Η επίδραση της οξειδωτικής ακαθαρσίας
Το θειικό οξύ στη βιομηχανική υπηρεσία είναι σπάνια καθαρό. Περιέχει διαλυμένα μεταλλικά ιόντα από τη διάβρωση του ανάντη εξοπλισμού, από την ίδια τη χημεία της διεργασίας ή από τις πρώτες ύλες. Ο σίδηρος σιδήρου (Fe3+) και ο χαλκός χαλκός (Cu2+) είναι οι πιο κοινές μεταλλικές ακαθαρσίες. Η συγκέντρωσή τους στο οξύ κυμαίνεται από 10 ppm έως αρκετές χιλιάδες ppm, ανάλογα με τη διαδικασία.
Αυτά τα διαλυμένα μέταλλα δεν είναι αδρανείς θεατές. Είναι ηλεκτροχημικά ενεργά. Τα ιόντα σιδήρου και χαλκού είναι οξειδωτικά-μπορούν να δεχτούν ηλεκτρόνια και να αναχθούν σε καταστάσεις σιδήρου (Fe2+) και χαλκού (Cu⁺). Αυτή η οξειδωτική ισχύς επηρεάζει τη συμπεριφορά διάβρωσης των μετάλλων στο οξύ.
Το ζιρκόνιο 702 βασίζεται σε ένα σταθερό παθητικό φιλμ ZrO2 για αντοχή στη διάβρωση στο θειικό οξύ. Οι οξειδωτικές ακαθαρσίες επηρεάζουν τη σταθερότητα αυτής της μεμβράνης-μερικές φορές ευεργετικά, μερικές φορές καταστροφικά, ανάλογα με τη συγκέντρωση και τη θερμοκρασία.
Το PTFE δεν έχει παθητικό φιλμ. Η αντοχή του στη διάβρωση είναι ανεξάρτητη από τον οξειδωτικό ή αναγωγικό χαρακτήρα του περιβάλλοντος. Η παρουσία ή η απουσία μεταλλικών ακαθαρσιών στο οξύ δεν έχει καμία επίδραση στη χημική αδράνεια του PTFE. Η σύγκριση μεταξύ ζιρκονίου και PTFE σε αυτό το περιβάλλον είναι μεταξύ ενός υλικού του οποίου η αντοχή στη διάβρωση εξαρτάται από τη χημεία των ακαθαρσιών και ενός υλικού που είναι αδιάφορο γι' αυτό.
Η διπλή επίδραση των οξειδωτικών ακαθαρσιών στο ζιρκόνιο
Τα οξειδωτικά ιόντα μετάλλων στο θειικό οξύ επηρεάζουν τη διάβρωση του ζιρκονίου με δύο αντίθετους τρόπους ανάλογα με τη συγκέντρωσή τους.
Σε χαμηλές συγκεντρώσεις (10-100 ppm), τα ιόντα σιδήρου και χαλκού είναι ευεργετικά. Ανεβάζουν το δυναμικό διάβρωσης του ζιρκονίου στην παθητική περιοχή, ενισχύοντας το φιλμ ZrO2. Το ζιρκόνιο σε θειικό οξύ με ένα ίχνος ιόντων σιδήρου είναι πιο ανθεκτικό στη διάβρωση-από το ζιρκόνιο σε καθαρό οξύ. Αυτή η ευεργετική επίδραση είναι ευρέως γνωστή και μερικές φορές χρησιμοποιείται σκόπιμα-προσθέτοντας θειικό σίδηρο στο θειικό οξύ για την προστασία του εξοπλισμού ζιρκονίου.
Σε υψηλές συγκεντρώσεις (πάνω από περίπου 500-1.000 ppm, ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση του οξέος), τα ίδια οξειδωτικά ιόντα γίνονται επιζήμια. Το αυξημένο δυναμικό διάβρωσης οδηγεί το ζιρκόνιο στη μεταβατική περιοχή, όπου το φιλμ ZrO2 γίνεται ασταθές και διαλύεται. Το αποτέλεσμα είναι επιταχυνόμενη, συχνά εντοπισμένη διάβρωση. Η συγκέντρωση κατωφλίου για αυτή τη μετάβαση εξαρτάται από τη θερμοκρασία - σε υψηλότερες θερμοκρασίες, το όριο είναι χαμηλότερο.
| Παράμετρος διάβρωσης | Ζιρκόνιο 702 | PTFE |
|---|---|---|
| Μηχανισμός αντιδιαβρωτικής προστασίας | παθητικό φιλμ ZrO2 | Εγγενής σταθερότητα δεσμού C-F |
| Επίδραση Fe3+ στα 10-100 ppm | Ευεργετικό (ενισχύει το παθητικό φιλμ) | Κανένα αποτέλεσμα |
| Επίδραση Fe3+ στα 500-5.000 ppm | Επιζήμια (μεταπαθητική διάλυση) | Κανένα αποτέλεσμα |
| Επίδραση Cu2+ | Παρόμοιο με το Fe3⁺; το όριο ποικίλλει | Κανένα αποτέλεσμα |
| Απαίτηση παρακολούθησης συγκέντρωσης ακαθαρσιών | Κρίσιμο (πρέπει να παραμείνει σε παθητικό εύρος) | Κανένας |
| Συνέπεια εκδρομής ακαθαρσιών | Ταχεία εντοπισμένη διάβρωση | Καμία συνέπεια |
Το Σενάριο Εκδρομής Ακαθαρσίας
Οι χημικές διεργασίες βιώνουν εκδρομές ακαθαρσιών. Μια διαβρωτική πτερωτή αντλίας ανάντη απελευθερώνει ένα γυμνοσάλιαγκο σιδήρου. Μια αλλαγή στην ποιότητα της πρώτης ύλης εισάγει αυξημένο χαλκό. Ο εναλλάκτης θερμότητας, σχεδιασμένος για το κανονικό εύρος ακαθαρσιών, εκτίθεται σε συγκεντρώσεις πολύ εκτός αυτού του εύρους.
Το ζιρκόνιο που λειτουργεί στο "ασφαλές" καθεστώς χαμηλής-ακαθαρσίας μπορεί να ωθηθεί σε διαπερατή διάβρωση με εκροή τρισθενούς σιδήρου. Η ζημιά από τη διάβρωση συμβαίνει κατά τη διάρκεια της εκδρομής και μπορεί να συνεχιστεί αφού τα επίπεδα ακαθαρσιών επανέλθουν στο φυσιολογικό εάν έχει ξεκινήσει τοπική επίθεση. Η εκδρομή μπορεί να μείνει απαρατήρητη-δεν υπάρχει ορατή αλλαγή στο όξινο χρώμα και η παρακολούθηση της διάβρωσης είναι συχνά περιοδική και όχι συνεχής.
Το PTFE δεν επηρεάζεται από την εκδρομή σε οποιαδήποτε συγκέντρωση ακαθαρσιών. Ο ρυθμός διάβρωσης του υλικού παραμένει μηδενικός ανεξάρτητα από τη χημεία των ακαθαρσιών. Αυτή η αδιαφορία παρέχει ένα περιθώριο ασφάλειας που είναι πολύτιμο σε διαδικασίες όπου τα επίπεδα ακαθαρσιών είναι μεταβλητά, δεν παρακολουθούνται καλά ή υπόκεινται σε περιστασιακές εκδρομές.
Το Βάρος Παρακολούθησης και Ελέγχου
Το ζιρκόνιο σε θειικό οξύ απαιτεί παρακολούθηση της συγκέντρωσης οξειδωτικών προσμίξεων για να διασφαλιστεί ότι παραμένει εντός του ασφαλούς εύρους. Αυτή η παρακολούθηση καταναλώνει εργαστηριακούς πόρους και δημιουργεί ένα σημείο ελέγχου διαδικασίας που πρέπει να διαχειρίζεται. Εάν η συγκέντρωση της ακαθαρσίας τείνει προς το μεταβατικό όριο, πρέπει να ληφθούν διορθωτικά μέτρα-αραίωση, χημική ρύθμιση ή τροποποίηση της διαδικασίας-.
Το PTFE εξαλείφει αυτό το βάρος παρακολούθησης και ελέγχου. Δεν απαιτείται ανάλυση ακαθαρσιών για σκοπούς ελέγχου της διάβρωσης. Ο εναλλάκτης θερμότητας λειτουργεί με ασφάλεια σε οποιαδήποτε συγκέντρωση ακαθαρσιών από το μηδέν έως τον κορεσμό. Οι πόροι εργαστηρίου και μηχανικής διεργασιών που είναι αφιερωμένοι στη διαχείριση ακαθαρσιών μπορούν να ανακατευθυνθούν.
Περίληψη
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE είναι αδιάφοροι για τις οξειδωτικές μεταλλικές ακαθαρσίες στο θειικό οξύ, ενώ το ζιρκόνιο 702 μεταβαίνει από την παθητική προστασία στην επιταχυνόμενη διαπαθητική διάβρωση καθώς η συγκέντρωση της ακαθαρσίας αυξάνεται πάνω από ένα όριο. Το PTFE εξαλείφει την ανάγκη για παρακολούθηση και έλεγχο ακαθαρσιών και παρέχει ασυλία σε εκδρομές ακαθαρσιών που θα μπορούσαν να βλάψουν τον εξοπλισμό ζιρκονίου. Σε διεργασίες όπου η καθαρότητα του θειικού οξέος είναι μεταβλητή ή ανεπαρκώς ελεγχόμενη, το PTFE είναι η επιλογή υλικού χαμηλότερου-επικίνδυνου.
Η μηχανική υποστήριξη για την επιλογή υλικού στην υπηρεσία ακάθαρτου θειικού οξέος είναι διαθέσιμη με την υποβολή της συγκέντρωσης οξέος, των τύπων ακαθαρσιών και των περιοχών συγκέντρωσης, της θερμοκρασίας λειτουργίας και των τρεχόντων δεδομένων παρακολούθησης διάβρωσης.
