Ancaman Trace Fluoride
Asid nitrik pada kepekatan 30-70% dan suhu menghampiri mendidih (110-120 darjah ) ialah medium proses utama dalam pemprosesan semula bahan api nuklear, pengilangan kimia keluli tahan karat dan sintesis kimia khusus. Titanium Gred 7-aloi titanium-paladium yang mengandungi 0.12-0.25% paladium-ditentukan secara meluas untuk perkhidmatan ini. Penambahan paladium secara katodik mengubah suai aloi, memanjangkan rintangan kakisannya kepada mengurangkan persekitaran yang akan menyerang titanium tulen secara komersial.
Walau bagaimanapun, asid nitrik dalam aplikasi ini jarang kekal tulen. Ion fluorida memasuki asid daripada pelbagai sumber: pelarutan fluorida-yang mengandungi bahan api nuklear, pemindahan daripada asid hidrofluorik yang digunakan dalam etsa huluan atau pencemaran daripada air proses. Kepekatan fluorida serendah 5-10 ppm boleh menjejaskan kestabilan filem pasif TiO₂ pada titanium. Pada 50-100 ppm, filem itu rosak secara tempatan. Pada 200-500 ppm, kakisan aktif bermula.
PTFE tidak mempunyai filem pasif. Rintangannya terhadap asid nitrik dan ion fluorida adalah mutlak-sifat ikatan molekul karbon-fluorin, bukan keadaan permukaan yang dikekalkan. Perbandingan antara titanium Gred 7 dan PTFE dalam persekitaran ini adalah antara bahan yang bertahan melalui keseimbangan elektrokimia yang halus dan bahan yang secara termodinamik tidak mampu bertindak balas dengan sama ada asid atau fluorida.
Mekanisme Pecahan Filem Pasif
Titanium Gred 7 menahan asid nitrik yang mendidih melalui filem pasif TiO₂ yang stabil yang dikekalkan oleh kuasa pengoksidaan asid. Penambahan paladium mengalihkan potensi kakisan aloi ke dalam domain pasif, memastikan filem kekal stabil walaupun pada kepekatan asid yang lebih rendah di mana titanium tulen secara komersial mungkin diaktifkan.
Ion fluorida menyerang filem TiO₂ dengan membentuk titanium-kompleks fluorida larut: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Kompleks itu larut, mendedahkan logam titanium kosong. Logam yang terdedah boleh sama ada memapasi semula (jika kepekatan fluorida rendah dan terdapat asid nitrik) atau terus melarut (jika kepekatan fluorida melebihi kapasiti pasif semula).
Pada kepekatan fluorida di bawah 10 ppm dalam mendidih asid nitrik 50%, kadar pemapasian semula melebihi kadar pelarutan filem. Titanium kekal pasif. Antara 10-50 ppm, keseimbangan dinamik wujud-filem itu larut dan berubah, dengan kehilangan logam bersih yang kecil. Melebihi 50 ppm, pembubaran filem melebihi pasif semula. Serangan setempat bermula, terutamanya pada kecacatan permukaan dan zon kimpalan. Di atas 200 ppm, kakisan aktif merambat merentasi permukaan.
| Parameter Kakisan | Titanium Gred 7 | PTFE |
|---|---|---|
| Mekanisme perlindungan kakisan | Filem pasif TiO₂ (dikekalkan oleh pengoksidaan HNO₃ + pengubahsuaian katodik Pd) | Kestabilan ikatan C-F yang wujud |
| Kepekatan fluorida kritikal untuk pecahan (ppm) | 10-50 (film destabilization); >200 (kakisan aktif) | Tiada had kepekatan |
| Kadar kakisan dalam 50% HNO₃ pada 110 darjah , 0 ppm F⁻ (mm/tahun) | <0.01 | 0 |
| Kadar kakisan dalam 50% HNO₃ pada 110 darjah , 100 ppm F⁻ (mm/tahun) | 0.05-0.20 (disetempatkan) | 0 |
| Kadar kakisan dalam 50% HNO₃ pada 110 darjah , 500 ppm F⁻ (mm/tahun) | >1.0 (aktif, pantas) | 0 |
| Kepekaan terhadap lawatan fluorida | Tinggi (kerosakan tidak dapat dipulihkan mungkin) | tiada |
Kemandirian Persiaran
Perbezaan paling ketara antara titanium Gred 7 dan PTFE dalam perkhidmatan ini adalah tindak balas terhadap lawatan fluorida. Lawatan fluorida-daripada gangguan proses, salah cas bahan kimia atau kegagalan penyingkiran fluorida huluan-boleh mendedahkan penukar haba kepada kepekatan fluorida jauh melebihi julat operasi biasa untuk tempoh beberapa minit hingga jam.
Titanium Gred 7 yang rosak akibat lawatan fluorida mungkin tidak pulih. Filem pasif, setelah dimusnahkan, mungkin tidak-terbentuk semula secara seragam apabila tahap fluorida kembali normal. Lubang yang dimulakan semasa lawatan terus merambat pada kepekatan fluorida sisa dalam persekitaran lubang. Penukar mungkin kelihatan utuh secara luaran semasa terowong kakisan melalui dinding.
PTFE tidak terjejas oleh lawatan fluorida dalam sebarang magnitud atau tempoh. Bahan itu tidak mempunyai ingatan tentang lawatan itu. Apabila paras fluorida kembali normal, permukaan PTFE adalah sama dengan keadaan pra-persiarannya. Kemandirian ini adalah berharga dalam proses di mana lawatan jarang berlaku tetapi mungkin, dan di mana akibat kegagalan kakisan yang tidak dapat dikesan tidak boleh diterima.
Penurunan Kos-Perdagangan Prestasi-.
Penukar haba Titanium Gred 7 adalah mahal-kos yang direka adalah 8-12 kali ganda berbanding dengan PTFE yang setara untuk duti haba yang sama. Premium kos membeli kekompakan (konduksi terma titanium 21 W/m·K berbanding 0.25 W/m·K PTFE) dan keupayaan tekanan yang lebih tinggi. Dalam proses di mana fluorida dijamin tidak hadir dan ruang terhad, titanium Gred 7 adalah pilihan yang sesuai.
Dalam proses di mana fluorida hadir pada sebarang kepekatan, atau tempat lawatan fluorida mungkin, PTFE ialah pilihan-risiko yang lebih rendah tanpa mengira kos. Kos lawatan fluorida tunggal yang memusnahkan penukar titanium selalunya melebihi kos alternatif PTFE. Penukar PTFE juga menghapuskan pemantauan kepekatan fluorida dan infrastruktur kawalan yang diperlukan oleh titanium.
Ringkasan
Penukar haba PTFE adalah tahan tanpa syarat kepada asid nitrik yang mendidih dengan pencemaran fluorida surih, manakala titanium Gred 7 bergantung pada filem pasif yang terurai pada kepekatan fluorida melebihi 10-50 ppm. Kemandirian lawatan fluorida PTFE adalah mutlak; titanium boleh mengalami serangan setempat yang tidak dapat dipulihkan daripada satu acara persiaran. PTFE ialah pilihan berisiko rendah dalam mana-mana perkhidmatan asid nitrik yang terdapat atau mungkin fluorida, walaupun kesannya yang lebih besar dan keupayaan tekanan yang lebih rendah.
Sokongan kejuruteraan untuk pemilihan bahan PTFE lwn. titanium Gred 7 dalam asid nitrik-perkhidmatan fluorida tersedia selepas penyerahan kepekatan asid, tahap fluorida normal dan pengembaraan, suhu operasi, tugas haba dan kekangan ruang.
