ในกรดฟอสฟอริก 20% (H₃PO₄) ที่อุณหภูมิสูงขึ้น (80–120 องศา ) ฟลูออไรด์ไอออน (F⁻) ที่มาจากสิ่งเจือปนหรือสารช่วยในกระบวนการผลิตที่เพิ่มเข้าไปจะช่วยเร่งการเสื่อมสภาพของปลอกตัวทำความร้อน PFA ได้อย่างมาก ฟลูออไรด์โจมตีส่วนต่อประสานโลหะของ PFA- โดยการซึมผ่านโพลีเมอร์และกัดกร่อนแกนโลหะ (อินคอลอยย์หรือไทเทเนียม) ด้วยกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) ที่เกิดขึ้นในแหล่งกำเนิด ความเข้มข้นของไอออนฟลูออไรด์สูงสุดที่อนุญาตเพื่อให้เครื่องทำความร้อน PFA ทำงานเป็นเวลา 3 ปี (ประมาณ 25,000 ชั่วโมงของการบริการต่อเนื่อง) คือ 50 ppm ที่ 80 องศา 20 ppm ที่ 100 องศา และ 5 ppm ที่ 120 องศา เหนือขีดจำกัดเหล่านี้ การซึมผ่าน-การกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดข้อผิดพลาดของกราวด์หรือความล้มเหลวของแกนหลักภายใน 6-18 เดือน สำหรับอ่างกรดฟอสฟอริกที่ใช้ในการบำบัดโลหะหรือการผลิตปุ๋ย การควบคุมระดับฟลูออไรด์ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการมีอายุยืนยาวของเครื่องทำความร้อน
กลไกการโจมตีของฟลูออไรด์ในกรดฟอสฟอริก
กรดฟอสฟอริกนั้นอ่อนถึง PFA ที่อุณหภูมิสูงถึง 120 องศา อย่างไรก็ตาม ฟลูออไรด์ไอออน (มักปรากฏเป็น HF หรือกรดฟลูออโรซิลิกจากการแปรรูปหินฟอสเฟต) มีความก้าวร้าวสูง โมเลกุล HF ซึมผ่านผนัง PFA (ดูบทความ #35) เร็วกว่า H₃PO₄ เนื่องจากมีขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางจลน์ 0.26 นาโนเมตร) เมื่อ HF ไปถึงแกนโลหะ (อินคอลอยย์หรือไทเทเนียม) มันจะละลายชั้นพาสซีฟออกไซด์อย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุน ไทเทเนียมทนต่อ HF ได้ดีกว่าอินคอลอย แต่ทั้งคู่ประสบกับการโจมตีที่ความเข้มข้นของฟลูออไรด์มากกว่า 10–20 ppm ที่ 100 องศา ผลิตภัณฑ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (โลหะฟลูออไรด์) มีปริมาตรมากกว่าโลหะดั้งเดิม ทำให้เกิดแรงดันภายในที่ทำให้ปลอก PFA พองและร้าวจากด้านใน
ผลเสริมฤทธิ์กันเป็นสิ่งสำคัญ: สารละลาย H₃PO₄ 20% จะรักษาความเข้มข้นของโปรตอน (H⁺) สูง ซึ่งเร่งการซึมผ่านของ HF โดยการทำให้ PFA กลายเป็นพลาสติก การมีฟลูออไรด์ที่ความเข้มข้นต่ำถึง 10 ppm จะเพิ่มอัตราการซึมผ่านของกรดชนิดต่างๆ เป็นสองเท่า เมื่อเทียบกับฟลูออไรด์-กรดฟอสฟอริกอิสระ
ความเข้มข้นของฟลูออไรด์สูงสุดที่อนุญาตสำหรับอายุการใช้งาน 3 ปี (25,000 ชั่วโมง)
| อุณหภูมิในการทำงาน ( องศา ) | สูงสุด F⁻ (ppm) สำหรับอายุการใช้งาน 3 ปี | อายุการใช้งานเครื่องทำความร้อนที่คาดหวังไว้ที่ขีดจำกัดสองเท่า (ปี) | โหมดความล้มเหลว | วัสดุหลักที่แนะนำ |
|---|---|---|---|---|
| 80 | 50 | 1.0–1.5 | หลุมหลัก | อินคอลอยย์ 825 |
| 90 | 30 | 0.8–1.2 | พุพอง | อินคอลอยย์หรือไทเทเนียม |
| 100 | 20 | 0.5–1.0 | พอง+แตก | ไทเทเนียมเกรด 2 |
| 110 | 10 | 0.3–0.6 | การกัดกร่อนของแกนกลางอย่างรวดเร็ว | ไทเทเนียมเกรด 2 |
| 120 | 5 | 0.2–0.4 | เสี่ยงต่อความล้มเหลวทันที | ไม่แนะนำ |
ขีดจำกัดเหล่านี้ถือว่ามีผนัง PFA 2 มม. และการแช่อย่างต่อเนื่อง สำหรับผนังที่หนากว่า (2.5–3.0 มม.) ความเข้มข้นของฟลูออไรด์ที่อนุญาตจะเพิ่มขึ้น 30–50% เนื่องจากเส้นทางการแพร่กระจายที่ยาวขึ้นจะช่วยลดอัตราการมาถึงของ HF
ข้อมูลภาคสนามจากเครื่องระเหยกรดฟอสฟอริก
โรงงานที่มีความเข้มข้นของกรดฟอสฟอริกทำงานที่ 100 องศา โดยมี 20% H₃PO₄ ที่มี 25–35 ppm F⁻ เครื่องทำความร้อน PFA (ผนัง 2 มม. แกนอินคอลอยย์) ไม่ทำงานทุกๆ 8–12 เดือน การวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาเผยให้เห็นการเกิดหลุมที่รุนแรงของแกน Incoloy ในโรงงานแห่งเดียวกัน วงจรแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีขั้นตอนการกำจัดฟลูออไรด์ (การเติมปูนขาวเพื่อตกตะกอน CaF₂) ทำให้ F⁻ เหลือ 8 ppm อายุเครื่องทำความร้อนขยายเป็น 28 เดือน (ใกล้เคียงกับที่คาดการณ์ไว้ 3 ปีที่ 10 ppm) ขณะนี้โรงงานรักษา F⁻ ไว้ต่ำกว่า 15 ppm และใช้แกนไทเทเนียมเพื่อเพิ่มอัตรากำไร
การติดตามและบรรเทาผลกระทบ
สำหรับการทำงานของเครื่องทำความร้อน PFA -ในระยะยาวในกรดฟอสฟอริก 20% ให้ใช้ตารางการตรวจติดตามฟลูออไรด์ (รายสัปดาห์โดยใช้อิเล็กโทรดคัดเลือกไอออน-) และรักษาความเข้มข้นให้ต่ำกว่าขีดจำกัด 3 ปี หากฟลูออไรด์เกินขีดจำกัด จะมีวิธีแก้ไขสามประการ:
เพิ่มสารตกตะกอน(แคลเซียมคาร์บอเนตหรือมะนาว) ให้กลายเป็น CaF₂ ที่ไม่ละลายน้ำ ซึ่งถูกกำจัดออกโดยการกรอง ซึ่งจะช่วยลด F⁻ จาก 50 ppm เป็น 5–10 ppm
เปลี่ยนไปใช้ผนัง PFA ที่หนาขึ้น(3.0 มม.) สำหรับความเข้มข้น F⁻ ที่เท่ากัน ผนังขนาด 3 มม. จะเพิ่มระยะเวลาในการกัดกร่อนแกนกลางเป็นสองเท่า เนื่องจากการซึมผ่านของ HF แปรผกผันกับความหนา
ใช้แกนไทเทเนียมด้วยความต้านทานต่อ HF ที่สูงขึ้น ไทเทเนียมเกรด 7 (Pd-อัลลอยด์) ทำงานได้ดีกว่าเกรด 2 ในฟลูออไรด์-ที่มีกรด
สรุป: 20 ppm F⁻ ที่ 100 องศาคือขีดจำกัดสำหรับชีวิต 3 ปี
เพื่อให้เครื่องทำความร้อน PFA ทำงานเป็นเวลา 3 ปีในอ่างกรดฟอสฟอริก 20% ที่ 100 องศา ความเข้มข้นของฟลูออไรด์ไอออนสูงสุดที่อนุญาตคือ 20 ppm ที่ 80 องศา ขีดจำกัดจะเพิ่มขึ้นเป็น 50 ppm; ที่ 120 องศา ลดลงเหลือ 5 ppm ฟลูออไรด์เร่งการซึมผ่านของ HF และการกัดกร่อนแกนกลาง ส่งผลให้อายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อนสั้นลงอย่างมาก การตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอและการกำจัดฟลูออไรด์ (ผ่านการตกตะกอนของปูนขาว) ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับ-ความน่าเชื่อถือในระยะยาว สำหรับการใช้งานกับฟลูออไรด์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ให้ระบุผนัง PFA ที่หนาขึ้น (2.5–3.0 มม.) และแกนไทเทเนียม กรดฟอสฟอริกอาจไม่รุนแรง แต่ฟลูออไรด์เป็นอันตรายถึงชีวิต ควบคุมฟลูออไรด์ และฮีตเตอร์ยังคงอยู่ เพิกเฉยต่อมัน และความล้มเหลวจะตามมาภายในไม่กี่เดือน
