Ποια είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη συγκέντρωση ιόντων φθορίου σε λουτρό 20% φωσφορικού οξέος για να διατηρηθεί σε λειτουργία ένας θερμαντήρας PFA για 3 χρόνια;

Τα ιόντα φθορίου (F-) από ακαθαρσίες ή άλλα βοηθητικά επεξεργασίας επιταχύνουν σημαντικά τη διάσπαση των περιβλημάτων θερμαντήρα PFA σε φωσφορικό οξύ 20% (H3PO4) σε υψηλές θερμοκρασίες (80-120 βαθμούς). Διεισδύοντας στο πολυμερές και διαβρώνοντας τον μεταλλικό πυρήνα (τιτάνιο ή Incoloy) με υδροφθορικό οξύ (HF) που παράγεται in situ, το φθόριο στοχεύει τη διεπιφάνεια του μετάλλου PFA-. Για να παραμείνει λειτουργικός ένας θερμαντήρας PFA για τρία χρόνια (περίπου 25.000 ώρες συνεχούς λειτουργίας), η μέγιστη επιτρεπόμενη συγκέντρωση ιόντων φθορίου είναι 50 ppm στους 80 βαθμούς, 20 ppm στους 100 βαθμούς και 5 ppm στους 120 βαθμούς. Εντός έξι έως δεκαοκτώ μηνών, η βελτιωμένη διάβρωση-από αυτά τα όρια προκαλεί σφάλματα γείωσης ή αστοχία πυρήνα. Ο έλεγχος των επιπέδων φθορίου είναι ζωτικής σημασίας για τη μακροζωία του θερμαντήρα σε λουτρά φωσφορικού οξέος που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή λιπασμάτων ή την επεξεργασία μετάλλων.

Μηχανισμός προσβολής φθορίου φωσφορικού οξέος
Σε θερμοκρασίες έως και 120 βαθμούς, το φωσφορικό οξύ δεν είναι επιβλαβές για το PFA. Τα ιόντα φθορίου, από την άλλη πλευρά, είναι εξαιρετικά επιθετικά και απαντώνται συχνά ως HF ή φθοριοπυριτικό οξύ από την επεξεργασία φωσφορικών πετρωμάτων. Λόγω του μικροσκοπικού τους μεγέθους (κινητική διάμετρος 0,26 nm), τα μόρια HF διέρχονται από το τοίχωμα PFA πιο γρήγορα από το H3PO4 (βλ. άρθρο #35). Η διάβρωση προέρχεται από τη γρήγορη διάλυση του στρώματος παθητικού οξειδίου από το HF μόλις φτάσει στον μεταλλικό πυρήνα (τιτάνιο ή Incoloy). Αν και και τα δύο προσβάλλονται σε συγκεντρώσεις φθορίου 10-20 ppm στους 100 βαθμούς, το τιτάνιο είναι πιο ανθεκτικό στο HF από το Incoloy. Το περίβλημα PFA δημιουργεί φουσκάλες και σπάει από το εσωτερικό λόγω της εσωτερικής πίεσης που προκαλείται από τα προϊόντα διάβρωσης (φθοριούχα μέταλλα), τα οποία έχουν μεγαλύτερο όγκο από το αρχικό μέταλλο.

Η συνεργιστική επίδραση είναι ζωτικής σημασίας: με την πλαστικοποίηση του PFA, το διάλυμα H3PO4 20% διατηρεί υψηλή συγκέντρωση πρωτονίων (H+), η οποία επιταχύνει τη διείσδυση HF. Σε σύγκριση με το-φωσφορικό οξύ χωρίς φθόριο, ο ρυθμός διείσδυσης των ειδών οξέος διπλασιάζεται όταν υπάρχει φθόριο σε συγκεντρώσεις τόσο χαμηλές όσο 10 ppm.

Μέγιστη επιτρεπόμενη συγκέντρωση φθορίου για τρία-χρόνια ζωής (25.000 ώρες)
Θερμοκρασία λειτουργίας ( βαθμός ) Μέγιστη βαθμίδα F (ppm) για διάρκεια ζωής 3 ετών Αναμενόμενη διάρκεια ζωής θερμαντήρα στο διπλάσιο όριο (έτη) Προτεινόμενο υλικό πυρήνα Λειτουργία αστοχίας 80 50 1.0–1,5 Core pitting Incoloy 825 90 30 0.8–1,2 Blistering Incoloy ή Titanium Gradele+B{0} 2 110 10 0.3–0,6 Ταχεία διάβρωση πυρήνα Βαθμός τιτανίου 2 120 5 0.2–0,4 Κίνδυνος άμεσης αποτυχίας Δεν συνιστάται
Αυτά τα όρια βασίζονται στη συνεχή βύθιση και σε ένα τοίχωμα PFA 2 mm. Επειδή το μεγαλύτερο κανάλι διάχυσης μειώνει τον ρυθμό άφιξης HF, η επιτρεπόμενη συγκέντρωση φθορίου αυξάνεται κατά 30–50% για παχύτερους τοίχους (2,5–3,0 mm).

Πληροφορίες πεδίου από Εξατμιστήρες Φωσφορικού Οξέος
Κάθε οκτώ έως δώδεκα μήνες, οι θερμαντήρες PFA (τοίχωμα 2 mm, πυρήνας Incoloy) απέτυχαν σε μια μονάδα συγκέντρωσης φωσφορικού οξέος που λειτουργούσε στους 100 βαθμούς με 20% H3PO4 που περιείχε 25-35 ppm F-. Ο πυρήνας Incoloy είχε σημαντική διάνοιξη, σύμφωνα με μεταλλουργικές δοκιμές. Το F- μειώθηκε στα 8 ppm στην ίδια εγκατάσταση χρησιμοποιώντας έναν βρόχο εναλλάκτη θερμότητας με ένα βήμα απομάκρυνσης φθορίου (προσθήκη ασβέστη για την καθίζηση CaF2). Η διάρκεια ζωής του θερμαντήρα αυξήθηκε σε 28 μήνες (σχεδόν τα αναμενόμενα 3 χρόνια στα 10 ppm). Το εργοστάσιο χρησιμοποιεί επί του παρόντος πυρήνες τιτανίου για επιπλέον περιθώριο και διατηρεί το F⁻ κάτω από 15 ppm.

Παρατήρηση και Μείωση
Καθιερώστε ένα εβδομαδιαίο πρόγραμμα παρακολούθησης φθορίου χρησιμοποιώντας ένα ιόν-επιλεκτικό ηλεκτρόδιο και διατηρήστε τις συγκεντρώσεις κάτω από τους περιορισμούς τριών- ετών για μακροχρόνια-λειτουργία θερμαντήρα PFA σε φωσφορικό οξύ 20%. Τρία μέτρα αποκατάστασης είναι διαθέσιμα σε περίπτωση που τα επίπεδα φθορίου υπερβούν το όριο:

Για να δημιουργήσετε αδιάλυτο CaF2, προσθέστε έναν παράγοντα καθίζησης (άσβεστο ή ανθρακικό ασβέστιο), ο οποίος στη συνέχεια διηθήθηκε. Ως αποτέλεσμα, το F⁻ πέφτει από 50 ppm σε 5–10 ppm.

Αλλάξτε σε τοίχο PFA με πάχος 3,0 mm. Επειδή η διείσδυση HF σχετίζεται αντιστρόφως με το πάχος, ένα τοίχωμα 3 mm διπλασιάζει το χρόνο μέχρι τη διάβρωση του πυρήνα για την ίδια συγκέντρωση F-.

Χρησιμοποιήστε έναν πυρήνα τιτανίου που είναι πιο ανθεκτικός στο HF. Σε οξέα που περιέχουν-φθόριο, το τιτάνιο Βαθμού 7 (κράμα Pd-) υπερέχει του Βαθμού 2.

Συμπερασματικά, το όριο για τρία-χρόνια διάρκεια ζωής είναι 20 ppm F⁻ στους 100 βαθμούς .
Η μέγιστη επιτρεπόμενη συγκέντρωση ιόντων φθορίου για έναν θερμαντήρα PFA που λειτουργεί σε λουτρό φωσφορικού οξέος 20% στους 100 βαθμούς για τρία χρόνια είναι 20 ppm. Το όριο αυξάνεται στα 50 ppm στους 80 βαθμούς και μειώνεται σε 5 ppm στους 120 βαθμούς. Το φθόριο μειώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα επιταχύνοντας τη διείσδυση HF και τη διάβρωση του πυρήνα. Για μακροπρόθεσμη{10}}αξιοπιστία, η τακτική παρακολούθηση και η αποβολή φθορίου (με κατακρήμνιση ασβέστη) είναι ζωτικής σημασίας. Χρησιμοποιήστε πυρήνες τιτανίου και παχύτερα τοιχώματα PFA (2,5–3,0 mm) για εφαρμογές όπου το φθόριο δεν μπορεί να αποφευχθεί. Το φθόριο είναι θανατηφόρο, ωστόσο το φωσφορικό οξύ μπορεί να είναι αβλαβές. Ο θερμαντήρας ζει εάν ελέγχεται το φθόριο. Εάν το αγνοήσετε, η αποτυχία θα συμβεί σε λίγους μήνες.