Visoko{0}}silicijsko čelično rješenje
Koncentrirana dušična kiselina na temperaturama iznad 80 stupnjeva jedno je od najagresivnijih oksidirajućih okruženja u kemijskoj industriji. Standardni nehrđajući čelici kao što su 304L i 316L korodiraju neprihvatljivim brzinama. Rješenje koje su razvili metalurzi su legure nehrđajućeg čelika-s visokim udjelom-silicija-koje sadrže 4-6% silicija, kao što je UNS S30600 ili zaštićene kvalitete. Silicij obogaćuje pasivni film, dramatično poboljšavajući otpornost na koroziju dušične kiseline.
Ove legure predstavljaju vrhunac razvoja nehrđajućeg čelika za upotrebu dušične kiseline. Specificirani su za najzahtjevnije primjene: kondenzatori dušične kiseline, zavojnice za grijanje reaktora i oprema za koncentraciju kiseline. Oni su skupi, specijalizirani i učinkoviti.
PTFE je polimer bez metalurške sofisticiranosti. Njegova otpornost na dušičnu kiselinu proizlazi iz jedne molekularne činjenice: veze ugljik-fluor. Usporedba između-nehrđajućeg čelika s visokim sadržajem silicija i PTFE-a u dušičnoj kiselini je između najboljeg dostupnog metalnog materijala-sa svojim pažljivo projektiranim pasivnim filmom-i materijala koji je otporan na kiselinu jer ne može reagirati s njom.
Mehanizam silikonskog pasivnog filma
Nehrđajući čelik s visokim-silicijem otporan je na dušičnu kiselinu stvaranjem pasivnog filma obogaćenog silicijevim dioksidom. U oksidirajućim sredinama, krom u čeliku tvori Cr₂O3. Silicij, prisutan u čvrstoj otopini u matrici legure, oksidira u SiO₂. SiO₂ se ugrađuje u pasivni film, stabilizirajući ga protiv transpasivnog otapanja koje utječe na filmove -bogate kromom u vrućoj dušičnoj kiselini.
Film obogaćen-silicijem učinkovit je, ali nije neranjiv. Film se mora kontinuirano održavati oksidacijskom snagom dušične kiseline. Ako koncentracija kiseline padne-tijekom razrjeđivanja, ciklusa ispiranja ili gašenja-film se može destabilizirati. Ako se kiselina onečisti kloridom (zbog curenja vode za hlađenje, nečistoća sirovine ili atmosferskog taloženja), piting može započeti na oštećenjima filma. Film je također osjetljiv na metalurško stanje čelika-osjetljivost uslijed zavarivanja ili toplinske obrade stvara-zone osiromašene kromom koje obogaćivanje silicijem ne može u potpunosti nadoknaditi.
| Parametar korozije | Visok-Silicij SS (4-6% Si) | PTFE |
|---|---|---|
| Mehanizam zaštite od korozije | Pasivni film obogaćen SiO₂- | Inherentna stabilnost C{0}}F veze |
| Stopa korozije u 65% HNO₃ na 120 stupnjeva (mm/godina) | 0.01-0.05 | 0 |
| Stopa korozije ako koncentracija kiseline padne na 10% | 0,02-0,10 (manje stabilan pasivni film) | 0 |
| Otpornost na piting klorida | Poboljšani u odnosu na standardni SS; nije imun | Imunološki |
| Korozija zone zavara | Moguća senzibilizacija; zahtijeva žarenje otopinom | N/A (bez zavara u snopu cijevi) |
| Osjetljivost na poremećaje procesa | Umjereno (potreban je popravak filma) | Nijedan |
| Toplinska vodljivost (W/m·K) | 15-20 | 0.25 |
| Trošak materijala (relativan) | 6-10× | 1× |
Odgovor na poremećaj procesa
Najznačajnija operativna razlika između nehrđajućeg čelika s visokim{0}}silicijem i PTFE-a u radu s dušičnom kiselinom je odgovor na smetnje u procesu. Sustav grijanja s dušičnom kiselinom može doživjeti događaje razrjeđivanja (povratni tok kondenzata, prodor vode za ispiranje, curenje pare), događaje kontaminacije kloridima (curenje-vode za hlađenje, skokovi nečistoće sirovine) ili temperaturne ekskurzije.
Nehrđajući čelik s visokim-silicijem može preživjeti te događaje ako su blagi i kratki. Ali svako uzrujavanje naglašava pasivni film. Ponovljena uznemiravanja akumuliraju štetu. Kumulativni učinak manjih odstupanja procesa tijekom godina može pokrenuti koroziju koja se širi tijekom naknadnog normalnog rada.
PTFE nema mehanizam kumulativnog oštećenja. Svaki poremećaj je diskretan događaj koji ne ostavlja traga na materijalu. Stoto uzrujavanje preživjelo je jednako potpuno kao i prvo. Ova karakteristika "bez-memorije" svojstvena je kemijskoj inertnosti PTFE-a i neovisna je o kvaliteti kontrole procesa.
Usporedba troškova i otiska
Visoko{0}}silicijski izmjenjivači topline od nehrđajućeg čelika koštaju 6-10 puta više od PTFE ekvivalenata za isti toplinski učinak, potaknut cijenom specijalizirane legure i složenošću izrade. Čelični izmjenjivač je kompaktan - njegova toplinska vodljivost od 15-20 W/m·K zahtijeva samo 1/60 do 1/80 površine PTFE-a.
PTFE izmjenjivači su veći i zahtijevaju više prostora za ugradnju. Gdje ima prostora i prihvatljiv je veći otisak, PTFE donosi niže ukupne troškove instaliranja bez rizika od korozije. Tamo gdje je prostor jako ograničen-kao u nekim postojećim rekonstrukcijama postrojenja-s visokim-silicijem, kompaktnost nehrđajućeg čelika opravdava njegovu višu cijenu i ograničen rizik od korozije.
Sažetak
PTFE izmjenjivači topline bezuvjetno su otporni na vruću koncentriranu dušičnu kiselinu zbog inherentne molekularne inertnosti, dok se nehrđajući čelik s visokim -silicijem- oslanja na pasivni film-obogaćen silicijem koji, iako je vrlo otporan, može biti ugrožen procesnim poremećajima, kontaminacijom kloridom ili osjetljivošću zavara. PTFE eliminira kumulativno oštećenje od korozije, ne zahtijeva postupke oporavka od uznemiravanja i košta samo djelić specijaliziranog čelika. Veći PTFE trag je kompromis-. U radu s dušičnom kiselinom unutar PTFE-ovog temperaturnog ograničenja od 260 stupnjeva, PTFE je izbor s nižim-rizikom i nižim-troškovima gdje to prostor dopušta.
Inženjerska podrška za izbor materijala od nehrđajućeg čelika s visokim sadržajem-silicija u radu s dušičnom kiselinom dostupna je nakon podnošenja koncentracije kiseline, normalnih i poremećenih temperaturnih raspona, rizika od kontaminacije kloridima i dostupnog prostora za ugradnju.
