Nồng độ ion Fluoride tối đa cho phép trong bể axit photphoric 20% để giữ cho máy sưởi PFA hoạt động trong 3 năm là bao nhiêu?

Các ion florua (F⁻) từ tạp chất hoặc các chất hỗ trợ xử lý khác làm tăng tốc độ phân hủy vỏ bọc bộ gia nhiệt PFA trong axit photphoric 20% (H₃PO₄) ở nhiệt độ cao (80–120 độ). Bằng cách xuyên qua polyme và ăn mòn lõi kim loại (titan hoặc Incoloy) bằng axit hydrofluoric (HF) được tạo ra tại chỗ, fluoride nhắm vào bề mặt kim loại PFA{4}}. Để lò sưởi PFA duy trì hoạt động trong ba năm (khoảng 25.000 giờ hoạt động liên tục), nồng độ ion florua tối đa cho phép là 50 ppm ở 80 độ, 20 ppm ở 100 độ và 5 ppm ở 120 độ. Trong vòng sáu đến mười tám tháng, sự ăn mòn tăng cường{15}} thẩm thấu trên các ngưỡng này sẽ gây ra sự cố nối đất hoặc hư hỏng lõi. Kiểm soát nồng độ florua là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ của lò sưởi trong bể axit photphoric dùng để sản xuất phân bón hoặc xử lý kim loại.

Cơ chế tấn công florua của axit photphoric
Ở nhiệt độ cao tới 120 độ, axit photphoric không gây hại cho PFA. Mặt khác, các ion florua cực kỳ mạnh và thường được tìm thấy dưới dạng HF hoặc axit fluorosilicic từ quá trình xử lý đá phốt phát. Do kích thước nhỏ bé của chúng (đường kính động học 0,26 nm), các phân tử HF đi qua thành PFA nhanh hơn H₃PO₄ (xem Điều #35). Ăn mòn rỗ là kết quả của sự hòa tan nhanh chóng của lớp oxit thụ động HF khi nó chạm tới lõi kim loại (titan hoặc Incoloy). Mặc dù cả hai đều bị tấn công ở nồng độ florua từ 10–20 ppm ở 100 độ, titan có khả năng kháng HF tốt hơn Incoloy. Vỏ bọc PFA bị phồng rộp và nứt từ bên trong do áp suất bên trong do các sản phẩm ăn mòn (florua kim loại) có thể tích lớn hơn kim loại ban đầu gây ra.

Tác động tổng hợp là rất quan trọng: bằng cách làm dẻo PFA, dung dịch H3PO4 20% giữ được nồng độ proton (H⁺) cao, giúp tăng tốc độ thâm nhập HF. So với axit photphoric không chứa florua{4}}, tốc độ thâm nhập của các loại axit tăng gấp đôi khi có florua ở nồng độ thấp tới 10 ppm.

Nồng độ Fluoride tối đa được phép trong thời gian sử dụng ba{0}}năm (25.000 giờ)
Nhiệt độ vận hành ( độ ) Độ F tối đa (ppm) cho tuổi thọ 3 năm Tuổi thọ dự kiến của bộ phát nhiệt ở mức gấp đôi giới hạn (năm)Chế độ hư hỏng Vật liệu lõi được đề xuất 80 50 1.0–1,5 Rỗ lõi Incoloy 825 90 30 0.8–1,2 Incoloy phồng rộp hoặc Titanium 100 20 0.5–1,0 Phồng rộp + nứt Lớp Titanium 2 110 10 0.3–0,6 Ăn mòn lõi nhanh Lớp Titanium 2 120 5 0.2–0,4Rủi ro ngay lập tức thất bạiKhông được khuyên
Các giới hạn này được xác định dựa trên việc ngâm liên tục và thành PFA dày 2 mm. Do kênh khuếch tán dài hơn làm giảm tốc độ đến HF nên nồng độ fluoride cho phép tăng 30–50% đối với các bức tường dày hơn (2,5–3,0 mm).

Thông tin hiện trường từ thiết bị bay hơi của axit photphoric
Cứ sau 8 đến 12 tháng, bộ gia nhiệt PFA (tường 2 mm, lõi Incoloy) lại hỏng hóc trong nhà máy cô đặc axit photphoric chạy ở 100 độ với 20% H3PO4 chứa 25–35 ppm F⁻. Theo các thử nghiệm luyện kim, lõi Incoloy có vết rỗ đáng kể. F⁻ được hạ xuống 8 ppm trong cùng một nhà máy bằng cách sử dụng vòng trao đổi nhiệt với bước loại bỏ florua (thêm vôi để kết tủa CaF₂). Tuổi thọ của máy sưởi đã tăng lên 28 tháng (gần như dự đoán là 3 năm ở tốc độ 10 ppm). Nhà máy hiện đang sử dụng lõi titan để tăng thêm lợi nhuận và giữ F⁻ dưới 15 ppm.

Quan sát và giảm thiểu
Thiết lập lịch giám sát florua hàng tuần bằng cách sử dụng điện cực chọn lọc ion-và duy trì nồng độ dưới giới hạn ba-năm đối với hoạt động lâu dài của bộ gia nhiệt PFA trong axit photphoric 20%. Có ba biện pháp khắc phục trong trường hợp nồng độ florua vượt quá giới hạn:

Để tạo ra CaF₂ không hòa tan, hãy thêm chất kết tủa (vôi hoặc canxi cacbonat), sau đó lọc bỏ. Kết quả là F⁻ giảm từ 50 ppm xuống 5–10 ppm.

Thay đổi thành tường PFA dày hơn 3,0 mm. Bởi vì độ xuyên thấu HF tỉ lệ nghịch với độ dày, nên một bức tường dày 3 mm sẽ tăng gấp đôi thời gian bị ăn mòn lõi đối với cùng nồng độ F⁻.

Sử dụng lõi titan có khả năng chống HF tốt hơn. Trong các axit có chứa florua-, titan Lớp 7 (hợp kim Pd{3}}) hoạt động tốt hơn Lớp 2.

Tóm lại, giới hạn cho tuổi thọ ba{0}}năm là 20 ppm F⁻ ở 100 độ .
Nồng độ ion florua tối đa được phép đối với lò sưởi PFA hoạt động trong bể axit photphoric 20% ở 100 độ trong ba năm là 20 ppm. Giới hạn tăng lên 50 ppm ở 80 độ và giảm xuống 5 ppm ở 120 độ. Fluoride làm giảm đáng kể tuổi thọ của lò sưởi bằng cách tăng tốc độ thẩm thấu HF và ăn mòn lõi. Để có độ tin cậy lâu dài, việc giám sát thường xuyên và loại bỏ florua (bằng cách kết tủa vôi) là rất quan trọng. Sử dụng lõi titan và thành PFA dày hơn (2,5–3,0 mm) cho các ứng dụng không thể tránh được fluoride. Fluoride có thể gây chết người nhưng axit photphoric lại vô hại. Máy sưởi hoạt động nếu fluoride được kiểm soát. Nếu bạn bỏ qua nó, thất bại sẽ xảy ra trong vài tháng.