Hvad er den maksimalt tilladte fluoridionkoncentration i et 20 % fosforsyrebad for at holde en PFA-varmer i drift i 3 år?

Fluor-ioner (F⁻) fra urenheder eller andre proceshjælpemidler fremskynder i høj grad nedbrydningen af ​​PFA-varmehylstre i 20% fosforsyre (H₃PO₄) ved høje temperaturer (80-120 grader). Ved at trænge ind i polymeren og korrodere metalkernen (titanium eller Incoloy) med flussyre (HF) produceret in situ, målretter fluor PFA-metalgrænsefladen. For at en PFA-varmer skal forblive funktionel i tre år (ca. 25.000 timers kontinuerlig drift), er den maksimalt tilladte fluoridionkoncentration 50 ppm ved 80 grader, 20 ppm ved 100 grader og 5 ppm ved 120 grader. Inden for seks til atten måneder forårsager permeation-forbedret korrosion over disse tærskler jordfejl eller kernefejl. Kontrol af fluoridniveauer er afgørende for varmeapparatets levetid i phosphorsyrebade, der bruges til gødningsproduktion eller metalbehandling.

Fosforsyres fluoridangrebsmekanisme
Ved temperaturer så høje som 120 grader er fosforsyre ikke skadelig for PFA. Fluorioner er på den anden side ekstremt aggressive og findes ofte som HF eller fluorkiselsyre fra forarbejdning af fosfatsten. På grund af deres lille størrelse (kinetisk diameter på 0,26 nm), passerer HF-molekyler gennem PFA-væggen hurtigere end H₃PO4 (se artikel #35). Pitting-korrosion skyldes HF's hurtige opløsning af det passive oxidlag, når det når metalkernen (titanium eller Incoloy). Selvom begge angribes ved fluoridkoncentrationer på 10-20 ppm ved 100 grader, er titanium mere modstandsdygtigt over for HF end Incoloy. PFA-kappen blærer og brækker indefra på grund af indre tryk forårsaget af korrosionsprodukterne (metalfluorider), som har et højere volumen end det originale metal.

Den synergistiske effekt er afgørende: Ved at plastificere PFA'en holder 20% H3PO4-opløsningen en høj koncentration af protoner (H⁺), hvilket fremskynder HF-gennemtrængning. Sammenlignet med fluorid-fri phosphorsyre fordobles penetrationshastigheden af ​​syrearter, når fluorid er til stede i koncentrationer så lave som 10 ppm.

Maksimal tilladt fluoridkoncentration i en tre-årig levetid (25.000 timer)
Driftstemperatur (grad) Maksimal F-grad (ppm) for en 3-årig levetid. Forventet levetid for varmelegeme ved dobbelt grænse (år) Fejltilstand Foreslået kernemateriale 80 50 1.0–1,5 Core pitting Incoloy 825 90 30 0.8–1,2 Blistering Incoloy eller Titanium 100 20 0.5–1,0 Blistering Titanium}– {0. korrosion Titanium Grade 2 120 5 0.2–0,4Risiko for øjeblikkelig fejl Ikke anbefalet
Disse grænser er baseret på kontinuerlig nedsænkning og en 2 mm PFA-væg. Fordi den længere diffusionskanal sænker HF-ankomsthastigheden, stiger den tilladte fluoridkoncentration med 30-50% for tykkere vægge (2,5-3,0 mm).

Feltinformation fra fordampere af fosforsyre
Hver ottende til tolvte måned fejlede PFA-varmere (2 mm væg, Incoloy-kerne) i et fosforsyrekoncentrationsanlæg, der kørte ved 100 grader med 20% H3PO4 indeholdende 25-35 ppm F⁻. Incoloy-kernen havde signifikant grubetæring ifølge metallurgiske tests. F⁻ blev sænket til 8 ppm i samme anlæg under anvendelse af en varmevekslersløjfe med et fluoridfjernelsestrin (tilsætning af kalk for at udfælde CaF2). Varmerens levetid blev øget til 28 måneder (næsten de forventede 3 år ved 10 ppm). Fabrikken bruger i øjeblikket titaniumkerner til ekstra margin og holder F⁻ under 15 ppm.

Observation og reduktion
Etabler en ugentlig fluoridovervågningsplan ved hjælp af en ion-selektiv elektrode, og hold koncentrationerne under de tre-års begrænsninger for lang-PFA-varmerdrift i 20 % fosforsyre. Tre afhjælpende foranstaltninger er tilgængelige i tilfælde af, at fluoridniveauet overskrider grænsen:

For at skabe uopløselig CaF₂ tilsættes et udfældningsmiddel (kalk eller calciumcarbonat), som derefter filtreres fra. Som et resultat falder F⁻ fra 50 ppm til 5-10 ppm.

Skift til en PFA-væg, der er 3,0 mm tykkere. Fordi HF-gennemtrængning er omvendt relateret til tykkelsen, fordobler en 3 mm væg tiden til kernekorrosion for den samme F⁻-koncentration.

Brug en titaniumkerne, der er mere modstandsdygtig over for HF. I fluorid-holdige syrer overgår titanium Grade 7 (Pd-legeret) Grad 2.

Som konklusion er grænsen for en tre-årig levetid 20 ppm F⁻ ved 100 grader .
Den maksimalt tilladte fluoridionkoncentration for en PFA-varmer, der arbejder i et 20 % fosforsyrebad ved 100 grader i tre år, er 20 ppm. Grænsen stiger til 50 ppm ved 80 grader og falder til 5 ppm ved 120 grader. Fluor reducerer varmelegemets levetid betydeligt ved at fremskynde HF-gennemtrængning og kernekorrosion. For langsigtet pålidelighed er regelmæssig overvågning og fjernelse af fluor (ved kalkudfældning) afgørende. Brug titaniumkerner og tykkere PFA-vægge (2,5–3,0 mm) til applikationer, hvor fluorid ikke kan undgås. Fluor er dødbringende, men alligevel kan fosforsyre være harmløst. Varmelegemet lever, hvis fluoret er kontrolleret. Hvis du ignorerer det, vil fejl opstå i løbet af få måneder.