Pitanje pH raspona
Procesni inženjeri koji odabiru izmjenjivač topline za kemijsku uslugu često se pitaju: koji pH raspon ovaj materijal može podnijeti? Pitanje pretpostavlja jedan-materijalni odgovor. Za metalne izmjenjivače topline, posebno za titan, odgovor ne ovisi samo o pH procesne tekućine već i o svemu ostalom povezanom sa sustavom.
Titan je otporan na koroziju u pH rasponu od približno 2-12 u uvjetima oksidacije. Ovaj asortiman pokriva mnoge industrijske primjene. Ali prisutnost drugih metala u sustavu-rotorima pumpi, tijelima ventila, stjenkama spremnika, anodnim košarama-uvodi drugi mehanizam korozije koji nije povezan s pH: galvansku koroziju.
Potpuno PTFE izmjenjivač topline nema rizik od galvanske korozije jer nije električki-provodljiv. Njegov upotrebljivi raspon pH proteže se od 0 do 14 bez ovisnosti o oksidacijskim ili redukcijskim uvjetima. Ova dva materijala problemu korozije pristupaju s potpuno različitih fizičkih principa.
pH ograničenja titana i galvanska zamka korozije
Otpornost titana na koroziju oslanja se na stabilan pasivni film TiO₂. Ovaj film je stabilan u oksidirajućim kiselinama u pH rasponu od otprilike 2-12. U redukcijskim kiselinama-vrući HCl, HBr i HF pri bilo kojem pH-film se otapa i titan aktivno korodira. U jako alkalnim otopinama iznad pH 12 na povišenim temperaturama, film se također može otopiti, što dovodi do ravnomjerne korozije ili vodikove krtosti.
Čak i unutar sigurnog pH raspona za titan, galvanska korozija može uništiti metal ako se električno spoji s plemenitijim materijalom. Titan je relativno plemenit u galvanskom nizu u svom pasivnom stanju. Ako se titan spoji s grafitom, platinom ili određenim nehrđajućim čelikom u vodljivoj otopini, titan je katodan i općenito siguran. Ali ako se titanski pasivni film pokvari lokalno-zbog ogrebotine, pukotine ili kemijskog poremećaja-izloženi aktivni titanij visoko je anodan u odnosu na okolnu pasivnu površinu. Galvanski spoj između aktivnog i pasivnog titana na istoj komponenti pokreće brz piting.
Vanjski metali u sustavu povećavaju rizik. Izmjenjivač topline od titana u spremniku od nehrđajućeg čelika s bakrenim sabirnicama stvara više-metalni sustav. Ako teku lutajuće struje ili se potencijali uzemljenja razlikuju, galvanska korozija može napasti najmanje plemeniti metal u krugu-potencijalno titan u depasiviranim uvjetima.
Tablica 1: Usporedba pH i galvanske korozije
| Svojstvo korozije | Titan (2. stupanj) | PTFE |
|---|---|---|
| Upotrebljivi raspon pH (uvjeti oksidacije) | 2-12 | 0-14 |
| Upotrebljivi raspon pH (uvjeti redukcije) | 4-10 (strogo ograničeno) | 0-14 (bez ograničenja) |
| Otpornost na HF pri bilo kojem pH | Nijedan | Kompletan |
| Otpornost na vrući koncentrirani NaOH | Ograničeno (vodikova krtost iznad pH 12, 80 stupnjeva) | Dovršite do 260 stupnjeva |
| Električna vodljivost | Vodljivi | Ne{0}}provodljiv (izolator) |
| Opasnost od galvanske korozije | Prisutan (kada je povezan s različitim metalima) | Nula (bez električnog puta) |
| Opasnost od korozije lutajuće struje | Predstaviti | Nula |
| Ovisnost o pasivnosti | Kritično (prekid filma → brzi napad) | Ništa (bez pasivnog filma) |
| Rizik od korozije pukotina u morskoj vodi/kloridima | Umjereno (iznad 70 stupnjeva) | Nula |
PTFE: nula električne vodljivosti, nula galvanskog rizika
PTFE je električni izolator s volumnim otporom većim od 10¹⁸ ohm·cm. Kroz materijal ne može teći električna struja. Za galvansku koroziju potreban je električni krug: anoda, katoda, vodljivi put kroz otopinu i vodljivi put kroz metal. PTFE ne može dovršiti metalni vodljivi put.
PTFE izmjenjivač topline uronjen u procesni spremnik može biti okružen bilo kojom kombinacijom metala s bilo kojim električnim potencijalom. Između PTFE-a i tih metala ne stvaraju se galvanske ćelije jer PTFE ne doprinosi elektronskoj vodljivosti. Fluorpolimer je električno nevidljiv sustavu.
Ova električna inertnost proteže se na koroziju lutajuće struje. U elektrokemijskoj obradi-galvaniziranju, elektropreparaciji, anodizaciji-lutajuće struje koje teku kroz otopinu mogu ući i izaći iz metalnih izmjenjivača topline, uzrokujući jaku lokaliziranu koroziju na trenutnim izlaznim točkama. Budući da PTFE nije vodljiv, ne može prenositi lutajuću struju. Struja u potpunosti zaobilazi izmjenjivač topline.
Raspon pH: apsolutni u odnosu na uvjetni
Titanov pH raspon od 2-12 u uvjetima oksidacije je uvjetan. Održavanje pasivnog filma ovisi o prisutnosti oksidansa. Isključuje fluoride, kloride iznad kritičnih temperatura i reducirajuće kiseline. Zahtijeva odsutnost galvanskih parova i lutajućih struja. Ovi uvjeti se mogu kontrolirati u dobro kontroliranom procesu, ali zahtijevaju inženjersku pozornost i operativnu disciplinu.
PTFE pH raspon od 0-14 je apsolutan. Nijedan kemijski uvjet unutar ovog raspona ni na jednoj praktičnoj temperaturi ne degradira materijal. Oksidator nije potreban. Ne smije se održavati pasivni film. Nije potrebna galvanska izolacija. Materijal je intrinzično otporan na mehanizme elektrokemijske korozije.
Sažetak
PTFE izmjenjivači topline rade sa širim učinkovitim rasponom pH od titana jer je otpornost fluoropolimera na koroziju neovisna o elektrokemijskim uvjetima. Upotrebljivi pH raspon titana ovisi o uvjetima oksidacije, ograničen je u redukcijskim kiselinama i vrućim alkalijama te je osjetljiv na galvansku i lutajuću koroziju kada su u sustavu prisutni drugi metali.
PTFE eliminira rizik od galvanske korozije kroz električnu ne{0}}vodljivost i eliminira pH ograničenja kroz termodinamičku stabilnost veza ugljika-fluora. Raspon pH PTFE-a je apsolutni od 0 do 14 bez uvjetnih ograničenja.
Inženjerska analiza za odabir materijala izmjenjivača topline u širokim pH i elektrokemijskim uvjetima dostupna je nakon podnošenja kompletne kemije procesa, raspona pH, oksidacijsko-redukcijskog potencijala, drugih metala u sustavu i svih uočenih uzoraka korozije na postojećoj opremi.
