Το Ακραίο Περιβάλλον
Το μικτό νιτρικό-υδροφθορικό οξύ στους 90 βαθμούς αντιπροσωπεύει ένα από τα πιο επιθετικά περιβάλλοντα στη βιομηχανική χημική επεξεργασία. Το διάλυμα-συνήθως 10-20% HNO3 και 2-5% HF-συνδυάζει την ισχυρή οξειδωτική ισχύ του νιτρικού οξέος με τη μοναδική ικανότητα του ιόντος φθορίου να συμπλέκεται με και να διαλύει προστατευτικές μεμβράνες οξειδίου στα μέταλλα.
Το ταντάλιο-κράμα βολφραμίου 2,5% (Ta-2,5 W) είναι το πιο ανθεκτικό στη διάβρωση μεταλλικό υλικό που διατίθεται στο εμπόριο για αυτήν την υπηρεσία. Το καθαρό ταντάλιο παρουσιάζει ήδη εξαιρετική αντοχή. Η προσθήκη βολφραμίου ενισχύει το κράμα και ενισχύει περαιτέρω την αντίσταση στην προσβολή φθορίου μέσω επιδράσεων στερεού διαλύματος στο παθητικό φιλμ.
Το PTFE έχει ανοσία και στα δύο οξέα μεμονωμένα και στον συνδυασμό τους. Δεν υπάρχει παθητική ταινία για επίθεση. Δεν υπάρχουν άτομα μετάλλου για σύμπλοκο φθόριο. Η σύγκριση μεταξύ του πιο ανθεκτικού μετάλλου και του αδρανούς πολυμερούς σε αυτό το ακραίο περιβάλλον φωτίζει τα θεμελιώδη όρια της μεταλλικής αντιδιαβρωτικής προστασίας.
Το παθητικό φιλμ τανταλίου υπό επίθεση φθορίου
Το ταντάλιο αντιστέκεται στο μικτό HNO3-HF μέσω ενός παθητικού φιλμ Ta2O5 που είναι ένα από τα πιο χημικά ανθεκτικά οξείδια που είναι γνωστά. Το φιλμ είναι σταθερό σε νιτρικό οξύ σε όλο το εύρος συγκέντρωσης και θερμοκρασίας. Παρουσία ιόντων φθορίου, το φιλμ υφίσταται μια αργή αντίδραση διάλυσης:
Ta₂O₅ + 14HF → 2TaF₇²⁻ + 5H2O + 4H⁺
Το σύμπλοκο-φθοριούχου τανταλίου είναι διαλυτό. Η ταινία διαλύεται. Το υποκείμενο μέταλλο ταντάλιου αντιδρά με το νιτρικό οξύ, το οποίο οξειδώνει εκ νέου την επιφάνεια και αναμορφώνει το παθητικό φιλμ. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι μια συνεχής, αργή απώλεια τανταλίου-ένας ρυθμός διάβρωσης που εξαρτάται από τη συγκέντρωση HF, τη θερμοκρασία και την αναλογία HNO3/HF.
Η προσθήκη βολφραμίου στο Ta-2,5W τροποποιεί αυτήν τη συμπεριφορά. Τα άτομα βολφραμίου που ενσωματώνονται στο παθητικό φιλμ αλλάζουν την ηλεκτρονική του δομή, καθιστώντας το πιο ανθεκτικό στην προσβολή φθορίου. Ο ρυθμός διάβρωσης του Ta-2,5W σε μικτό HNO3-HF είναι περίπου 30-50% χαμηλότερος από το καθαρό ταντάλιο υπό τις ίδιες συνθήκες. Αυτή είναι μια σημαντική βελτίωση - αλλά είναι μείωση του ρυθμού, όχι εξάλειψη του μηχανισμού.
| Παράμετρος διάβρωσης | Ταντάλιο (καθαρό) | Ταντάλιο-2,5W | PTFE |
|---|---|---|---|
| Μηχανισμός αντιδιαβρωτικής προστασίας | Παθητικό φιλμ Ta2O5 | W-τροποποιημένο παθητικό φιλμ Ta2O5 | Εγγενής σταθερότητα δεσμού C-F |
| Ρυθμός διάβρωσης σε 15% HNO3 + 3% HF στους 90 μοίρες (mm/έτος) | 0.02-0.08 | 0.01-0.05 | 0 |
| Ποσοστό διάβρωσης εάν το HF αυξηθεί σε 5% (mm/έτος) | 0.05-0.15 | 0.03-0.10 | 0 |
| Ευαισθησία σε αναλογία HNO3/HF | Υψηλό (η σταθερότητα του φιλμ εξαρτάται από την ισορροπία οξειδωτικού/φθοριούχου) | Μέτριος | Κανένας |
| Ευαισθησία στη θερμοκρασία | Υψηλό (ποσοστό διπλάσιο περίπου ανά 15 βαθμούς) | Ψηλά | Κανένα (κάτω από 260 μοίρες) |
| Διάβρωση ζώνης συγκόλλησης | Πιθανή προνομιακή επίθεση | Μειώθηκε αλλά δεν εξαλείφθηκε | N/A (χωρίς συγκολλήσεις) |
| Κόστος υλικού (σχετικό) | 40-60× | 50-80× | 1× |
Ο Συντελεστής Επιτάχυνσης Θερμοκρασίας
Ο ρυθμός διάβρωσης του τανταλίου σε διαλύματα που περιέχουν-φθόριο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία-. Ο ρυθμός διπλασιάζεται περίπου για κάθε αύξηση 15 μοιρών. Στους 60 βαθμούς, ένας εναλλάκτης θερμότητας Ta-2,5W μπορεί να λειτουργήσει για 5-8 χρόνια. Στους 90 βαθμούς, η διάρκεια ζωής μπορεί να μειωθεί σε 2-3 χρόνια. Στους 110 βαθμούς, μπορεί να απαιτηθεί αντικατάσταση εντός 12-18 μηνών.
Ο ρυθμός διάβρωσης του PTFE είναι μηδέν και στις τρεις θερμοκρασίες. Η διάρκεια ζωής του εναλλάκτη θερμότητας καθορίζεται από μηχανικό ερπυσμό από την πίεση ατμού και όχι από χημική προσβολή. Στις 90 μοίρες, με κατάλληλο έλεγχο πίεσης ατμού, το PTFE παρέχει 15+ χρόνια διάρκεια ζωής-5-7 φορές μεγαλύτερη από το Ta-2,5W.
Η ευπάθεια της εκδρομής
Η αναλογία HNO3/HF στα λουτρά τουρσί ποικίλλει κατά τη λειτουργία. Η έλξη του τεμαχίου εργασίας-στο νερό έκπλυσης αραιώνει το λουτρό. Οι προσθήκες οξέος για την αποκατάσταση της συγκέντρωσης μπορούν να γίνουν με ελαφρώς μειωμένες-αναλογίες προδιαγραφών. Οι απώλειες εξάτμισης αλλάζουν τη σύνθεση. Αυτές οι παραλλαγές μετατοπίζουν την ισορροπία οξειδωτικού/φθοριδίου στην οποία βασίζεται το ταντάλιο για να διατηρήσει το παθητικό φιλμ του.
Μια περίοδος χαμηλής αναλογίας HNO3/HF-από ένα σφάλμα προσθήκης οξέος, για παράδειγμα-μπορεί να αφαιρέσει το παθητικό φιλμ από το ταντάλιο πιο γρήγορα από ό,τι το διαθέσιμο νιτρικό οξύ μπορεί να το αναμορφώσει. Η προκύπτουσα ενεργή διάβρωση συνεχίζεται μέχρι να διορθωθεί η αναλογία οξέος. Η ζημιά από μία μόνο εκδρομή μπορεί να ισούται με μήνες κανονικής διάβρωσης σέρβις.
Το PTFE δεν έχει ευαισθησία στην αναλογία οξέος. Μια εκδρομή αναλογίας οποιουδήποτε μεγέθους αφήνει το υλικό αμετάβλητο. Αυτή η ικανότητα επιβίωσης εκδρομής είναι εξίσου πολύτιμη με το σταθερό-ρυθμό διάβρωσης κατά τον προσδιορισμό της πρακτικής διάρκειας ζωής.
Περίληψη
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE είναι άνευ όρων ανοσία στο μικτό HNO3-HF τουρσί στους 90 μοίρες , ενώ το ταντάλιο-2,5% κράμα βολφραμίου-το πιο ανθεκτικό μέταλλο του εμπορίου γι' αυτήν την υπηρεσία{10}}διαβρώνεται με 0,01-0,05 mm/ετησίως παθητική διάλυση. Ο ρυθμός διάβρωσης επιταχύνεται με τη θερμοκρασία και είναι ευαίσθητος στην αναλογία HNO3/HF. Το PTFE παρέχει 5-7 φορές μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, εξαλείφει την ευαισθησία στις εκδρομές διεργασιών και κοστίζει ένα κλάσμα του πυρίμαχου κράματος. Σε μικτές υπηρεσίες HNO3-HF εντός των ορίων θερμοκρασίας του PTFE, το PTFE είναι η ανώτερη επιλογή.
Η τεχνική υποστήριξη για την προδιαγραφή εναλλάκτη θερμότητας PTFE στο μικτό όξινο άλειμμα είναι διαθέσιμη με την υποβολή των συγκεντρώσεων οξέος, των κανονικών και εκδρομικών θερμοκρασιών και των τρεχόντων δεδομένων διάρκειας ζωής του εξοπλισμού.
