Hva er den maksimalt tillatte fluoridionkonsentrasjonen i et bad med 20 % fosforsyre for å holde en PFA-varmer i drift i 3 år?

Fluorioner (F⁻) fra urenheter eller andre prosesseringshjelpemidler øker kraftig nedbrytningen av PFA-varmekapper i 20 % fosforsyre (H₃PO₄) ved høye temperaturer (80–120 grader). Ved å penetrere polymeren og korrodere metallkjernen (titan eller Incoloy) med flussyre (HF) produsert in situ, retter fluorid mot PFA-metallgrensesnittet. For at en PFA-varmer skal forbli funksjonell i tre år (ca. 25 000 timer med kontinuerlig drift), er den maksimalt tillatte fluoridionkonsentrasjonen 50 ppm ved 80 grader, 20 ppm ved 100 grader og 5 ppm ved 120 grader. I løpet av seks til atten måneder forårsaker permeasjonsforsterket-korrosjon over disse tersklene jordfeil eller kjernesvikt. Kontroll av fluornivåer er avgjørende for varmeapparatets levetid i fosforsyrebad som brukes til gjødselproduksjon eller metallbehandling.

Fosforsyres fluorangrepsmekanisme
Ved temperaturer så høye som 120 grader er fosforsyre ikke skadelig for PFA. Fluorioner, på den annen side, er ekstremt aggressive og finnes ofte som HF eller fluorkiselsyre fra fosfatbearbeiding. På grunn av deres lille størrelse (kinetisk diameter på 0,26 nm), passerer HF-molekyler gjennom PFA-veggen raskere enn H₃PO₄ (se artikkel #35). Pitting-korrosjon er resultatet av HFs raske oppløsning av det passive oksidlaget når det når metallkjernen (titan eller Incoloy). Selv om begge angripes ved fluoridkonsentrasjoner på 10–20 ppm ved 100 grader, er titan mer motstandsdyktig mot HF enn Incoloy. PFA-kappen blemmer og sprekker fra innsiden på grunn av indre trykk forårsaket av korrosjonsproduktene (metallfluorider), som har et høyere volum enn originalmetallet.

Den synergistiske effekten er avgjørende: ved å plastisere PFA, holder 20 % H3PO4-løsningen en høy konsentrasjon av protoner (H⁺), noe som øker hastigheten på HF-penetrasjonen. Sammenlignet med fluor-fri fosforsyre, dobles penetrasjonshastigheten for syrearter når fluor er tilstede i konsentrasjoner så lave som 10 ppm.

Maksimal fluoridkonsentrasjon tillatt i en tre-årig levetid (25 000 timer)
Driftstemperatur ( grad ) Maksimal F grad (ppm) for en 3-års levetid Forventet levetid for varmeapparatet ved dobbel grense (år) Feilmodus Foreslått kjernemateriale 80 50 1.0–1,5 kjernepitting Incoloy 825 90 30 0.8–1,2 Blistering Incoloy eller Titanium 100 20 0.5–1,0 Rapid Titanium}– {0. korrosjon Titanium Grade 2 120 5 0.2–0.4Risiko for umiddelbar feil Ikke anbefalt
Disse grensene er basert på kontinuerlig nedsenking og en 2 mm PFA-vegg. Fordi den lengre diffusjonskanalen senker HF-ankomsthastigheten, øker den tillatte fluoridkonsentrasjonen med 30–50 % for tykkere vegger (2,5–3,0 mm).

Feltinformasjon fra fordampere av fosforsyre
Hver åttende til tolvte måned sviktet PFA-varmere (2 mm vegg, Incoloy-kjerne) i et fosforsyrekonsentrasjonsanlegg som kjørte på 100 grader med 20 % H3PO4 inneholdende 25–35 ppm F⁻. Incoloy-kjernen hadde betydelige gropdannelser, ifølge metallurgiske tester. F⁻ ble senket til 8 ppm i samme anlegg ved å bruke en varmevekslersløyfe med et fluoridfjerningstrinn (tilsetning av kalk for å utfelle CaF2). Varmerens levetid ble økt til 28 måneder (nesten de forventede 3 årene ved 10 ppm). Fabrikken bruker for tiden titaniumkjerner for ekstra margin og holder F⁻ under 15 ppm.

Observasjon og reduksjon
Etabler en ukentlig fluoridovervåkingsplan ved å bruke en ione--selektiv elektrode og hold konsentrasjonene under tre-årsgrensene for lang- PFA-varmerdrift i 20 % fosforsyre. Tre hjelpetiltak er tilgjengelige i tilfelle fluornivået overskrider grensen:

For å lage uløselig CaF₂, tilsett et utfellingsmiddel (kalk eller kalsiumkarbonat), som deretter filtreres av. Som et resultat faller F⁻ fra 50 ppm til 5–10 ppm.

Bytt til en PFA-vegg som er 3,0 mm tykkere. Fordi HF-penetrering er omvendt relatert til tykkelse, dobler en 3 mm vegg tiden til kjernekorrosjon for samme F⁻-konsentrasjon.

Benytt deg av en titanium kjerne som er mer motstandsdyktig mot HF. I syrer som inneholder fluor-, overgår titangrad 7 (Pd-legert) klasse 2.

Avslutningsvis er grensen for tre-års levetid 20 ppm F⁻ ved 100 grader .
Maksimal tillatt fluoridionkonsentrasjon for en PFA-varmer som opererer i et 20 % fosforsyrebad ved 100 grader i tre år er 20 ppm. Grensen øker til 50 ppm ved 80 grader og reduseres til 5 ppm ved 120 grader. Fluor reduserer varmerens levetid betydelig ved å øke hastigheten på HF-gjennomtrengning og kjernekorrosjon. For langsiktig pålitelighet er regelmessig overvåking og eliminering av fluor (ved kalkutfelling) avgjørende. Bruk titaniumkjerner og tykkere PFA-vegger (2,5–3,0 mm) for applikasjoner der fluor ikke kan unngås. Fluor er dødelig, men fosforsyre kan være ufarlig. Varmeren lever hvis fluoret kontrolleres. Hvis du ignorerer det, vil feil oppstå i løpet av noen måneder.