Otázka rozsahu pH
Procesní inžinieri, ktorí si vyberajú výmenník tepla pre chemické služby, sa často pýtajú: aký rozsah pH dokáže tento materiál zvládnuť? Otázka predpokladá jedinú{0}}podstatnú odpoveď. V prípade kovových výmenníkov tepla, najmä titánu, odpoveď závisí nielen od pH procesnej kvapaliny, ale aj od všetkého ostatného, čo je pripojené k systému.
Titán odoláva korózii v rozsahu pH približne 2-12 v oxidačných podmienkach. Tento rad pokrýva mnoho priemyselných aplikácií. Ale prítomnosť iných kovov v systémových-obežných kolesách čerpadiel, telesách ventilov, stenách nádrží, anódových košoch – zavádza druhý korózny mechanizmus nesúvisiaci s pH: galvanickú koróziu.
Plne PTFE tepelný výmenník nemá žiadne riziko galvanickej korózie, pretože je elektricky nevodivý-. Jeho použiteľný rozsah pH siaha od 0 do 14 bez závislosti od oxidačných alebo redukčných podmienok. Tieto dva materiály pristupujú k problému korózie z úplne odlišných fyzikálnych princípov.
Obmedzenia pH titánu a galvanický zachytávač korózie
Odolnosť titánu proti korózii závisí od stabilného pasívneho filmu TiO₂. Tento film je stabilný pri oxidácii kyselín v rozsahu pH približne 2-}12. Pri redukcii kyselín-horúca HCl, HBr a HF pri akomkoľvek pH sa film rozpúšťa a titán aktívne koroduje. V silne alkalických roztokoch nad pH 12 pri zvýšených teplotách sa môže film tiež rozpustiť, čo vedie k rovnomernej korózii alebo vodíkovému skrehnutiu.
Dokonca aj v rámci bezpečného rozsahu pH titánu môže galvanická korózia zničiť kov, ak sa elektricky spojí s ušľachtilejším materiálom. Titán je v galvanickej sérii pomerne ušľachtilý v pasívnom stave. Ak sa titán spojí s grafitom, platinou alebo určitými nehrdzavejúcimi oceľami vo vodivom roztoku, titán je katódový a vo všeobecnosti bezpečný. Ak sa však titánový pasívny film lokálne rozbije-od škrabanca, štrbiny alebo chemického poškodenia-, exponovaný aktívny titán je v porovnaní s okolitým pasívnym povrchom vysoko anodický. Galvanický pár medzi aktívnym a pasívnym titánom na rovnakom komponente poháňa rýchly pitting.
Vonkajšie kovy v systéme zvyšujú riziko. Titánový výmenník tepla v nádrži z nehrdzavejúcej ocele s medenými prípojnicami vytvára multi-kovový systém. Ak sa tok bludných prúdov alebo potenciál zeme líšia, galvanická korózia môže za depasivovaných podmienok napadnúť najmenej ušľachtilý kov v obvode-potenciálne titán.
Tabuľka 1: Porovnanie pH a galvanickej korózie
| Vlastnosti korózie | titán (2. stupeň) | PTFE |
|---|---|---|
| Použiteľný rozsah pH (oxidačné podmienky) | 2-12 | 0-14 |
| Použiteľný rozsah pH (redukčné podmienky) | 4-10 (prísne obmedzené) | 0-14 (bez obmedzenia) |
| Odolnosť voči HF pri akomkoľvek pH | žiadne | Dokončiť |
| Odolnosť voči horúcemu koncentrovanému NaOH | Obmedzené (vodíkové skrehnutie nad pH 12, 80 stupňov) | Dokončite na 260 stupňov |
| Elektrická vodivosť | Vodivé | Nevodivé-(izolátor) |
| Riziko galvanickej korózie | Prítomný (pri spojení s odlišnými kovmi) | Nula (žiadna elektrická cesta) |
| Riziko korózie bludným prúdom | Súčasnosť | nula |
| Závislosť na pasivite | Kritické (rozpad filmu → rýchly útok) | Žiadne (žiadny pasívny film) |
| Riziko štrbinovej korózie v morskej vode/chloridoch | Stredný (nad 70 stupňov) | nula |
PTFE: nulová elektrická vodivosť, nulové galvanické riziko
PTFE je elektrický izolátor s objemovým odporom presahujúcim 10¹⁸ ohm·cm. Materiálom nemôže prechádzať elektrický prúd. Galvanická korózia vyžaduje elektrický obvod: anódu, katódu, vodivú cestu cez roztok a vodivú cestu cez kov. PTFE nemôže dokončiť kovovú vodivosť.
Výmenník tepla z PTFE ponorený do procesnej nádrže môže byť obklopený akoukoľvek kombináciou kovov pri akomkoľvek elektrickom potenciáli. Medzi PTFE a týmito kovmi sa nevytvára žiadny galvanický článok, pretože PTFE neprispieva k žiadnej elektronickej vodivosti. Fluórpolymér je pre systém elektricky neviditeľný.
Táto elektrická inertnosť sa rozširuje na koróziu bludným prúdom. Pri elektrochemickom spracovaní-galvanickom pokovovaní, elektrolytickom získavaní, eloxovaní- môžu bludné prúdy pretekajúce cez roztok vstupovať a vystupovať z kovových výmenníkov tepla, čo spôsobuje silnú lokalizovanú koróziu na výstupných bodoch prúdu. PTFE je nevodivý-, nemôže prenášať bludný prúd. Prúd úplne obchádza výmenník tepla.
Rozsah pH: Absolútne vs
Rozsah pH titánu 2-}12 v oxidačných podmienkach je podmienený. Na udržanie pasívneho filmu závisí prítomnosť oxidačných činidiel. Vylučuje fluoridy, chloridy nad kritickými teplotami a redukčné kyseliny. Vyžaduje absenciu galvanických párov a bludných prúdov. Tieto podmienky sú zvládnuteľné v dobre kontrolovanom procese, ale vyžadujú si inžiniersku pozornosť a prevádzkovú disciplínu.
Rozsah pH PTFE 0-14 je absolútny. Žiadne chemické podmienky v tomto rozsahu pri akejkoľvek praktickej teplote nedegradujú materiál. Nie je potrebné žiadne oxidačné činidlo. Nesmie sa udržiavať žiadna pasívna fólia. Nie je potrebná žiadna galvanická izolácia. Materiál je skutočne odolný voči elektrochemickým koróznym mechanizmom.
Zhrnutie
Tepelné výmenníky PTFE zvládajú širší účinný rozsah pH ako titán, pretože odolnosť fluoropolyméru proti korózii je nezávislá od elektrochemických podmienok. Použiteľný rozsah pH titánu závisí od oxidačných podmienok, je obmedzený na redukciu kyselín a horúcich zásad a je náchylný na koróziu galvanickým a bludným prúdom, keď sú v systéme prítomné iné kovy.
PTFE eliminuje riziko galvanickej korózie prostredníctvom elektrickej-nevodivosti a eliminuje obmedzenia pH prostredníctvom termodynamickej stability uhlíkových-fluórových väzieb. Rozsah pH PTFE je absolútny od 0 do 14 bez podmienených obmedzení.
Technická analýza výberu materiálu výmenníka tepla v širokom rozsahu pH a elektrochemických podmienok je k dispozícii po predložení kompletnej chémie procesu, rozsahu pH, oxidačno-redukčného potenciálu, iných kovov v systéme a akýchkoľvek pozorovaných vzorcov korózie na existujúcom zariadení.
