Soluția de oțel cu conținut ridicat de -silicio
Acidul azotic concentrat la temperaturi peste 80 de grade este unul dintre cele mai agresive medii oxidante din industria chimică. Oțelurile inoxidabile standard, cum ar fi 304L și 316L, corodează la rate inacceptabile. Soluția dezvoltată de metalurgiști este aliajele de oțel inoxidabil cu conținut ridicat de-siliciu-conținând 4-6% siliciu, cum ar fi UNS S30600 sau clase de proprietate. Siliciul îmbogățește filmul pasiv, îmbunătățind dramatic rezistența la coroziunea acidului azotic.
Aceste aliaje reprezintă punctul culminant al dezvoltării oțelului inoxidabil pentru utilizarea acidului azotic. Sunt specificate pentru cele mai solicitante aplicații: condensatoare de acid azotic, serpentine de încălzire a reactorului și echipamente de concentrare a acidului. Sunt scumpe, specializate și eficiente.
PTFE este un polimer fără sofisticare metalurgică. Rezistența sa la acidul azotic derivă dintr-un singur fapt molecular: legătura carbon-fluor. Comparația dintre oțelul inoxidabil cu conținut ridicat de-siliciu și PTFE în acid azotic este între cel mai bun material metalic disponibil-cu filmul său pasiv proiectat cu grijă-și un material care rezistă acidului deoarece nu poate reacționa cu acesta.
Mecanismul filmului pasiv de siliciu
Oțelul inoxidabil cu conținut ridicat de-siliciu rezistă acidului azotic prin formarea unei pelicule pasive îmbogățite cu dioxid de siliciu. În mediile oxidante, cromul din oțel formează Cr₂O₃. Siliciul, prezent în soluție solidă în matricea aliajului, se oxidează la SiO₂. SiO₂ se încorporează în filmul pasiv, stabilizându-l împotriva dizolvării transpasive care afectează filmele bogate în crom-în acid azotic fierbinte.
Pelicula îmbogățită cu silicon-este eficientă, dar nu invulnerabilă. Filmul trebuie menținut continuu prin puterea de oxidare a acidului azotic. Dacă concentrația de acid scade-în timpul unui eveniment de diluare, a unui ciclu de clătire sau a unei opriri-filmul se poate destabiliza. Dacă acidul este contaminat cu clorură (din cauza scurgerilor de apă de răcire, a impurităților de materie primă sau a depunerilor atmosferice), se poate iniția pitting la defecte ale filmului. Pelicula este, de asemenea, sensibilă la starea metalurgică a oțelului-sensibilizarea de la sudare sau tratament termic creează zone sărăcite-crom în care îmbogățirea cu siliciu nu poate compensa complet.
| Parametrul de coroziune | Siliciu-înalt (4-6% Si) | PTFE |
|---|---|---|
| Mecanism de protecție împotriva coroziunii | Film pasiv îmbogățit cu SiO₂- | Stabilitatea legăturii C-F inerentă |
| Rata de coroziune în 65% HNO₃ la 120 de grade (mm/an) | 0.01-0.05 | 0 |
| Rata de coroziune dacă concentrația acidului scade la 10% | 0,02-0,10 (film pasiv mai puțin stabil) | 0 |
| Rezistența la clorură la pitting | SS îmbunătățit față de standard; nu imun | Imun |
| Coroziunea zonei de sudare | Sensibilizare posibilă; necesită recoacere cu soluție | N/A (fără suduri în fascicul de tuburi) |
| Sensibilitate la tulburări de proces | Moderat (repararea filmului este necesară) | Nici unul |
| Conductivitate termică (W/m·K) | 15-20 | 0.25 |
| Costul materialului (relativ) | 6-10× | 1× |
Răspunsul la supărarea procesului
Cea mai semnificativă diferență operațională dintre oțelul inoxidabil cu conținut ridicat de-siliciu și PTFE în serviciul cu acid azotic este răspunsul la tulburările procesului. Un sistem de încălzire cu acid azotic poate prezenta evenimente de diluare (returnarea condensului, pătrunderea apei de clătire, scurgerea de abur), evenimente de contaminare cu clor (apă de răcire în-scurgeri, vârfuri de impurități ale materiei prime) sau variații de temperatură.
Oțelul inoxidabil cu-siliciu ridicat poate supraviețui acestor evenimente dacă sunt ușoare și scurte. Dar fiecare supărare accentuează filmul pasiv. Supărările repetate acumulează daune. Efectul cumulat al abaterilor minore ale procesului de-a lungul anilor poate iniția coroziunea care se propagă în timpul funcționării normale ulterioare.
PTFE nu are mecanism de deteriorare cumulativă. Fiecare supărare este un eveniment discret care nu lasă nicio urmă pe material. A suta supărare a supraviețuit la fel de complet ca și prima. Această caracteristică „fără-memorie” este inerentă inerției chimice a PTFE și este independentă de calitatea controlului procesului.
Comparația costurilor și amprentei
Schimbătoarele de căldură din oțel inoxidabil cu conținut ridicat de-siliciu costă de 6-10 ori mai mult decât echivalentele PTFE pentru aceeași sarcină termică, determinate de costul aliajului specializat și de complexitatea fabricării. Schimbătorul din oțel este compact - conductivitatea sa termică de 15-20 W/m·K necesită doar 1/60 până la 1/80 din suprafața PTFE.
Schimbătoarele PTFE sunt mai mari și necesită mai mult spațiu de instalare. Acolo unde este disponibil spațiu și amprenta mai mare este acceptabilă, PTFE oferă costuri totale instalate mai mici, fără risc de coroziune. Acolo unde spațiul este sever restrâns-ca în cazul unor modernizări ale instalațiilor existente-înaltă-compacitatea oțelului inoxidabil cu siliciu justifică costul mai mare și riscul finit de coroziune.
Rezumat
Schimbătoarele de căldură PTFE sunt rezistente necondiționat la acidul azotic concentrat fierbinte prin inerție moleculară inerentă, în timp ce oțelul inoxidabil cu conținut ridicat de-siliciu se bazează pe o peliculă pasivă îmbogățită cu siliciu-, care, deși este foarte rezistentă, poate fi compromisă de defecțiunile procesului, contaminarea cu clorură sau sensibilizarea sudurii. PTFE elimină daunele cumulate de coroziune, nu necesită proceduri de recuperare a supărării și costă o fracțiune din oțelul specializat. Amprenta mai mare de PTFE este compromisul-. În cazul utilizării cu acid azotic în limita de temperatură a PTFE de 260 de grade, PTFE este alegerea cu-risc mai mic și cu costuri-mai mici acolo unde spațiul permite.
Asistența de inginerie pentru selecția de materiale PTFE față de oțel inoxidabil cu conținut ridicat de-siliciu în serviciul cu acid azotic este disponibilă la transmiterea concentrației de acid, a intervalelor de temperatură normală și neregulată, a riscului de contaminare cu clorură și a spațiului de instalare disponibil.
