Quina és la concentració màxima permesa d'ions de fluorur en un bany d'àcid fosfòric al 20% per mantenir un escalfador de PFA en funcionament durant 3 anys?

Els ions fluorur (F⁻) d'impureses o altres auxiliars de processament acceleren molt la descomposició de les beines de l'escalfador de PFA en un 20% d'àcid fosfòric (H₃PO₄) a altes temperatures (80-120 graus). En penetrar el polímer i corroir el nucli metàl·lic (titani o Incoloy) amb àcid fluorhídric (HF) produït in situ, el fluorur s'adreça a la interfície metàl·lica PFA-. Perquè un escalfador de PFA continuï funcionant durant tres anys (unes 25.000 hores de funcionament continu), la concentració màxima d'ions fluorur permesa és de 50 ppm a 80 graus, 20 ppm a 100 graus i 5 ppm a 120 graus. En un termini de sis a divuit mesos, la corrosió millorada per permeació-per sobre d'aquests llindars provoca falles a terra o fallades del nucli. El control dels nivells de fluor és crucial per a la longevitat de l'escalfador en els banys d'àcid fosfòric utilitzats per a la producció de fertilitzants o el tractament dels metalls.

Mecanisme d'atac del fluorur de l'àcid fosfòric
A temperatures de fins a 120 graus, l'àcid fosfòric no és perjudicial per a PFA. Els ions fluorur, d'altra banda, són extremadament agressius i es troben freqüentment com a HF o àcid fluorosilíc del processament de roques fosfatades. A causa de la seva petita mida (diàmetre cinètic de 0,26 nm), les molècules d'HF travessen la paret de PFA més ràpidament que H₃PO₄ (vegeu l'article #35). La corrosió per picadura resulta de la ràpida dissolució de la capa d'òxid passiu per part de l'HF un cop arriba al nucli metàl·lic (titani o Incoloy). Tot i que tots dos són atacats a concentracions de fluor de 10 a 20 ppm a 100 graus, el titani és més resistent a l'HF que l'Incoloy. La funda de PFA s'ampolla i es fractura des de l'interior a causa de la pressió interna provocada pels productes de corrosió (fluorurs metàl·lics), que tenen un volum més gran que el metall original.

L'impacte sinèrgic és crucial: plastificant el PFA, la solució d'H3PO4 al 20% manté una alta concentració de protons (H⁺), la qual cosa accelera la penetració de l'HF. En comparació amb l'àcid fosfòric lliure de fluor-, la taxa de penetració de les espècies àcides es duplica quan el fluorur està present a concentracions tan baixes com 10 ppm.

Concentració màxima de fluor permesa durant una vida de tres-anys (25.000 hores)
Temperatura de funcionament (graus) Grau F màxim (ppm) per a una vida útil de 3 anys Vida útil de l'escalfador esperada al doble del límit (anys) Mode de fallada Material del nucli suggerit 80 50 1.0–1,5 Pitatge del nucli Incoloy 825 90 30 0.8–1,2 Incoloy o titani que forma ampolla 100 20 0.5] Nucli de titani 100 20 0.5–1,08} Cracking ràpid. corrosió Titani Grau 2 120 5 0.2–0,4 Risc de fallada immediata No s'aconsella
Aquests límits es basen en una immersió contínua i una paret de PFA de 2 mm. Com que el canal de difusió més llarg redueix la taxa d'arribada d'HF, la concentració de fluorur admissible augmenta entre un 30 i un 50% per a parets més gruixudes (2,5-3,0 mm).

Informació de camp dels evaporadors d'àcid fosfòric
Cada vuit o dotze mesos, els escalfadors de PFA (paret de 2 mm, nucli Incoloy) fallaven en una planta de concentració d'àcid fosfòric que funcionava a 100 graus amb un 20% d'H3PO4 que contenia 25-35 ppm F⁻. El nucli d'Incoloy va tenir picats importants, segons les proves metal·lúrgiques. El F⁻ es va reduir a 8 ppm a la mateixa planta mitjançant un bucle d'intercanviador de calor amb un pas d'eliminació de fluor (afegiu calç per precipitar CaF₂). La vida útil de l'escalfador es va augmentar a 28 mesos (gairebé els 3 anys previstos a 10 ppm). Actualment, la fàbrica utilitza nuclis de titani per obtenir un marge addicional i manté F⁻ per sota de 15 ppm.

Observació i reducció
Establiu un programa de control setmanal del fluor mitjançant un elèctrode-selectiu d'ions i mantingueu les concentracions per sota de les limitacions de tres-anys per al funcionament a llarg-de l'escalfador de PFA en àcid fosfòric al 20%. Hi ha tres mesures correctives disponibles en cas que els nivells de fluor superin el límit:

Per crear CaF₂ insoluble, afegiu un agent precipitant (calç o carbonat de calci), que després es filtra. Com a resultat, F⁻ baixa de 50 ppm a 5-10 ppm.

Canvieu a una paret de PFA que sigui 3,0 mm més gruixuda. Com que la penetració d'HF està inversament relacionada amb el gruix, una paret de 3 mm duplica el temps fins a la corrosió del nucli per a la mateixa concentració de F⁻.

Utilitzeu un nucli de titani més resistent a l'HF. En els àcids que contenen fluor-, el titani de grau 7 (aliatge de Pd-) supera el grau 2.

En conclusió, el límit per a una vida útil de tres-anys és de 20 ppm F⁻ a 100 graus .
La concentració màxima permesa d'ions fluor per a un escalfador de PFA que funciona en un bany d'àcid fosfòric al 20% a 100 graus durant tres anys és de 20 ppm. El límit augmenta a 50 ppm a 80 graus i disminueix a 5 ppm a 120 graus. El fluor redueix significativament la vida útil de l'escalfador accelerant la penetració d'HF i la corrosió del nucli. Per a la fiabilitat-a llarg termini, la supervisió regular i l'eliminació de fluor (per precipitació de calç) són crucials. Utilitzeu nuclis de titani i parets de PFA més gruixudes (2,5-3,0 mm) per a aplicacions on no es pot evitar el fluorur. El fluorur és mortal, però l'àcid fosfòric pot ser inofensiu. L'escalfador viu si es controla el fluor. Si ho ignoreu, el fracàs es produirà en qüestió de mesos.