בעיית מחמם התחמוצת השחור
אמבטיות ציפוי תחמוצת שחורות פועלות ב-135-145 מעלות עם תערובת כימית של נתרן הידרוקסיד ב-600-800 גרם/ליטר, נתרן חנקתי ב-200-300 גרם/ליטר, ונתרן ניטריט ב-50-100 גרם/ליטר. התמיסה אינה רק בסיסית - היא תערובת מלח מותכת המתקרבת לעקביות של קאוסטיק מותך. בטמפרטורת ההפעלה, התמיסה תוקפת כמעט את כל המתכות. נירוסטה מתמוססת תוך שעות. טיטניום מתכלה במהירות. אפילו סגסוגות ניקל גבוהות נאבקות.
החומרים המתכתיים היחידים בעלי עמידות שימושית הם פלדת פחמן נמוכה-(היוצרת סרט מגנטי מגן) וסגסוגות מסוימות של- כרום גבוהות. אבל גם לאלה יש חיי שירות מוגבלים של 6-18 חודשים. מחמצן החנקתי תוקף ללא הרף את הסרט המגן. תפרי ריתוך ואזורים מושפעי חום קורוזיים באופן מועדף. הכישלון הוא על ידי דילול אחיד בתוספת חריפות מקומית.
PTFE חסין מבחינה כימית לסביבה זו. עמוד השדרה של הפחמן-פלואור יציב באלקליות חמות מרוכזות ועמיד בפני חמצון על ידי חנקה בטמפרטורות של עד 260 מעלות -הרבה מעל לטמפרטורת הפעולה של 145 מעלות של אמבטיות תחמוצת שחורות.
מנגנון ההתקפה הכפול
תמיסות תחמוצת שחורות תוקפות מתכות באמצעות שני מנגנונים בו-זמניים: פירוק קאוסטי וחמצון חנקה. הנתרן הידרוקסיד המרוכז ממיס את סרט התחמוצת הפסיבי על רוב המתכות. החנקה מחמצן את המתכת הבסיסית החשופה. שני המנגנונים מחזקים אחד את השני.
פלדת פחמן נמוכה-שורדת דרך היווצרות של סרט מגנטיט (Fe₃O₄) שיציב בקוסט מרוכז חם. זהו אותו סרט שנוצר על צינורות דוודים במערכות קיטור בלחץ גבוה-. עם זאת, החנקה באמבט התחמוצת השחור מחמצן ללא הרף את המגנטיט להמטיט שאינו -מגן (Fe₂O₃). הסרט חייב לבצע רפורמה מתמדת, תוך צריכת מתכת בסיסית בתהליך. התוצאה היא דילול קיר איטי אך יציב.
תפרי ריתוך, עם מבנה המיקרו והמתח השיורי שלהם, יוצרים פחות תחמוצת הגנה. הם נשחקים מהר יותר מהמתכת הבסיסית. מחמם פלדה מרותך נכשל בריתוכים תחילה-אותו דפוס שנראה בשירותים כימיים אגרסיביים אחרים.
| פרמטר קורוזיה | מחמם פלדת פחמן נמוך- | תנור סגסוגת כרום גבוה- | מחליף חום PTFE |
|---|---|---|---|
| סרט מגן | Fe₃O₄ (מגנטיט) | Cr₂O₃ (כרומיה) | אין צורך |
| יציבות הסרט ב-NaOH ב-140 מעלות | טוב (אך מחומצן על ידי חנקה) | בינוני (מותקף על ידי קאוסטיק) | N/A |
| קצב קורוזיה אחיד (מ"מ/שנה) | 0.5-2.0 | 0.2-0.8 | 0 |
| שיעור קורוזיה של אזור הריתוך (יחסי) | 1.5-3.0× מתכת בסיסית | 2.0-4.0× מתכת בסיסית | לא רלוונטי (ללא ריתוכים) |
| חיי שירות צפויים (חודשים) | 6-12 | 12-18 | 60+ |
יתרון שולי הטמפרטורה
טמפרטורת ההפעלה של 135-145 מעלות של אמבטיות תחמוצת שחורות היא במסגרת היכולת של PTFE (260 מעלות מקסימום) אך חורגת מהגבולות המעשיים של פלואורפולימרים רבים אחרים. PVDF, למשל, מוגבל ל-150 מעלות בקירוב באוויר אך מתרכך באופן משמעותי בקאוסטיק חם. FEP מדורג ל-204 מעלות אך בעל חוזק מכני נמוך יותר מ-PTFE בטמפרטורה גבוהה.
PTFE שומר על תכונות מכניות שימושיות בכל טווח הפעולה של תחמוצת שחורה. זחילה תחת לחץ קיטור ב-145 מעלות ניתנת לניהול עם עובי דופן צינור ומרווח תמיכה מתאים. היציבות התרמית של החומר מבטיחה ששום תוצרי פירוק לא מזהמים את אמבט הציפוי-, שיקול קריטי לתהליך שבו איכות גימור פני השטח נבדקת ויזואלית.
השוליים התרמיים מספקים גם בטיחות מפני הפרעות בתהליך. אם בקר הטמפרטורה נכשל והאמבטיה מתחממת יתר על המידה ל-160-170 מעלות לפני שמערכת הבטיחות מתערבת, PTFE לא ניזוק. מחליף PVDF או FEP עלול להיות מעוות לצמיתות או להינזק על ידי טיול כזה.
הטבת טוהר האמבט
תנורי חימום מתכתיים באמבטיות תחמוצת שחורות תורמים יוני מתכת מומסים לתמיסה. ברזל ממחממי פלדה וכרום ממחממי סגסוגת משנים את כימיית הציפוי בעדינות. ההשפעה על איכות הציפוי מיוחסת לרוב ליישון האמבט ולא למחמם. המתקנים מקבלים ירידה הדרגתית בביצועי הציפוי ככל שהאמבטיה מזדקנת בין הטבלה.
PTFE אינו מציג יוני מתכת. כימיית האמבט משתנה רק באמצעות התגובות הכימיות המיועדות של תהליך הציפוי וגוררת- הפסדים. איכות הציפוי נשארת עקבית לאורך כל חיי האמבטיה. ביטול הזיהום-שמקורו בחימום עשוי להאריך את חיי האמבטיה או להפחית את תדירות ההתאמות הכימיות.
תַקצִיר
אמבטיות ציפוי תחמוצת שחורות הורסים מחממים מתכתיים באמצעות פירוק קאוסטי בשילוב וחמצון חנקה ב-135-145 מעלות. מחליפי חום PTFE חסינים מבחינה כימית לשני המנגנונים ושומרים על שלמות מכנית עם מרווח נאות מתחת לטמפרטורת השירות המקסימלית של 260 מעלות. ביטול קורוזיה של המחמם מאריך את חיי הציוד מעבר ל-5 שנים ומונע זיהום יוני מתכת של אמבט הציפוי.
תמיכה הנדסית עבור מפרט מחליף חום PTFE ביישומי חמצון שחורים ויישומי חמצון אלקליין חמים זמינה עם הגשת כימיית האמבטיה, טמפרטורת ההפעלה, ממדי המיכל ונתוני חיי השירות הנוכחיים של המחמם.
