Mikä on suurin sallittu fluoridi-ionipitoisuus 20-prosenttisessa fosforihappokylvyssä, jotta PFA-lämmitin pysyy toiminnassa 3 vuotta?

Epäpuhtauksista tai muista prosessoinnin apuaineista peräisin olevat fluoridi-ionit (F⁻) nopeuttavat suuresti PFA-lämmittimen vaipan hajoamista 20-prosenttisessa fosforihapossa (H3PO4) korkeissa lämpötiloissa (80–120 astetta). Läpäisemällä polymeerin ja syövyttämällä metalliytimen (titaani tai Incoloy) in situ valmistetulla fluorivetyhapolla (HF) fluoridi kohdistuu PFA{4}}metallirajapintaan. Jotta PFA-lämmitin pysyisi toimintakykyisenä kolme vuotta (noin 25 000 tuntia jatkuvaa käyttöä), suurin sallittu fluoridi-ionipitoisuus on 50 ppm 80 asteessa, 20 ppm 100 asteessa ja 5 ppm 120 asteessa. Kuudesta kahdeksaantoista kuukaudessa läpäisy{15}}tehostettu korroosio näiden kynnysten yläpuolella aiheuttaa maasulkuja tai sydänvikoja. Lannoitteiden valmistukseen tai metallien käsittelyyn käytettävien fosforihappokylpyjen fluoripitoisuuksien hallinta on ratkaisevan tärkeää lämmittimen pitkäikäisyyden kannalta.

Fosforihapon fluorihyökkäysmekanismi
Fosforihappo ei ole haitallinen PFA:lle jopa 120 asteen lämpötiloissa. Fluoridi-ionit ovat toisaalta erittäin aggressiivisia, ja niitä löytyy usein HF:nä tai fluoripiihappona fosfaattikiven prosessoinnista. Pienen kokonsa (kineettinen halkaisija 0,26 nm) vuoksi HF-molekyylit kulkevat PFA-seinämän läpi nopeammin kuin H3PO4 (katso artikkeli #35). Pistekorroosio johtuu HF:n passiivisen oksidikerroksen nopeasta liukenemisesta, kun se saavuttaa metalliytimen (titaani tai Incoloy). Vaikka molempiin kohdistuu fluoripitoisuuksia 10–20 ppm 100 asteessa, titaani kestää HF:ää paremmin kuin Incoloy. PFA-vaippa rakkuloita ja murtuu sisältäpäin korroosiotuotteiden (metallifluoridien) aiheuttaman sisäisen paineen vuoksi, joiden tilavuus on suurempi kuin alkuperäisellä metallilla.

Synergistinen vaikutus on ratkaiseva: plastisoimalla PFA:ta 20-prosenttinen H3PO4-liuos säilyttää korkean protonipitoisuuden (H⁺), mikä nopeuttaa HF:n tunkeutumista. Verrattuna fluori-vapaaseen fosforihappoon, happolajien tunkeutumisnopeus kaksinkertaistuu, kun fluoria on läsnä niinkin alhaisina pitoisuuksina kuin 10 ppm.

Suurin sallittu fluoripitoisuus kolmen{0}}vuotisen käyttöiän ajan (25 000 tuntia)
Käyttölämpötila ( aste ) Maksimi F-aste (ppm) 3 vuoden käyttöiän ajaksi Lämmittimen odotettu käyttöikä kaksinkertaisella rajalla (vuotta) Vikatila Ehdotettu ydinmateriaali 80 50 1.0–1,5 ytimen kuoppaus Incoloy 825 90 30 0.8–1,2 rakkuloita Incoloy tai titaani 100 20 0.5–0 Blistetanium Graining +1. 2 110 10 0.3–0,6 Nopea ydinkorroosio Titaaniluokka 2 120 5 0.2–0,4 Välittömän epäonnistumisen riskiEi suositella
Nämä rajat perustuvat jatkuvaan upotukseen ja 2 mm:n PFA-seinään. Koska pidempi diffuusiokanava alentaa HF-saapumisnopeutta, sallittu fluoridipitoisuus nousee 30–50 % paksummilla seinillä (2,5–3,0 mm).

Kenttätiedot fosforihapon haihduttajilta
Joka kahdeksas-kaksitoista kuukausi PFA-lämmittimet (2 mm seinä, Incoloy-ydin) epäonnistuivat fosforihapon rikastuslaitoksessa, joka toimi 100 asteessa 20 % H3PO4:lla, joka sisälsi 25-35 ppm F⁻. Incoloyn ytimessä oli merkittäviä pistesyöpymiä metallurgisten testien mukaan. F* laskettiin 8 ppm:ään samassa laitoksessa käyttämällä lämmönvaihdinsilmukkaa, jossa oli fluorinpoistovaihe (kalkin lisääminen CaF2:n saostamiseksi). Lämmittimen käyttöikä nostettiin 28 kuukauteen (lähes odotettu 3 vuotta 10 ppm:llä). Tehdas käyttää tällä hetkellä titaaniytimiä lisämarginaalin saamiseksi ja pitää F⁻:n alle 15 ppm:ssä.

Tarkkailu ja vähentäminen
Laadi viikoittainen fluoridin tarkkailuaikataulu käyttämällä ioni-selektiivistä elektrodia ja pidä pitoisuudet alle kolmen-vuoden rajoitusten, jotka koskevat pitkäaikaista-PFA-lämmittimen käyttöä 20-prosenttisessa fosforihapossa. Jos fluoriditasot ylittävät rajan, on käytettävissä kolme korjaustoimenpidettä:

Liukenemattoman CaF2:n muodostamiseksi lisää saostusainetta (kalkkia tai kalsiumkarbonaattia), joka sitten suodatetaan pois. Tämän seurauksena F⁻ putoaa 50 ppm:stä 5-10 ppm:ään.

Vaihda PFA-seinämään, joka on 3,0 mm paksumpi. Koska HF-läpäisy on käänteisesti verrannollinen paksuuteen, 3 mm:n seinämä kaksinkertaistaa sydämen korroosioon kuluvan ajan samalla F⁻-pitoisuudella.

Käytä titaanista ydintä, joka kestää paremmin HF:ää. Fluoridi-pitoisissa hapoissa titaani Grade 7 (Pd-seostettu) ylittää luokan 2.

Yhteenvetona voidaan todeta, että kolmen{0}}vuotisen käyttöiän raja on 20 ppm F⁻ 100 asteessa.
Suurin sallittu fluoridi-ionipitoisuus PFA-lämmittimelle, joka toimii 20 % fosforihappokylvyssä 100 asteessa kolmen vuoden ajan, on 20 ppm. Raja nousee 50 ppm:iin 80 asteessa ja laskee 5 ppm:iin 120 asteessa. Fluori lyhentää merkittävästi lämmittimen käyttöikää nopeuttamalla HF-läpäisyä ja sydämen korroosiota. Säännöllinen seuranta ja fluorin eliminointi (kalkkisaostuksella) ovat pitkän aikavälin luotettavuuden kannalta ratkaisevan tärkeitä. Käytä titaaniytimiä ja paksumpia PFA-seiniä (2,5–3,0 mm) sovelluksissa, joissa fluoria ei voida välttää. Fluori on tappavaa, mutta fosforihappo voi olla vaaratonta. Lämmitin elää, jos fluoria säädetään. Jos jätät sen huomiotta, epäonnistuminen tapahtuu muutamassa kuukaudessa.