Ekstremno okruženje
Luženje miješane dušične-fluorovodične kiseline na 90 stupnjeva predstavlja jedno od najagresivnijih okruženja u industrijskoj kemijskoj obradi. Otopina-obično 10-20% HNO₃ i 2-5% HF-kombinira jaku oksidacijsku moć dušične kiseline s jedinstvenom sposobnošću fluoridnog iona da stvara komplekse i otapa 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 ojačava leguru i dodatno povećava otpornost na napad fluorida kroz učinke čvrste otopine na pasivni film.
PTFE je otporan na obje kiseline pojedinačno i na njihovu kombinaciju. Nema pasivnog filma za napad. Ne postoje metalni atomi za kompleksiranje fluorida. Usporedba između najotpornijeg metala i inertnog polimera u ovom ekstremnom okruženju osvjetljava temeljna ograničenja metalne zaštite od korozije.
Tantalov pasivni film pod napadom fluorida
Tantal je otporan na miješani HNO₃-HF kroz Ta₂O₅ pasivni film koji je jedan od kemijski najotpornijih poznatih oksida. Film je stabilan u dušičnoj kiselini u cijelom rasponu koncentracije i temperature. U prisutnosti fluoridnih iona, film prolazi kroz sporu reakciju otapanja:
Ta₂O₅ + 14HF → 2TaF₇²⁻ + 5H₂O + 4H⁺
Kompleks tantal-fluorida je topiv. Film se otapa. Donji metalni tantal reagira s dušičnom kiselinom, koja ponovno -oksidira površinu i reformira pasivni film. Konačni rezultat je kontinuirani, polagani gubitak tantala-brzina korozije koja ovisi o koncentraciji HF, temperaturi i omjeru HNO₃/HF.
Dodatak volframa Ta-2,5W modificira ovo ponašanje. Atomi volframa ugrađeni u pasivni film mijenjaju njegovu elektroničku strukturu, čineći ga otpornijim na napad fluorida. 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 (čisti) | Tantal-2,5W | PTFE |
|---|---|---|---|
| Mehanizam zaštite od korozije | Ta₂O₅ pasivni film | W-modificirani Ta₂O₅ pasivni film | Inherentna stabilnost C{0}}F veze |
| Stopa korozije u 15% HNO₃ + 3% HF na 90 stupnjeva (mm/godina) | 0.02-0.08 | 0.01-0.05 | 0 |
| Stopa korozije ako se HF poveća na 5% (mm/godina) | 0.05-0.15 | 0.03-0.10 | 0 |
| Osjetljivost na omjer HNO3/HF | Visoka (stabilnost filma ovisi o ravnoteži oksidansa/fluorida) | Umjereno | Nijedan |
| Osjetljivost na temperaturu | Visoko (stopa se otprilike udvostručuje na svakih 15 stupnjeva) | visoko | Ništa (ispod 260 stupnjeva) |
| Korozija zone zavara | Moguć preferencijalni napad | Smanjeno, ali ne i eliminirano | N/A (bez zavara) |
| Trošak materijala (relativan) | 40-60× | 50-80× | 1× |
Faktor temperaturnog ubrzanja
Brzina korozije tantala u otopinama-koje sadrže fluorid jako-ovisi o temperaturi. Stopa se približno udvostručuje za svakih 15 stupnjeva povećanja. Na 60 stupnjeva, izmjenjivač topline Ta-2,5W može služiti 5-8 godina. Pri 90 stupnjeva radni vijek može se skratiti na 2-3 godine. Na 110 stupnjeva, zamjena može biti potrebna unutar 12-18 mjeseci.
Stopa korozije PTFE-a je nula na sve tri temperature. Životni vijek izmjenjivača topline određen je mehaničkim puzanjem od tlaka pare, a ne kemijskim djelovanjem. Na 90 stupnjeva, uz odgovarajuću kontrolu tlaka pare, PTFE pruža 15+ godina radnog vijeka - 5-7 puta duži od Ta-2,5W.
Ranjivost izleta
Omjer HNO₃/HF u kupkama za dekapiranje varira tijekom rada. Uvlačenje obradaka-u vodu za ispiranje razrjeđuje kupku. Dodaci kiseline za ponovno uspostavljanje koncentracije mogu se napraviti s malo-omjerima specificiranih. Gubici isparavanjem mijenjaju sastav. Ove varijacije pomiču ravnotežu oksidans/fluorid na koju se tantal oslanja kako bi održao svoj pasivni film.
Razdoblje niskog omjera HNO₃/HF-zbog pogreške dodavanja kiseline, na primjer-može skinuti tantal s pasivnog filma brže nego što ga dostupna dušična kiselina može preoblikovati. Rezultirajuća aktivna korozija nastavlja se sve dok se kiselinski omjer ne ispravi. Šteta od jednog izleta može biti jednaka mjesecima normalne korozije u radu.
PTFE nije osjetljiv na kiselinski omjer. Ekskurzija omjera bilo koje veličine ostavlja materijal nepromijenjenim. Ova sposobnost preživljavanja odstupanja jednako je vrijedna kao -stopa korozije u stabilnom stanju pri određivanju praktičnog životnog vijeka.
Sažetak
PTFE izmjenjivači topline bezuvjetno su otporni na miješani HNO₃-HF dekapiranje na 90 stupnjeva, dok tantal-2,5% volfram legura-najotporniji komercijalni metal za ovu uslugu-korodira 0,01-0,05 mm/godišnje kroz pasivno otapanje filma fluoridom. Brzina korozije ubrzava se s temperaturom i osjetljiva je na omjer HNO3/HF. PTFE pruža 5-7x dulji radni vijek, eliminira osjetljivost na odstupanja u procesu i košta samo djelić cijene vatrostalne legure. U mješovitoj HNO₃-HF usluzi unutar PTFE temperaturnih ograničenja, PTFE je superioran izbor.
Inženjerska podrška za specifikaciju PTFE izmjenjivača topline u kiselinskom luženju mješovitom kiselinom dostupna je nakon podnošenja koncentracija kiseline, normalnih i ekskurzijskih temperaturnih raspona i podataka o trenutnom vijeku trajanja opreme.
