Ekstremno okruženje
Mješovito kiseljenje azotne-fluorovodonične kiseline na 90 stepeni predstavlja jednu od najagresivnijih sredina u industrijskoj hemijskoj preradi. Rastvor-obično 10-20% HNO₃ i 2-5% HF-kombinuje snažnu oksidacionu moć azotne kiseline sa jedinstvenom sposobnošću jona fluora da kompleksira i rastvara zaštitne oksidne filmove na metalima.
Tantal-2,5% legura volframa (Ta-2,5W) je metalni materijal koji je najotporniji na koroziju komercijalno dostupan za ovu uslugu. Čisti tantal već pokazuje izuzetnu otpornost; Dodatak volframa jača leguru i dodatno povećava otpornost na napad fluora kroz efekte čvrstog rastvora na pasivnom filmu.
PTFE je imun na obje kiseline pojedinačno i na njihovu kombinaciju. Ne postoji pasivni film za napad. Ne postoje atomi metala za kompleksiranje fluora. Poređenje između najotpornijeg metala i inertnog polimera u ovom ekstremnom okruženju osvetljava osnovne granice metalne zaštite od korozije.
Tantal pasivni film pod napadom fluora
Tantal je otporan na miješanu HNO₃-HF kroz Ta₂O₅ pasivni film koji je jedan od kemijski najotpornijih poznatih oksida. Film je stabilan u dušičnoj kiselini u cijelom rasponu koncentracija i temperatura. U prisustvu fluoridnih jona, film prolazi kroz sporu reakciju rastvaranja:
Ta₂O₅ + 14HF → 2TaF₇²⁻ + 5H₂O + 4H⁺
Kompleks tantala{0}}fluorida je rastvorljiv. Film se rastvara. Metalni tantal koji se nalazi ispod reaguje sa azotnom kiselinom, koja re-oksidira površinu i reformiše pasivni film. Neto rezultat je kontinuirani, spori gubitak tantala-brzine korozije koja ovisi o koncentraciji HF, temperaturi i omjeru HNO₃/HF.
Dodatak volframa na Ta-2,5W modificira ovo ponašanje. Atomi volframa ugrađeni u pasivni film mijenjaju njegovu elektronsku strukturu, čineći ga otpornijim na napad fluora. Brzina korozije Ta-2,5W u miješanom HNO₃-HF je približno 30-50% niža od čistog tantala pod istim uvjetima. Ovo je značajno poboljšanje - ali to je smanjenje stope, a ne eliminacija mehanizma.
| Parametar korozije | tantal (čist) | Tantal-2.5W | PTFE |
|---|---|---|---|
| Mehanizam zaštite od korozije | Ta₂O₅ pasivni film | W-modificirani Ta₂O₅ pasivni film | Inherentna stabilnost C-F veze |
| Stopa korozije u 15% HNO₃ + 3% HF na 90 stepeni (mm/godišnje) | 0.02-0.08 | 0.01-0.05 | 0 |
| Stopa korozije ako se HF poveća na 5% (mm/god.) | 0.05-0.15 | 0.03-0.10 | 0 |
| Osetljivost na odnos HNO₃/HF | Visoka (stabilnost filma zavisi od ravnoteže oksidatora/fluorida) | Umjereno | Nema |
| Osetljivost na temperaturu | Visoka (stopa se otprilike udvostručuje na 15 stepeni) | Visoko | Nema (ispod 260 stepeni) |
| Korozija zone zavarivanja | Moguć preferencijalni napad | Smanjena, ali ne i eliminirana | N/A (bez zavara) |
| Cijena materijala (relativna) | 40-60× | 50-80× | 1× |
Faktor temperaturnog ubrzanja
Brzina korozije tantala u otopinama koje sadrže fluor-u velikoj mjeri zavisi od temperature-. Stopa se otprilike udvostručuje za svakih 15 stepeni. Na 60 stepeni, izmjenjivač topline Ta-2,5W može služiti 5-8 godina. Na 90 stepeni, životni vek se može skratiti na 2-3 godine. Na 110 stepeni može biti potrebna zamena u roku od 12-18 meseci.
Stopa korozije PTFE-a je nula na sve tri temperature. Radni vek izmenjivača toplote je određen mehaničkim puzanjem usled pritiska pare, a ne hemijskim napadom. Na 90 stepeni, uz odgovarajuću kontrolu pritiska pare, PTFE obezbeđuje 15+ godina radnog veka - 5-7 puta duže od Ta-2.5W.
Ranjivost izleta
Odnos HNO₃/HF u kupkama za kiseljenje varira tokom rada. Uvlačenje -obratka vode za ispiranje razrjeđuje kupku. Dodaci kiseline za vraćanje koncentracije mogu se napraviti sa malo izvan{3}}omjera specifikacije. Gubici isparavanjem mijenjaju sastav. Ove varijacije mijenjaju ravnotežu oksidatora/fluorida na koju se tantal oslanja da bi održao svoj pasivni film.
Period niskog omjera HNO₃/HF-zbog greške pri dodavanju kiseline, na primjer-može odvojiti pasivni film od tantala brže nego što ga dostupna dušična kiselina može reformisati. Rezultirajuća aktivna korozija se nastavlja sve dok se omjer kiselina ne korigira. Šteta od jedne ekskurzije može biti jednaka mjesecima uobičajene korozije u radu.
PTFE nema osjetljivost na odnos kiselina. Promjene omjera bilo koje veličine ostavljaju materijal nepromijenjenim. Preživljavanje ovog izleta je jednako vrijedna koliko i stopa korozije-u stabilnom stanju u određivanju praktičnog vijeka trajanja.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline su bezuslovno imuni na miješano HNO₃-HF kiseljenje na 90 stepeni, dok tantal-2,5% legura volframa-najotporniji komercijalni metal za ovu uslugu-korodira pri 0,01-0,05 mm/godišnje rastvaranjem fluorida putem pasivnog filma Brzina korozije se ubrzava s temperaturom i osjetljiva je na omjer HNO₃/HF. PTFE obezbeđuje 5-7 puta duži radni vek, eliminiše osetljivost na promene procesa i košta samo delić vatrostalne legure. U mješovitom HNO₃-HF servisu unutar PTFE temperaturnih granica, PTFE je vrhunski izbor.
Inženjerska podrška za specifikaciju PTFE izmjenjivača topline u mješovitom kiselinskom kiseljenju dostupna je nakon podnošenja podataka o koncentracijama kiselina, rasponima normalnih i ekskurzionih temperatura i trenutnim podacima o vijeku trajanja opreme.
