Problem fluorovodične kiseline
Operacije hemijskog mljevenja koriste sredstva za nagrizanje na bazi HF-za selektivno uklanjanje metala iz zrakoplovnih i medicinskih komponenti. Kupke rade na 30-60 stepeni sa HF koncentracijama od 5% do 20%, često pomešane sa azotnom kiselinom. Ova hemija napada skoro svaki konvencionalni materijal izmjenjivača topline.
Titanijum, standardni izbor za mnoge kiselinske usluge, brzo se rastvara u HF. Fluoridni jon formira stabilne komplekse titanijuma-fluorida, uništavajući pasivni oksidni film i otapajući metal ispod. Titanijumski uranjajući grejač u 10% HF na 50 stepeni može da perforira u roku od nekoliko nedelja.
Nerđajući čelik prolazi gore. HF agresivno napada i pasivni sloj krom oksida i željeznu matricu. Kvarcni grijači otporni su na VF hemijski, ali uvode neprihvatljive rizike od loma u proizvodnim okruženjima gdje alati i radni komadi često utiču na unutrašnjost rezervoara.
Ograničenja odabira materijala
Idealan izmjenjivač topline za VF hemijsko mljevenje mora zadovoljiti tri kriterija. Hemijska inertnost prema HF-u pri svim procesnim koncentracijama i temperaturama nije-pregovorna. Potrebna je mehanička žilavost dovoljna za rukovanje proizvodnim podom. Toplinske performanse adekvatne za održavanje ujednačenosti temperature u kadi za nagrizanje su od suštinskog značaja.
Samo fluoropolimeri zadovoljavaju sva tri. Među fluoropolimerima, PTFE nudi najširi temperaturni raspon i najbolju hemijsku otpornost. PVDF otporan na HF na sobnoj temperaturi, ali omekšava iznad 80 stepeni, ograničavajući njegovu upotrebu u zagrijanim kupkama.
Tabela 1: Performanse materijala izmenjivača toplote u 15% HF na 55 stepeni
| Materijal | Stopa korozije | Mehanička izdržljivost | Očekivani vijek trajanja |
|---|---|---|---|
| SS 316L | >5 mm/god | Dobro | Od dana do sedmica |
| Titanium Gr.2 | >2 mm/god | Dobro | 2-6 sedmica |
| Hastelloy C-276 | 0,5-1,5 mm/god | Dobro | 3-8 mjeseci |
| Kvarc | <0.01 mm/year | loše (krto) | Fracture-limited |
| PTFE | <0.001 mm/year | Dobro (fleksibilno) | Neodređeno |
PTFE se sastoji od ugljenik-fluorovih veza koje su hemijski zasićene. Atomi fluora u potpunosti štite ugljičnu kičmu. HF ne može napasti PTFE jer je polimer već potpuno fluorisan. Ne postoji hemijski put za reakciju.
Ova inertnost se proteže na mješavine HF-HNO₃ uobičajene u hemijskom mljevenju titana. Dušična kiselina oksidira metale, ali ostavlja PTFE nepromijenjen. Kombinacija dvije agresivne kiseline, svaka destruktivna za različite metale, nema utjecaja na fluoropolimer.
Mehanička fleksibilnost PTFE-a pruža operativnu prednost u odnosu na kvarc. Kontakt radnog predmeta sa PTFE zavojnicom može uzrokovati privremeni otklon, ali ne i lom. Cijev apsorbira energiju udara kroz elastičnu deformaciju, vraćajući se u prvobitni oblik. Nasuprot tome, kvarc se raspada pod sličnim udarom.
Razmatranja o termičkom dizajnu
Toplotna provodljivost PTFE je niža od metala. Tanko{1}}cijev od 0,8 mm do 1,2 mm smanjuje ovaj otpor. Povećana površina kroz više-prolazne konfiguracije mreže kompenzira u potpunosti.
Za tipičan rezervoar za hemijsko mlevenje koji zahteva grejanje od 60 kW, PTFE izmenjivač toplote koji koristi 10 mm OD cevi u konfiguraciji mreže 15x20 daje potrebnu snagu sa parom od 4 bara. Zavojnica zauzima približno 30% više zapremine od metalnog ekvivalenta. Ovaj kompromis-prihvaćen je u zamjenu za trajni VF imunitet.
Rezultati na terenu iz glodanja vazduhoplovnih komponenti
Vazduhoplovstvo za hemijsko mlevenje za obradu titanijumskih strukturnih komponenti zamenilo je Hastelloy izmenjivače toplote sa PTFE jedinicama nakon evidentiranja godišnjih troškova zamene koji premašuju 85.000 dolara u šest rezervoara za jetkanje.
Hastelloy kalemovi su otkazali kroz postepenu jednoličnu koroziju, pri čemu se debljina stijenke smanjila ispod sigurnih granica nakon 6-8 mjeseci. Svaka zamjena zahtijevala je 16 sati zastoja za pražnjenje rezervoara, uklanjanje zavojnice, instalaciju nove spirale i ponovno zagrijavanje kupke.
PTFE izmjenjivači topline ugrađeni u iste spremnike radili su više od tri godine bez mjerljive degradacije. Godišnji pregledi potvrđuju nepromijenjenu debljinu zida i performanse prijenosa topline. Postrojenje je eliminisalo zamjenu izmjenjivača topline vezanu za HF- iz svog budžeta za održavanje.
Rezime
Hemijsko mljevenje fluorovodonične kiseline uništava metalne izmjenjivače topline kroz brzu, predvidljivu koroziju. Titanijum se rastvara za nekoliko nedelja. Nerđajući čelik se pokvari za nekoliko dana. Čak i legure visokog{3}}nikla zahtijevaju čestu zamjenu.
PTFE izmjenjivači topline su hemijski imuni na smjese HF i HF-HNO₃ na svim procesnim koncentracijama i temperaturama. Potpuno fluorirana polimerna struktura ne može reagirati s fluoridnim jonima. Mehanička žilavost eliminiše rizik od loma kvarca.
Za operacije hemijskog mlevenja koje traže trajna rešenja za HF grejanje, inženjerska analiza je dostupna nakon podnošenja hemije kupatila, radne temperature, dimenzija rezervoara i raspoloživog pritiska pare.
