Lingkungan Ekstrim
Pengawetan campuran asam nitrat-hidrofluorat pada suhu 90 derajat mewakili salah satu lingkungan paling agresif dalam pemrosesan kimia industri. Larutannya-biasanya 10-20% HNO₃ dan 2-5% HF-menggabungkan kekuatan oksidasi kuat asam nitrat dengan kemampuan unik ion fluorida untuk membentuk kompleks dan melarutkan lapisan oksida pelindung pada logam.
Tantalum-paduan tungsten 2,5% (Ta-2,5W) adalah bahan logam paling tahan korosi yang tersedia secara komersial untuk layanan ini. Tantalum murni sudah menunjukkan ketahanan yang luar biasa; penambahan tungsten memperkuat paduan dan selanjutnya meningkatkan ketahanan terhadap serangan fluorida melalui efek larutan padat pada film pasif.
PTFE kebal terhadap asam secara individu dan kombinasi keduanya. Tidak ada film pasif untuk diserang. Tidak ada atom logam untuk fluorida hingga kompleks. Perbandingan antara logam yang paling tahan dan polimer inert di lingkungan ekstrem ini menjelaskan batas mendasar perlindungan korosi logam.
Film Pasif Tantalum Di Bawah Serangan Fluorida
Tantalum menolak campuran HNO₃-HF melalui film pasif Ta₂O₅ yang merupakan salah satu oksida yang paling tahan secara kimia. Film ini stabil dalam asam nitrat pada konsentrasi penuh dan rentang suhu. Dengan adanya ion fluorida, film mengalami reaksi pelarutan yang lambat:
Ta₂O₅ + 14HF → 2TaF₇²⁻ + 5H₂O + 4H⁺
Kompleks tantalum-fluorida dapat larut. Filmnya larut. Logam tantalum di bawahnya bereaksi dengan asam nitrat, yang mengoksidasi kembali permukaan dan membentuk kembali lapisan pasif. Hasil akhirnya adalah hilangnya tantalum secara perlahan dan terus-menerus-laju korosi yang bergantung pada konsentrasi HF, suhu, dan rasio HNO₃/HF.
Penambahan tungsten pada Ta-2,5W mengubah perilaku ini. Atom tungsten yang tergabung dalam film pasif mengubah struktur elektroniknya, membuatnya lebih tahan terhadap serangan fluorida. Laju korosi Ta-2,5W dalam campuran HNO₃-HF kira-kira 30-50% lebih rendah dibandingkan tantalum murni pada kondisi yang sama. Ini merupakan kemajuan yang signifikan, namun ini merupakan pengurangan laju, bukan penghapusan mekanisme.
| Parameter Korosi | Tantalum (Murni) | Tantalum-2.5W | PTFE |
|---|---|---|---|
| Mekanisme perlindungan korosi | film pasif Ta₂O₅ | W-memodifikasi film pasif Ta₂O₅ | Stabilitas ikatan C-F yang melekat |
| Tingkat korosi pada 15% HNO₃ + 3% HF pada 90 derajat (mm/tahun) | 0.02-0.08 | 0.01-0.05 | 0 |
| Laju korosi jika HF meningkat hingga 5% (mm/tahun) | 0.05-0.15 | 0.03-0.10 | 0 |
| Sensitivitas terhadap rasio HNO₃/HF | Tinggi (stabilitas film tergantung pada keseimbangan oksidator/fluorida) | Sedang | Tidak ada |
| Sensitivitas terhadap suhu | Tinggi (tingkatnya kira-kira dua kali lipat per 15 derajat) | Tinggi | Tidak ada (di bawah 260 derajat) |
| Korosi zona las | Serangan preferensial mungkin terjadi | Dikurangi namun tidak dihilangkan | T/A (tanpa las) |
| Biaya bahan (relatif) | 40-60× | 50-80× | 1× |
Faktor Percepatan Suhu
Laju korosi tantalum dalam larutan yang mengandung fluorida-sangat bergantung pada suhu-. Angka ini kira-kira dua kali lipat untuk setiap kenaikan 15 derajat. Pada suhu 60 derajat, penukar panas Ta-2.5W dapat berfungsi selama 5-8 tahun. Pada suhu 90 derajat, masa pakai dapat dipersingkat menjadi 2-3 tahun. Pada 110 derajat, penggantian mungkin diperlukan dalam waktu 12-18 bulan.
Laju korosi PTFE adalah nol pada ketiga suhu. Masa pakai penukar panas ditentukan oleh mulur mekanis dari tekanan uap, bukan oleh serangan kimia. Pada suhu 90 derajat, dengan kontrol tekanan uap yang tepat, PTFE memberikan masa pakai 15+ tahun-5-7 kali lebih lama dibandingkan Ta-2,5W.
Kerentanan Ekskursi
Rasio HNO₃/HF dalam rendaman pengawet bervariasi selama pengoperasian. Tarikan benda kerja-ke dalam air bilasan akan mengencerkan rendaman. Penambahan asam untuk mengembalikan konsentrasi dapat dilakukan dengan rasio spesifikasi yang sedikit berbeda. Kehilangan penguapan mengubah komposisi. Variasi ini menggeser keseimbangan oksidator/fluorida yang diandalkan tantalum untuk mempertahankan lapisan pasifnya.
Periode rasio HNO₃/HF yang rendah-dari kesalahan penambahan asam, misalnya-dapat menghilangkan lapisan pasif dari tantalum lebih cepat daripada kemampuan asam nitrat yang tersedia untuk membentuknya kembali. Korosi aktif yang dihasilkan berlanjut sampai rasio asam terkoreksi. Kerusakan akibat sekali perjalanan dapat setara dengan korosi servis normal selama berbulan-bulan.
PTFE tidak memiliki sensitivitas terhadap rasio asam. Ekskursi rasio sebesar apa pun membuat material tidak berubah. Kemampuan bertahan hidup ini sama berharganya dengan laju korosi-kondisi tunak dalam menentukan masa pakai praktis.
Ringkasan
Penukar panas PTFE tanpa syarat kebal terhadap campuran HNO₃-pengawetan HF pada suhu 90 derajat , sedangkan tantalum-paduan tungsten 2,5%-logam komersial paling tahan untuk layanan ini-terkorosi pada kecepatan 0,01-0,05 mm/tahun melalui pelarutan film pasif oleh fluorida. Laju korosi meningkat seiring dengan suhu dan sensitif terhadap rasio HNO₃/HF. PTFE memberikan masa pakai 5-7× lebih lama, menghilangkan kepekaan terhadap perubahan proses, dan menghabiskan biaya yang lebih sedikit dibandingkan paduan tahan api. Dalam layanan campuran HNO₃-HF dalam batas suhu PTFE, PTFE adalah pilihan yang lebih unggul.
Dukungan teknik untuk spesifikasi penukar panas PTFE dalam pengawetan asam campuran tersedia berdasarkan konsentrasi asam, rentang suhu normal dan ekskursi, serta data masa pakai peralatan saat ini.
