Fluoridin uhka
Typpihappo, jonka pitoisuus on 30-70 % ja lämpötila lähestyy kiehumispistettä (110-120 astetta), on ensisijainen prosessiväliaine ydinpolttoaineen jälleenkäsittelyssä, ruostumattoman teräksen kemiallisessa jauhamisessa ja erikoiskemiallisessa synteesissä. Titanium Grade 7 - titaani-palladiumseos, joka sisältää 0,12-0,25 % palladiumia - on laajalti määritelty tälle palvelulle. Palladiumlisäys modifioi metalliseosta katodisesti ja laajentaa sen korroosionkestävyyttä vähentäviin ympäristöihin, jotka hyökkäävät kaupallisesti puhtaan titaanin kanssa.
Typpihappo näissä sovelluksissa jää kuitenkin harvoin puhtaaksi. Fluori-ionit pääsevät happoon useista lähteistä: fluori-pitoisen ydinpolttoaineen liukenemisesta, syövytyksessä käytetystä fluorivetyhaposta siirtymisestä tai prosessiveden saastumisesta. Fluoripitoisuudet niinkin pienet kuin 5-10 ppm voivat destabiloida TiO₂-passiivikalvon titaanilla. 50-100 ppm:ssä kalvo hajoaa paikallisesti. 200-500 ppm:ssä alkaa aktiivinen korroosio.
PTFE:ssä ei ole passiivikalvoa. Sen vastustuskyky typpihappoa ja fluoridi-ioneja vastaan on absoluuttinen-hiili-fluorimolekyylisidoksen ominaisuus, ei ylläpidetty pinnan kunto. Vertailu titaanin Grade 7 ja PTFE:n välillä tässä ympäristössä on materiaalin, joka selviää herkän sähkökemiallisen tasapainon kautta, ja sellaisen materiaalin välillä, joka ei termodynaamisesti kykene reagoimaan hapon tai fluorin kanssa.
Passiivikalvon hajoamismekanismi
Titanium Grade 7 vastustaa kiehuvaa typpihappoa vakaan passiivisen TiO2-kalvon läpi, jota ylläpitää hapon hapettava voima. Palladiumin lisäys siirtää lejeeringin korroosiopotentiaalin passiiviseen alueeseen, mikä varmistaa, että kalvo pysyy vakaana myös alhaisemmilla happopitoisuuksilla, joissa kaupallisesti puhdas titaani saattaa aktivoitua.
Fluori-ionit hyökkäävät TiO₂-kalvoa vastaan muodostamalla liukoisia titaani-fluoridikomplekseja: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H2O. Kompleksi liukenee paljastaen paljaan titaanimetallin. Paljastunut metalli voi joko repassoitua (jos fluoridipitoisuus on alhainen ja typpihappoa on läsnä) tai jatkaa liukenemista (jos fluoridipitoisuus ylittää uudelleenpassivointikyvyn).
Fluoridipitoisuuksilla, jotka ovat alle 10 ppm kiehuvassa 50-prosenttisessa typpihapossa, uudelleenpassivointinopeus ylittää kalvon liukenemisnopeuden. Titaani pysyy passiivisena. 10-50 ppm:n välillä vallitsee dynaaminen tasapaino – kalvo liukenee ja uudistuu pienellä nettometallihäviöllä. Yli 50 ppm:n kalvon liukeneminen ohittaa uudelleenpassivoitumisen. Paikallinen hyökkäys alkaa erityisesti pintavioista ja hitsausalueista. Yli 200 ppm aktiivinen korroosio leviää pinnan poikki.
| Korroosioparametri | Titaani luokka 7 | PTFE |
|---|---|---|
| Korroosiosuojamekanismi | Passiivinen TiO2-kalvo (ylläpidetty HNO3-hapetuksella + Pd-katodisella modifikaatiolla) | Luontainen C-F-sidoksen vakaus |
| Kriittinen fluoridipitoisuus hajoamista varten (ppm) | 10-50 (film destabilization); >200 (aktiivinen korroosio) | Ei pitoisuusrajaa |
| Korroosionopeus 50 % HNO3:ssa 110 asteessa, 0 ppm F⁻ (mm/vuosi) | <0.01 | 0 |
| Korroosionopeus 50 % HNO3:ssa 110 asteessa, 100 ppm F⁻ (mm/vuosi) | 0,05-0,20 (lokalisoitu) | 0 |
| Korroosionopeus 50 % HNO3:ssa 110 asteessa, 500 ppm F⁻ (mm/vuosi) | >1.0 (aktiivinen, nopea) | 0 |
| Herkkyys fluoriretkille | Korkea (peruuttamaton vaurio mahdollinen) | Ei mitään |
Retken selviytymiskyky
Merkittävin ero titaani Grade 7:n ja PTFE:n välillä tässä palvelussa on vaste fluoriretkille. Fluoridimatka-prosessin häiriintymisestä, kemikaalien väärinkäytöstä tai alkuvirran fluorinpoiston epäonnistumisesta-voi altistaa lämmönvaihtimen fluoridipitoisuuksille, jotka ylittävät selvästi normaalin toiminta-alueen minuuteista tuntiin.
Titaani Grade 7, joka on vaurioitunut fluoridiretkellä, ei välttämättä parane. Kun passiivinen kalvo on tuhoutunut, se ei välttämättä muotoudu uudelleen{2}}tasaisesti, kun fluoriditasot palautuvat normaaliksi. Retken aikana syntyneet kuopat jatkavat etenemistä kuoppaympäristössä jäännösfluoripitoisuudessa. Vaihdin voi näyttää ulkopuolelta ehjältä, kun korroosio tunnelee seinän läpi.
PTFE:hen eivät vaikuta minkään suuruiset tai kestoiset fluorimatkat. Materiaalilla ei ole muistikuvaa retkestä. Kun fluoriditasot palautuvat normaaleiksi, PTFE-pinta on identtinen sen -ennakkotilanteen kanssa. Tämä kestävyys on arvokasta prosesseissa, joissa poikkeamat ovat harvinaisia, mutta mahdollisia ja joissa havaitsemattoman korroosiovaurion seurauksia ei voida hyväksyä.
Kustannus-Tehokkuusvaihto-
Titanium Grade 7 -lämmönvaihtimet ovat kalliita,-valmistuskustannukset ovat 8–12 kertaa PTFE-vastineen samaan lämpökäyttöön verrattuna. Kustannuspalkkio ostaa kompaktiuden (titaanin lämmönjohtavuus 21 W/m·K vs. PTFE:n 0,25 W/m·K) ja korkeamman painekyvyn. Prosesseissa, joissa fluori on taatusti poissa ja tila on rajallinen, titaani Grade 7 on sopiva valinta.
Prosesseissa, joissa fluoria on läsnä millä tahansa pitoisuudella tai joissa fluoripitoisuudet ovat mahdollisia, PTFE on alhaisempi-riskivaihtoehto kustannuksista riippumatta. Yksittäisen titaanivaihtimen tuhoavan fluorimatkan hinta ylittää usein PTFE-vaihtoehdon kustannukset. PTFE-vaihdin eliminoi myös titaanin vaatiman fluoridipitoisuuden valvonta- ja ohjausinfrastruktuurin.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet kestävät ehdottoman kiehuvaa typpihappoa, jossa on hivenen fluoridikontaminaatiota, kun taas titaani Grade 7 perustuu passiiviseen kalvoon, joka hajoaa yli 10-50 ppm:n fluoridipitoisuuksissa. PTFE:n kestävyys fluoridikierron aikana on ehdoton; titaani voi kärsiä peruuttamattomasta paikallisesta hyökkäyksestä yhdestä retkitapahtumasta. PTFE on pienemmän riskin valinta kaikissa typpihappopalveluissa, joissa fluoria on läsnä tai se on mahdollista, huolimatta sen suuremmasta jalanjäljestä ja alhaisemmasta painekyvystä.
Tekninen tuki PTFE:n vs. titaanille Grade 7 -materiaalien valinnassa typpihappo-fluoridipalvelussa on saatavilla, kun happopitoisuus, normaalit ja ekskursiofluoriditasot, käyttölämpötila, lämpökäyttö ja tilarajoitukset on toimitettu.
