În acid fosforic 20% (H₃PO₄) la temperaturi ridicate (80–120 grade), ionii de fluorură (F⁻) proveniți din impurități sau adjuvanți de procesare adauși accelerează semnificativ degradarea tecilor de încălzire PFA. Fluorura atacă interfața cu metalul PFA-permeind prin polimer și corodând miezul metalic (Incoloy sau titan) cu acid fluorhidric (HF) format in situ. Concentrația maximă admisă de ioni de fluor pentru a menține un încălzitor PFA în funcțiune timp de 3 ani (aproximativ 25.000 de ore de funcționare continuă) este de 50 ppm la 80 de grade, 20 ppm la 100 de grade și 5 ppm la 120 de grade. Peste aceste limite, coroziunea îmbunătățită-permeabilității duce la defecțiuni la pământ sau la defectarea miezului în decurs de 6-18 luni. Pentru băile cu acid fosforic utilizate în tratarea metalelor sau producția de îngrășăminte, controlul nivelului de fluor este esențial pentru longevitatea încălzitorului.
Mecanismul de atac al fluorului în acidul fosforic
Acidul fosforic în sine este ușor pentru PFA la temperaturi de până la 120 de grade. Cu toate acestea, ionii de fluorură (deseori prezenți sub formă de HF sau acid fluorosilicic din prelucrarea rocii fosfatice) sunt foarte agresivi. Moleculele de HF pătrund prin peretele PFA (vezi articolul #35) mai repede decât H₃PO₄ datorită dimensiunilor lor mici (diametrul cinetic 0,26 nm). Odată ce HF ajunge la miezul metalic (Incoloy sau titan), acesta dizolvă rapid stratul de oxid pasiv, provocând coroziune prin pitting. Titanul este mai rezistent la HF decât Incoloy, dar ambele suferă atac la concentrații de fluor de peste 10-20 ppm la 100 de grade. Produsele de coroziune (fluorurile metalice) au un volum mai mare decât metalul original, creând o presiune internă care formează vezicule și sparge teaca PFA din interior.
Efectul sinergic este critic: soluția 20% H₃PO₄ menține o concentrație mare de protoni (H⁺) care accelerează pătrunderea HF prin plastifierea PFA. Prezența fluorului la concentrații de până la 10 ppm dublează rata de penetrare a speciilor acide în comparație cu acidul fosforic-liber de fluor.
Concentrația maximă admisă de fluor pentru o durată de viață de 3 ani (25.000 de ore)
| Temperatura de funcționare (grade) | Max F⁻ (ppm) pentru o viață de 3 ani | Durata de viață estimată a încălzitorului la limită dublă (ani) | Modul de eșec | Material de bază recomandat |
|---|---|---|---|---|
| 80 | 50 | 1.0–1.5 | Pitting de miez | Incoloy 825 |
| 90 | 30 | 0.8–1.2 | Cu vezicule | Incoloy sau titan |
| 100 | 20 | 0.5–1.0 | Apariție de vezicule + crăpare | Titan grad 2 |
| 110 | 10 | 0.3–0.6 | Coroziunea miezului rapid | Titan grad 2 |
| 120 | 5 | 0.2–0.4 | Risc de eșec imediat | Nerecomandat |
Aceste limite presupun un perete PFA de 2 mm și imersie continuă. Pentru pereții mai groși (2,5–3,0 mm), concentrația permisă de fluor crește cu 30–50%, deoarece calea de difuzie mai lungă reduce rata de sosire a HF.
Date de teren de la evaporatoarele de acid fosforic
O instalație de concentrare a acidului fosforic a funcționat la 100 de grade cu 20% H₃PO₄ care conține 25–35 ppm F⁻. Încălzitoarele PFA (perete de 2 mm, miez Incoloy) s-au defectat la fiecare 8-12 luni. Analiza metalurgică a scos la iveală o severă sâmburi a miezului Incoloy. În aceeași instalație, o buclă de schimbător de căldură cu o etapă de îndepărtare a fluorului (adăugarea de var pentru a precipita CaF₂) a redus F⁻ la 8 ppm. Durata de viață a încălzitorului a fost extinsă la 28 de luni (aproape de cei 3 ani estimați la 10 ppm). Instalația menține acum F⁻ sub 15 ppm și folosește miezuri de titan pentru o marjă suplimentară.
Monitorizare și atenuare
Pentru funcționarea pe termen lung a încălzitorului PFA cu acid fosforic 20%, implementați un program de monitorizare a fluorului (săptămânal folosind un electrod selectiv de ioni) și mențineți concentrațiile sub limitele de 3 ani. Dacă fluorul depășește limita, sunt disponibile trei acțiuni corective:
Adăugați un agent de precipitare(carbonat de calciu sau var) pentru a forma CaF₂ insolubil, care este îndepărtat prin filtrare. Aceasta reduce F⁻ de la 50 ppm la 5–10 ppm.
Treceți la un perete PFA mai gros(3,0 mm). Pentru aceeași concentrație de F⁻, un perete de 3 mm dublează timpul până la coroziunea miezului, deoarece permeația HF este invers proporțională cu grosimea.
Utilizați un miez de titancu o rezistenţă mai mare la HF. Titanul de gradul 7 (aliat cu Pd-) are performanțe mai bune decât gradul 2 în acizii care conțin fluorură-.
Concluzie: 20 ppm F⁻ la 100 de grade este limita pentru o viață de 3 ani
Pentru a menține un încălzitor PFA funcțional timp de 3 ani într-o baie de acid fosforic 20% la 100 de grade, concentrația maximă admisă de ioni de fluor este de 20 ppm. La 80 de grade, limita crește la 50 ppm; la 120 de grade, scade la 5 ppm. Fluorul accelerează pătrunderea HF și coroziunea miezului, scurtând dramatic durata de viață a încălzitorului. Monitorizarea regulată și eliminarea fluorului (prin precipitarea calcarului) sunt esențiale pentru fiabilitatea-pe termen lung. Pentru aplicații cu fluor inevitabil, specificați pereți PFA mai groși (2,5–3,0 mm) și miezuri de titan. Acidul fosforic poate fi ușor, dar fluorul este letal. Controlați fluorul și încălzitorul supraviețuiește. Ignorați-l și eșecul urmează în câteva luni.
