De fundamentele reden waarom titanium chloor{0}}alkali-apparatuur domineert, ligt in het passivatiegedrag ervan. Bij blootstelling aan oxiderende omgevingen-vooral vochtig chloorgas-vormt titanium snel een stabiele, beschermende oxidefilm op het oppervlak. Deze passieve laag beschermt het onderliggende metaal tegen agressieve chemische aanvallen onder omstandigheden die roestvrij staal, koperlegeringen en zelfs veel op nikkel-materialen snel zouden aantasten. In natte chlooromgevingen met hoge- temperaturen vertoont titanium corrosiesnelheden in de orde van slechts microns per jaar. Deze combinatie van thermodynamische instabiliteit in de bulk (standaard elektrodepotentiaal van Ti²⁺/Ti bij -1,63V) en kinetische stabiliteit door oppervlaktepassivering geeft titanium zijn unieke positie in de chlooralkalimetallurgie.
Elektrolytische cellen
De belangrijkste toepassing van titanium bij de productie van chloor{0}}alkali vindt plaats in elektrolytische cellen. Metaalanode-elektrolytische cellen en ionen{2}}-membraan-elektrolyseapparaten gebruiken titanium als substraat voor dimensionaal stabiele anodes (DSA)-titaniumbasisstructuren bedekt met edelmetaaloxiden zoals ruthenium, iridium of combinaties daarvan.
De overgang van grafietanodes naar op titanium-gebaseerde DSA-anodes markeerde een technologische revolutie in de industrie. Titaniumanodes bieden stabiele afmetingen gedurende hun hele levensduur, waardoor een nauwkeurige regeling van de elektrodeafstand en een consistente stroomverdeling mogelijk zijn. Deze dimensionale stabiliteit vertaalt zich direct in een lagere celspanning en een lager energieverbruik. De DSA-technologie, die in de jaren vijftig werd ontwikkeld en eind jaren zestig op de markt werd gebracht, werd snel overgenomen in de Verenigde Staten, Italië, Japan en Duitsland.
In ionenuitwisselingsmembraan-elektrolysatoren wordt titanium op grote schaal gebruikt, niet alleen voor anoden, maar ook voor anolytcirculatiesystemen, pekelverwerkingssystemen en verschillende warmtewisselaars. De anodische compartimenten van deze cellen zijn gemaakt van titanium om bestand te zijn tegen de sterk oxiderende anolietomgeving.
Natte chloorkoeling
Bij de elektrolyse van pekel ontstaan grote hoeveelheden heet, vochtig chloorgas dat vóór verdere verwerking moet worden gekoeld en gedroogd. Deze omgeving behoort tot de meest corrosieve die men in de industriële chemie tegenkomt. Vroege pogingen met koelers van grafiet, glas, keramiek en plastic stuitten allemaal op fundamentele beperkingen:-corrosie, barsten, veroudering en slechte warmteoverdracht.
Titaniumkoelers hebben dit landschap volledig veranderd. Testen hebben aangetoond dat titanium in heet, vochtig chloorgas slechts met 0,0025 mm per jaar corrodeert. Rusland was in 1963 een pionier in het gebruik van titaniumchloorgaskoelers, en de Allied Chemical Company uit de Verenigde Staten volgde al snel, waarbij grafieteenheden werden vervangen door titanium. China vervaardigde zijn eerste titaniumkoeler in 1965, en in 1973 waren er in meerdere provincies titanium buiskoelers in gebruik.
De voordelen reiken verder dan corrosiebestendigheid. Titaniumkoelers verkorten het koel- en droogproces, verminderen het verlies van chloorgas, minimaliseren de milieuvervuiling en verbeteren de stabiliteit van gecomprimeerd gas. Sommige titanium natte chloorkoelers die in chloor{2}}alkali-installaties zijn geïnstalleerd, zijn al bijna twintig jaar in gebruik zonder tekenen van degradatie.
Pekelvoorverwarmings- en dechloreringssystemen
Geraffineerde pekelvoorverwarmers vertegenwoordigen een andere kritische toepassing. Deze warmtewisselaars moeten stabiel blijven functioneren bij hoge temperaturen in chloride-rijke media. Titaniumbuisbundels bieden de nodige corrosieweerstand en leveren tegelijkertijd betrouwbare warmteoverdrachtsprestaties.
In dechloreringssystemen is titanium het materiaal bij uitstek voor dechloreringstorens en de pompen en kleppen die worden gebruikt bij vacuümdechlorering. Deze componenten moeten bestand zijn tegen aantasting door achtergebleven vrij chloor dat in de processtroom achterblijft. Titaniumapparatuur verlengt effectief de onderhoudsintervallen en garandeert de kwaliteit van de gerecyclede pekel.
Pompen, kleppen en transportsystemen
Titaniumpompen en kleppen spelen een essentiële rol bij het mediumtransport door de chloor{0}}alkalifabriek. Bij membraanelektrolyse- en kwik-elektrolyseprocessen bieden titaniumpompen de meest economische oplossing voor het hanteren van kaliumhypochloriet- en natriumhypochlorietstromen. Een opmerkelijk geval betrof een Amerikaans bedrijf dat een titaniumpomp gebruikte om een zoutoplossing van 85 graden te verwerken die NaCl-kristallen en vrij chloor bevatte.-De pomp had een levensduur van meer dan tien jaar. In chloorgastransportsystemen pakken titaniumleidingen de sterkte- en afdichtingsbeperkingen aan die voorheen werden aangetroffen bij niet-metalen materialen.
De chloor{0}}-industrie heeft drie grote transformaties van apparatuur ondergaan bij de productie van natronloog: van horizontale tankcellen naar verticale diafragma-elektrolysatoren in de jaren zestig, van grafiet naar metaalanodes in de jaren zeventig, en naar ionenuitwisselingsmembraantechnologie in de jaren tachtig. Titanium stond centraal in de laatste twee revoluties.
Tegenwoordig vormt titaniumapparatuur-waaronder anodes, elektrolyseapparaten, koelers, voorverwarmers, dechloreringstorens, pompen, kleppen en leidingen-de ruggengraat van de moderne chloor{2}}productie. De corrosieweerstand, de dimensionele stabiliteit en de lange levensduur van het materiaal hebben hogere stroomdichtheden, een lager energieverbruik, uitgebreide apparatuurcampagnes en een verminderde impact op het milieu mogelijk gemaakt. De chloor{5}}alkali-industrie blijft een van de grootste verbruikers van titanium in de chemische sector, en titanium blijft een nieuwe impuls geven aan de industriële ontwikkeling.
