主に金属陽極電解槽、イオン交換膜電解槽、管状湿式塩素冷却器、精製塩水予熱器、脱塩素塔、クロルアルカリ冷却洗浄塔、真空脱塩素ポンプとバルブなどのチタン設備を含む。チタンは1970年代に黒鉛に代わって塩素冷却スクラバーの主要材料となりました。現在、チタンはクロールアルカリ産業で広く使用されている防錆材料であり、その優れた耐食性は金属陽極やその他の処理装置の製造に理想的です。なぜ？なぜチタンはこの分野で人気があるのか？まずその特性から見てみよう。

チタンの特徴
耐食性は塩素アルカリ工業の重要な特徴である。クロールアルカリ工業で使用される硫酸、塩素ガス、塩酸、苛性ソーダなどのプロセス媒体や腐食性物質は、パイプラインや装置に悪影響をもたらします。そのため、クロールアルカリ製造の設備や材料には、より高い耐食性が求められます。チタン合金は耐食性に優れ、強度が高く、軽量で安定性に優れているため、クロールアルカリ製造に適しています。

チタンは極めて腐食性の高い環境で使用されることが多いため、特に表面に不動態酸化皮膜を形成する場合には、他の金属よりもそのような用途に適しています。この皮膜は結晶性物質で構成されており、高い完全性と密着性を持っています。チタン合金が損傷した場合、不動態皮膜は自然治癒します。さらに、陽極酸化処理はチタンの保護膜を強化する効果的なプロセスです。海水や炭化水素に対して優れた耐食性を示します。さらに、チタンは強い不動態化傾向を示し、空気中や水溶液中で安定した酸化皮膜を形成することができます。従って、塩素化処理にチタン合金を使用することは、産業に大きな利益をもたらします。チタン合金はまた、優れた延性、成形性、強度、溶接性を持っています。チタンは炭素鋼や銅よりも熱伝導率が低いため、その壁を薄くすることができます。また、チタンの優れた耐食性は、表面がスケーリングされにくく、耐熱性を低下させにくいことを意味します。さらに、チタン合金は600℃までの温度で長時間使用することが可能です。

塩化物を含む酸化条件下で、チタンはタンタルと同等の耐食性を示し、ステンレス鋼やニッケル基合金よりも優れている。100%純チタンの腐食は還元性酸条件下では劣るが、パラジウムを含むチタン合金は還元性媒体条件下でのチタンの耐食性を向上させるだけでなく、酸化条件下でも耐食性を維持する。表面に不動態酸化皮膜を形成し、耐食性を向上させる。

塩素アルカリ工業におけるチタンの用途

  • 金属陽極
    クロルアルカリの製造プロセスには、水銀電解、隔膜電解、イオン膜電解などがある。従来、クロルアルカリの陽極には黒鉛陽極が使用されてきた。1956年、オランダ人のHenry.H.ビールは、寸法安定陽極（DSA）とも呼ばれる金属陽極を膜電解槽に使用することを初めて提案し、1965年に特許権を取得した。寸法安定性陽極は、チタン基板上に白金族貴金属酸化物をコーティングした電極である。1968年、イタリアのDeNore社がクロールアルカリ工業におけるチタン陽極の工業化を初めて実現した。
    1970年代以降、金属陽極（DSA）電解槽やイオン膜電解槽が黒鉛陽極電解槽に取って代わり始め、それに伴い黒鉛冷却器もチタン湿式塩素冷却器に取って代わられた。主な装置にはイオン膜電解槽がある、 チタンアノード 液体循環タンク、軽塩水タンク、真空脱塩素塔、熱交換器、パイプ、ポンプバルブなど。 チタンパイプ チタンポンプは、主にアノード液循環システム、軽塩水システム、脱塩素システム、湿式塩素ガス供給システム、塩素水循環システムに使用されています。チタンポンプは主に、精製塩水、陽極循環液、軽塩水、塩素水などの移送に使用されます。黒鉛陽極電解槽に比べ、隔膜金属陽極電解槽は1tの苛性ソーダを生産するのに100-200kW/hの電力を節約することができます。
    イオン膜電解槽の陽極室と陰極室の温度は約90℃、陽極室は塩素と塩の溶液で満たされ、陰極室は30%-35%苛性ソーダ溶液で満たされている。運転電流密度は30-40A/dmである。このような過酷な条件下では、電解槽の設計において材料の耐食性は十分でなければならない。イオン膜電解槽の陽極部（アノード部、アノード接液部）には、耐食性に優れたチタン合金が多く使用されている。主装置である電解槽のほか、主に以下の部分にチタン製装置が使用されている：ブライン系-液面計、アノード液系-アノード液槽、塩素洗浄塔、淡塩水系-脱塩素塔、淡塩水分配器、計器冷却器、次亜塩素酸ナトリウム系-冷却塔、吸収塔、分配器、塩素ガス系-湿式塩素ガス冷却器、危険防止系-熱交換器、ファン。
  • 湿式塩素ガス冷却器
    電解塩で苛性ソーダを製造する際、高温の湿塩素ガスが大量に発生するが、これを冷却・乾燥処理すれば使用できる。高温の湿塩素を冷却する方法には、直接水を噴霧する方法と、管状冷却器による間接冷却がある。直接冷却は、多量の塩素含有塩素水が発生し、環境を汚染するだけでなく、より多くの塩素損失、硫酸の消費量になります。実験結果によると、チタンは湿った塩素ガスの環境では高温での腐食に非常に強く、年間腐食量は0.0025mmである。従って、チタン冷却器の使用は塩素アルカリ工業生産の冷却と乾燥工程を短縮し、塩素ガスの損失と環境汚染を減少させ、圧縮ガスと極度の乾燥の安定した操作のための有利な条件を作成することができます。
  • ポンプ＆バルブ
    膜電解や水銀電解による塩素ガス製造では、次亜塩素酸カリウムや次亜塩素酸ナトリウムに使用されるチタン合金製のポンプが経済的です。Georgia-pifik社では、270~320g/LのNaCl、NaCl結晶化、0.5g/L以上の遊離塩素を含む85℃食塩水をチタンポンプで送液しています。チタンポンプの寿命は10年です。

最後に
チタン合金はクロルアルカリ工業で最も好まれている金属であると言える。いくつかの問題もあります：まず第一に、チタン合金の異なるグレードは、耐食性と機械加工性能などに違いがあり、エンジニアは実際の条件、部品の位置、機械加工の必要性の有無などに基づいて判断する必要があります。一般的にチタンは粒界腐食や応力腐食は発生しませんが、隙間腐食、特に0.5mm程度の幅の隙間腐食は発生しやすいです。腐食しやすい部品には、チタンパラジウム合金やパラジウムメッキが最適です。
チタンは耐食性金属であるが、すべての化学腐食性媒体に適しているわけではない。同じ媒体であっても、その耐食性は媒体の濃度と温度にも関係する。乾燥塩素ガス中では、たとえ温度がゼロ以下であっても、比較的激しい化学反応が起こり、巨大な熱が発生し、火災を引き起こす可能性があるため、チタンを使用することはできません。塩素ガス中でチタンの安定性を確保するために、塩素ガスの含水率は0.5%を超えることはできません。