یک خط ترشی فولاد ضد زنگ سومین بخاری غوطه وری 316 لیتری خود را در دو سال گذشته جایگزین کرد. هر بخاری به همان شکل شکست خورده بود-خوردگی حفره‌ای در امتداد درزهای جوش و در خط مایع، به دنبال آن نشت‌های دیواری{3}} که حمام را آلوده می‌کرد. محلول ترشی مخلوطی از اسیدهای نیتریک و هیدروفلوئوریک در دمای 55 درجه بود، شیمی که فولاد ضد زنگ 316L برای کنترل آن طراحی نشده است. تیم تعمیر و نگهداری فرض کرده بود که فولاد ضد زنگ کافی است زیرا حمام "فقط یک اسید" بود. شکست ها خلاف این را ثابت کرد.
فولاد ضد زنگ 316L ماده پیش فرض برای بسیاری از کاربردهای بخاری غوطه وری است. ارزان، به آسانی در دسترس است و در برابر طیف وسیعی از مواد شیمیایی ملایم مقاوم است. اما در ترشی مخلوط اسیدی-به ویژه آنهایی که حاوی اسید هیدروفلوئوریک، کلریدها یا غلظت بالای اسیدهای احیا کننده-316L هستند، انتخاب اشتباهی است. PTFE، با وجود هدایت حرارتی کمتر و هزینه بالاتر، عمر مفیدی را ارائه می دهد که فولاد ضد زنگ نمی تواند مطابقت داشته باشد.
چرا 316L در ترشی مخلوط اسیدی شکست می خورد؟
فولاد ضد زنگ 316L برای مقاومت در برابر خوردگی به یک فیلم غیرفعال اکسید کروم متکی است. این فیلم در محیط های اکسید کننده و در بسیاری از اسیدهای ملایم پایدار است. در حضور گونه های خاص مهاجم تجزیه می شود.
اسید هیدروفلوئوریک بیشترین آسیب را دارد. یون های فلوراید مستقیماً به لایه غیرفعال حمله می کنند و از اصلاح آن جلوگیری می کنند. هنگامی که فیلم شکسته می شود، فلز زیرین به سرعت خورده می شود. خوردگی به جای اینکه یکنواخت باشد، موضعی است-حمله حفره، شکاف، و جوش-حمله خط-. یک بخاری می تواند ضخامت دیواره را در یک منطقه کوچک از دست بدهد و در حالی که بقیه غلاف هنوز دست نخورده به نظر می رسد از کار بیفتد.
کلریدها باعث آسیب مشابه می شوند، اگرچه مکانیسم متفاوت است. یون های کلرید در نقاط ضعیف به لایه غیرفعال نفوذ کرده و حفره شدن را آغاز می کنند. گودال ها عمیق تر می شوند و می توانند به دیوار نفوذ کنند. حمام‌های ترشی مخلوط نیتریک{3}}هیدروفلوریک حاوی هر دو گونه هستند و این ترکیب تهاجمی‌تر از هر کدام به تنهایی است.
| شیمی | نرخ خوردگی 316 لیتر | حالت حمله اولیه | عمر خدمات مورد انتظار | مناسب بودن PTFE |
|---|---|---|---|---|
| اسید نیتریک 10٪، 50 درجه | <0.1 mm/year | یکنواخت، ملایم | >10 سال | خوب |
| 10% نیتریک + 2% HF، 50 درجه | 1.0-5.0 میلی متر در سال | سوراخ کردن، حمله جوش | 3-10 ماه | عالی |
| 15% نیتریک + 3% HF، 55 درجه | 3.0-10.0 میلی متر در سال | حفره شدید | 1-4 ماه | عالی |
| 20% HCl، 60 درجه | 5.0-15.0 میلی متر در سال | سوراخ کردن، شکاف | <2 months | عالی |
| 10% سولفوریک + 2% HF، 60 درجه | 2.0-8.0 میلی متر در سال | حمله به خط جوش- | 2-8 ماه | عالی |
نرخ خوردگی برای فولاد ضد زنگ 316 لیتر در ترشی اسید مخلوط در مقایسه با مناسب بودن PTFE
آسیب پذیری خط جوش-
بخاری های غوطه وری فولاد ضد زنگ با اتصالات جوش داده شده-غلاف-به-فلنج، غلاف-به-جوش های انتهایی و گاهی اوقات طولی ساخته می شوند. فرآیند جوشکاری متالورژی را در ناحیه تحت تأثیر حرارت{6} تغییر می‌دهد و مناطقی را ایجاد می‌کند که نسبت به فلز پایه مقاومت کمتری در برابر خوردگی دارند.
در ترشی مخلوط اسیدی، خطوط جوش اولین قسمت هایی هستند که خراب می شوند. منطقه تحت تأثیر گرما{1}}ممکن است محتوای کروم را به دلیل بارش کاربید کاهش داده باشد، یا ممکن است دارای تنش های پسماند باشد که باعث ایجاد ترک می شود. یون های فلوراید و کلرید ترجیحاً به این مناطق ضعیف حمله می کنند.
بخاری های غوطه وری PTFE هیچ خط جوشی در ناحیه خیس شده ندارند. غلاف یک اکستروژن یا قالب گیری پلیمری پیوسته است و اتصال فلنج به جای جوشکاری به صورت مکانیکی یا به صورت شیمیایی به هم چسبیده است. این آسیب‌پذیری-خط جوش را که عمر مفید فولاد ضد زنگ را در مواد شیمیایی ترشی تهاجمی محدود می‌کند، از بین می‌برد.
انتقال حرارت و تجارت اندازه-خاموش است
فولاد ضد زنگ 316L دارای رسانایی حرارتی تقریباً 16 W/m·K- تقریباً ۶۴ برابر بیشتر از PTFE است. یک بخاری فولادی ضد زنگ می تواند با 3 تا 5 وات بر سانتی متر مربع بدون گرم شدن بیش از حد کار کند، در حالی که بخاری PTFE در اکثر حمام های ترشی به 1.0 تا 1.5 وات بر سانتی متر مربع محدود می شود.
نتیجه عملی اندازه است. یک بخاری از جنس استنلس استیل 6 کیلوواتی ممکن است فقط به 1500 سانتی متر مربع سطح غلاف نیاز داشته باشد که در یک بسته فشرده قرار می گیرد. یک بخاری PTFE 6 کیلوواتی با 1.2 W/cm² به 5000 سانتی متر مربع-بیش از سه برابر مساحت سطح نیاز دارد. در مخازن با فضای بخاری محدود، گزینه فولاد ضد زنگ ممکن است در جایی که PTFE مناسب نیست، مناسب باشد.
| مواد بخاری | هدایت حرارتی | چگالی وات ایمن در اسید مخلوط | مساحت سطح برای 6 کیلو وات | ردپای نسبی |
|---|---|---|---|---|
| فولاد ضد زنگ 316L | 16 W/m·K | 3-5 وات بر سانتی متر مربع | 1200-2000 سانتی متر مربع | فشرده |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1.0-1.2 W/cm² | 5000 تا 6000 سانتی متر مربع | 3-4× بزرگتر |
| تیتانیوم | 22 W/m·K | 2-4 W/cm² (محدود شده توسط HF) | 1500-3000 سانتی متر مربع | فشرده |
| PVDF | 0.20 W/m·K | 0.8-1.2 W/cm² | 5000 تا 7500 سانتی متر مربع | بزرگتر |
انتقال حرارت و مقایسه اندازه برای بخاری های غوطه وری در ترشی اسید مخلوط
وقتی فولاد ضد زنگ هنوز منطقی است
فولاد ضد زنگ همیشه انتخاب اشتباهی نیست. در محلول های ترشی ملایم-اسید نیتریک رقیق بدون فلوراید یا کلرید-316L عملکرد خوبی دارد و هزینه کمتری نسبت به PTFE دارد. در این کاربردها، چگالی وات بالاتر و اندازه فشرده فولاد ضد زنگ مزیت محسوب می شود.
نقطه تصمیم گیری وجود گونه های مهاجم است. اگر حمام حاوی اسید هیدروفلوئوریک، کلرید، یا غلظت بالایی از اسیدهای احیا کننده باشد، فولاد ضد زنگ یک گزینه کوتاه مدت- است. اگر حمام یک اسید اکسید کننده ملایم باشد، فولاد ضد زنگ ممکن است کافی باشد.
مقایسه هزینه کل در طول زمان
قیمت خرید یک بخاری 316 لیتری معمولاً 40 تا 60٪ کمتر از یک بخاری PTFE قابل مقایسه است. اما در ترشی مخلوط اسیدی، بخاری فولادی ضد زنگ ممکن است تنها 3 تا 10 ماه دوام بیاورد، در حالی که بخاری PTFE 3 تا 5 سال دوام می آورد.
در طی یک دوره پنج-ساله، گزینه فولاد ضد زنگ به 6 تا 20 تعویض نیاز دارد، در حالی که گزینه PTFE به 1 تا 2 تعویض نیاز دارد. کار و زمان توقف برای هر تعویض-تخلیه مخزن، برداشتن بخاری خراب، نصب بخاری جدید، و{6}}تأیید مجدد حمام-به طور قابل ملاحظه ای به هزینه انتخاب فولاد ضد زنگ می افزاید.
وقتی بخاری های استاندارد نمی توانند با سطح مورد نیاز مطابقت داشته باشند
مخازن ترشی اسید مخلوط با فضای محیطی محدود اغلب نمی توانند بخاری های غوطه وری PTFE را در تراکم وات پایینی که شیمی نیاز دارد، در خود جای دهند. کارکرد 6 کیلووات در 1.0 وات بر سانتی متر مربع به 6000 سانتی متر مربع سطح غلاف نیاز دارد-بیش از آنچه که یک واحد مستقیم یا L{6} در ابعاد مخزن معمولی فراهم می کند.
یک پیکربندی سفارشی بخاری غوطه‌وری PTFE با طراحی چند-گذر یا محیطی{1}} زیر، سطح گرمایش را در سراسر مخزن توزیع می‌کند و در عین حال چگالی وات پایینی را حفظ می‌کند. فرآیند مشخصات به شیمی حمام، دمای عملیاتی، ابعاد مخزن و وات مورد نیاز نیاز دارد. برای تأسیساتی که خطوط ترشی مخلوط اسیدی را اجرا می‌کنند، این رویکرد کاربردی{4}}مقاومت شیمیایی PTFE را در پیکربندی متناسب با فضای موجود ارائه می‌دهد.
