Каква е максимално допустимата концентрация на флуорни йони в баня с 20% фосфорна киселина, за да поддържа PFA нагревател работещ в продължение на 3 години?

Флуоридните йони (F⁻) от примеси или други помощни средства за обработка значително ускоряват разграждането на PFA нагревателните обвивки в 20% фосфорна киселина (H₃PO₄) при високи температури (80–120 градуса). Чрез проникване в полимера и корозиране на металната сърцевина (титан или Incoloy) с флуороводородна киселина (HF), произведена на място, флуоридът се насочва към PFA-металния интерфейс. За да може един PFA нагревател да остане функционален в продължение на три години (около 25 000 часа непрекъсната работа), максималната допустима концентрация на флуоридни йони е 50 ppm при 80 градуса, 20 ppm при 100 градуса и 5 ppm при 120 градуса. В рамките на шест до осемнадесет месеца корозията,-засилена с проникване над тези прагове, причинява заземяване или повреда на сърцевината. Контролирането на нивата на флуорид е от решаващо значение за дълготрайността на нагревателя във ваните с фосфорна киселина, използвани за производство на торове или обработка на метали.

Флуоридният атакуващ механизъм на фосфорната киселина
При температури до 120 градуса, фосфорната киселина не е вредна за PFA. Флуоридните йони, от друга страна, са изключително агресивни и често се срещат като HF или флуоросилициева киселина от обработката на фосфатни скали. Поради малкия си размер (кинетичен диаметър от 0,26 nm), HF молекулите преминават през стената на PFA по-бързо от H₃PO₄ (вижте член #35). Точковата корозия е резултат от бързото разтваряне на HF на пасивния оксиден слой, след като той достигне металната сърцевина (титан или Incoloy). Въпреки че и двата са атакувани при концентрации на флуорид от 10-20 ppm при 100 градуса, титанът е по-устойчив на HF от Incoloy. PFA обвивката образува мехури и се счупва отвътре поради вътрешното налягане, причинено от корозионните продукти (метални флуориди), които имат по-голям обем от оригиналния метал.

Синергичното въздействие е от решаващо значение: чрез пластифициране на PFA, 20% разтвор на H3PO4 поддържа висока концентрация на протони (H⁺), което ускорява проникването на HF. В сравнение със свободната от флуорид - фосфорна киселина, скоростта на проникване на киселинните видове се удвоява, когато флуоридът присъства в концентрации от толкова ниски, колкото 10 ppm.

Максимална концентрация на флуорид, разрешена за три-годишен живот (25 000 часа)
Работна температура (градуси) Максимален градус F (ppm) за 3-годишен живот Очакван живот на нагревателя при удвояване на лимита (години) Режим на повреда Препоръчителен материал на сърцевината 80 50 1.0–1,5 Core pitting Incoloy 825 90 30 0.8–1,2 Blisting Incoloy или титан 100 20 0.5–1,0 Blistering + cracking Titanium Grade 2 110 10 0.3–0,6 Бърза корозия на сърцевината Клас на титан 2 120 5 0.2–0,4 Риск от незабавна повреда Не се препоръчва
Тези граници се основават на непрекъснато потапяне и 2 mm PFA стена. Тъй като по-дългият дифузионен канал намалява скоростта на пристигане на HF, допустимата концентрация на флуор се повишава с 30–50% за по-дебели стени (2,5–3,0 mm).

Теренна информация от изпарители на фосфорна киселина
На всеки осем до дванадесет месеца PFA нагреватели (2 mm стена, сърцевина от Incoloy) се провалят в инсталация за концентриране на фосфорна киселина, която работи при 100 градуса с 20% H3PO4, съдържащ 25–35 ppm F⁻. Сърцевината от Incoloy има значителна питинг, според металургични тестове. F⁻ е понижен до 8 ppm в същата инсталация, като се използва контур на топлообменник със стъпка на отстраняване на флуорид (добавяне на вар за утаяване на CaF₂). Продължителността на живота на нагревателя беше увеличена до 28 месеца (почти очакваните 3 години при 10 ppm). В момента фабриката използва титаниеви ядра за допълнителен запас и поддържа F⁻ под 15 ppm.

Наблюдение и намаляване
Създайте седмичен график за наблюдение на флуорид с помощта на йон-селективен електрод и поддържайте концентрации под три-годишните ограничения за дългосрочна-работа на PFA нагревател в 20% фосфорна киселина. Налични са три коригиращи мерки в случай, че нивата на флуорид надхвърлят лимита:

За да създадете неразтворим CaF₂, добавете утаяващ агент (вар или калциев карбонат), който след това се филтрира. В резултат на това F⁻ пада от 50 ppm на 5–10 ppm.

Сменете с PFA стена, която е с 3,0 mm по-дебела. Тъй като HF проникването е обратно пропорционално на дебелината, стена от 3 mm удвоява времето до корозия на сърцевината за същата концентрация на F⁻.

Използвайте титаниево ядро, което е по-устойчиво на HF. В киселини,-съдържащи флуорид, титан клас 7 (Pd-легиран) превъзхожда степен 2.

В заключение, ограничението за три-годишен живот е 20 ppm F⁻ при 100 градуса.
Максимално разрешената концентрация на флуоридни йони за PFA нагревател, работещ в баня с 20% фосфорна киселина при 100 градуса за три години, е 20 ppm. Границата се увеличава до 50 ppm при 80 градуса и намалява до 5 ppm при 120 градуса. Флуоридът значително намалява живота на нагревателя, като ускорява HF проникването и корозията на сърцевината. За дългосрочна{10}}надеждност редовното наблюдение и елиминирането на флуорид (чрез утаяване на вар) са от решаващо значение. Използвайте титаниеви сърцевини и по-дебели PFA стени (2,5–3,0 mm) за приложения, при които флуоридът не може да бъде избегнат. Флуоридът е смъртоносен, но фосфорната киселина може да бъде безвредна. Нагревателят живее, ако флуоридът се контролира. Ако го пренебрегнете, провалът ще настъпи след няколко месеца.