Spørgsmålet om pH-området
Procesingeniører, der vælger en varmeveksler til kemisk service, spørger ofte: hvilket pH-område kan dette materiale håndtere? Spørgsmålet forudsætter et enkelt-materiale svar. For metalliske varmevekslere, især titanium, afhænger svaret ikke kun af procesvæskens pH, men af alt andet, der er forbundet med systemet.
Titanium modstår korrosion over et pH-område på ca. 2-12 under oxiderende forhold. Denne serie dækker mange industrielle anvendelser. Men tilstedeværelsen af andre metaller i systemets-pumpehjul, ventilhuse, tankvægge, anodekurve - introducerer en anden korrosionsmekanisme, der ikke er relateret til pH: galvanisk korrosion.
En fuldstændig PTFE-varmeveksler har ingen galvanisk korrosionsrisiko, fordi den er elektrisk ikke-ledende. Dets anvendelige pH-område strækker sig fra 0 til 14 uden afhængighed af oxiderende eller reducerende forhold. De to materialer nærmer sig korrosionsproblemet ud fra helt forskellige fysiske principper.
Titaniums pH-begrænsninger og den galvaniske korrosionsfælde
Titaniums korrosionsbestandighed er afhængig af en stabil TiO₂ passiv film. Denne film er stabil i oxiderende syrer i et pH-område på ca. 2-12. Ved at reducere syrer-varm HCl, HBr og HF ved enhver pH-værdi opløses filmen og titanium korroderer aktivt. I stærkt alkaliske opløsninger over pH 12 ved forhøjede temperaturer kan filmen også opløses, hvilket fører til ensartet korrosion eller brintskørhed.
Selv inden for titaniums sikre pH-område kan galvanisk korrosion ødelægge metallet, hvis det bliver elektrisk koblet til et mere ædelt materiale. Titanium er relativt ædel i den galvaniske serie i sin passive tilstand. Hvis titanium bliver koblet til grafit, platin eller visse rustfrit stål i en ledende opløsning, er titanium katodisk og generelt sikkert. Men hvis den passive titaniumfilm nedbrydes lokalt-fra en ridse, en sprække eller en kemisk forstyrrelse-er det blotlagte aktive titanium stærkt anodisk i forhold til den omgivende passive overflade. Det galvaniske par mellem aktivt og passivt titanium på den samme komponent driver hurtig pitting.
Eksterne metaller i systemet øger risikoen. En titaniumvarmeveksler i en rustfri ståltank med kobbersamleskinner skaber et multi-metalsystem. Hvis herreløse strømme flyder eller jordpotentialer er forskellige, kan galvanisk korrosion angribe det mindst ædle metal i kredsløbet-potentielt titanium under depassivede forhold.
Tabel 1: Sammenligning af pH og galvanisk korrosion
| Korrosionsegenskab | Titanium (2. klasse) | PTFE |
|---|---|---|
| Anvendeligt pH-område (oxiderende forhold) | 2-12 | 0-14 |
| Anvendeligt pH-område (reducerende forhold) | 4-10 (stærkt begrænset) | 0-14 (ingen begrænsning) |
| Modstandsdygtighed over for HF ved enhver pH | Ingen | Komplet |
| Modstandsdygtighed over for varm koncentreret NaOH | Begrænset (brintskørhed over pH 12, 80 grader) | Komplet til 260 grader |
| Elektrisk ledningsevne | Ledende | Ikke-ledende (isolator) |
| Galvanisk korrosionsrisiko | Til stede (når koblet til uens metaller) | Nul (ingen elektrisk vej) |
| Korrosionsrisiko for vildfaren strøm | Nuværende | Nul |
| Passivitetsafhængighed | Kritisk (filmnedbrydning → hurtigt angreb) | Ingen (ingen passiv film) |
| Spaltekorrosionsrisiko i havvand/klorider | Moderat (over 70 grader) | Nul |
PTFE: Nul elektrisk ledningsevne, nul galvanisk risiko
PTFE er en elektrisk isolator med en volumenresistivitet på over 10¹⁸ ohm·cm. Der kan ikke løbe elektrisk strøm gennem materialet. Galvanisk korrosion kræver et elektrisk kredsløb: en anode, en katode, en ledende bane gennem opløsningen og en ledende bane gennem metallet. PTFE kan ikke fuldføre den metalliske ledningsvej.
En PTFE varmeveksler nedsænket i en procestank kan være omgivet af enhver kombination af metaller ved ethvert elektrisk potentiale. Der dannes ingen galvaniske celler mellem PTFE og disse metaller, fordi PTFE ikke bidrager med elektronisk ledning. Fluorpolymeren er elektrisk usynlig for systemet.
Denne elektriske inertitet strækker sig til korrosion af strøgstrøm. Ved elektrokemisk forarbejdning-kan galvanisering, elektrovinding, anodisering-strømme, der strømmer gennem opløsningen, komme ind i og ud af metalliske varmevekslere, hvilket forårsager alvorlig lokal korrosion ved strømudgangspunkter. PTFE, som er ikke-ledende, kan ikke føre omstrejfende strøm. Strømmen går helt uden om varmeveksleren.
pH-området: Absolut vs. Betinget
Titaniums pH-område på 2-12 under oxiderende forhold er betinget. Det afhænger af tilstedeværelsen af oxidationsmidler for at opretholde den passive film. Det udelukker fluor, chlorid over kritiske temperaturer og reducerende syrer. Det kræver fravær af galvaniske par og vildfarne strømme. Disse forhold er håndterbare i en velkontrolleret proces, men kræver ingeniørmæssig opmærksomhed og operationel disciplin.
PTFEs pH-område på 0-14 er absolut. Ingen kemiske forhold inden for dette område ved nogen praktisk temperatur nedbryder materialet. Ingen oxidationsmiddel er påkrævet. Ingen passiv film må vedligeholdes. Ingen galvanisk isolering er nødvendig. Materialet er iboende immunt over for elektrokemiske korrosionsmekanismer.
Oversigt
PTFE varmevekslere håndterer et bredere effektivt pH-område end titanium, fordi fluorpolymerens korrosionsbestandighed er uafhængig af elektrokemiske forhold. Titaniums anvendelige pH-område afhænger af oxiderende forhold, er begrænset til at reducere syrer og varme baser og er sårbart over for galvanisk og herreløs strømkorrosion, når andre metaller er til stede i systemet.
PTFE eliminerer galvanisk korrosionsrisiko gennem elektrisk ikke-ledningsevne og eliminerer pH-begrænsninger gennem den termodynamiske stabilitet af kulstof-fluorbindinger. pH-området for PTFE er absolut fra 0 til 14 uden betingede begrænsninger.
Teknisk analyse for valg af varmevekslermateriale på tværs af brede pH og elektrokemiske forhold er tilgængelig ved indsendelse af komplet proceskemi, pH-område, oxidations-reduktionspotentiale, andre metaller i systemet og eventuelle observerede korrosionsmønstre på eksisterende udstyr.
