چرا وجود یون های آهن (Fe3+) در 30٪ HCl نفوذ PFA را با یک عامل 2-3 در 100 درجه تسریع می کند؟

در خدمات صنعتی اسید کلریدریک (به عنوان مثال خطوط ترشی، فرآوری مواد معدنی، تمیز کردن شیمیایی) یون های آهن محلول (Fe3+) به صورت کلرید آهن انباشته می شوند. Fe{3}} جذب PFA را در مقایسه با HCl خالص در غلظت و دما 2-3 برابر تسریع می کند. مکانیسم کاتالیزوری است که در آن گونه‌های Fe3+ در بخش‌های آمورف PFA نفوذ می‌کنند و با رطوبت کمی واکنش می‌دهند تا FeCl3·6H2O تولید کنند. این نمک مرطوب حجم مولکولی بالاتری نسبت به PFA خشک دارد که منجر به تورم موضعی و ریزحفره می شود. ریزحفره ها کانال هایی با مقاومت کم برای انتشار HCl و آب تشکیل می دهند. Fe{13}} همچنین تجزیه اکسیداتیو انتهای زنجیره PFA را کاتالیز می کند و حجم آزاد را افزایش می دهد. زمان تا خوردگی هسته از 8000-10000 ساعت به 3000-5000 ساعت در 30% HCl در 100 درجه کاهش یافت، با دیواره PFA 2 میلی متری حاوی 500 ppm Fe{25}} برای کاربردهای حیاتی، Fe 3+ < 50 ppm ضخامت دیواره را نگه دارید یا ضخامت دیواره را افزایش دهید.

مکانیسم نفوذ سریع یون های آهن
نفوذ HCl از طریق PFA از محلول-مدل انتشار P=SD پیروی می کند، که در آن S حلالیت و D ضریب انتشار را نشان می دهد. در HCl خالص، D با حجم آزاد پلیمر تعیین می شود. یونهای آهن (شعاع 0.06 نانومتر، شعاع هیدراته 0.43 نانومتر) برای انتشار از طریق PFA دست نخورده بسیار بزرگ هستند. با این حال، Fe{8}} در محلول به صورت کمپلکس با FeCl4- وجود دارد که خنثی هستند و در فلوروپلیمرها حلالیت کمی دارند. این کمپلکس ها به سطح PFA منتشر می شوند و به Fe(OH)3 هیدرولیز می شوند و به صورت نانو ذرات (20-5 نانومتر) رسوب می کنند. تنش مکانیکی بارش باعث ایجاد ریزحفره می شود. تشکیل ریزحفره‌ها ضریب انتشار مؤثر را افزایش می‌دهد، زیرا HCl می‌تواند از طریق شبکه خالی (انتشار فاز گاز) به جای ماتریس پلیمری منتشر شود. این نفوذ به کمک فضای خالی 10-100 برابر سریعتر از انتشار ماتریس است.

عمل کاتالیزوری بستگی به غلظت دارد. Fe 3+ فقط در 1000-2000 ppm در 100 درجه (به عنوان FeCl 3 ) در 30٪ HCl محلول است. ضریب شتاب نفوذ (AF) AF=1 + 0.003 × [Fe 3+ ] (ppm) (تا 1000 ppm). 500 ppm Fe 3+ AF=2.5× . 1000 ppm Fe 3+ AF=4 × است. کریستال های FeCl3 ممکن است در سطح PFA در غلظت های بیش از 1500 ppm رسوب کنند و به غلاف آسیب فیزیکی وارد کنند.

داده‌های نفوذ: Fe3+ در برابر HCl خالص-HCl آلوده (100 درجه، 2 میلی‌متر دیوار PFA)
غلظت آهن 3+ (ppm) ثابت-نرخ نفوذ حالت (g/m2.day) زمان تا 1.0 میلی متر نازک شدن دیوار (ساعت) زمان تا خوردگی هسته (ساعت) ضریب شتاب (در مقابل خالص) وضعیت سطح
0 (خالص) 0.8–1.2 12،000–15،000 8،000–10،000 1.0× صاف، شفاف 50 1.0–1.5 10،000–12،000 6،000–8،{{16}–1.4× مه خفیف
100 1.3-1.8 8,000-10,000 5,000-7,000 1.5-1.8x Haze, trace رسوبات 250 1.8-2.5 5,000-7,000 3,500-5,000 2.0-2.5x رسوب سفید قابل مشاهده 500 2.5-3.5 3,500-5,{12}},{4-brown,{12}},{4/brown 1,000 4.0-6.0 2,000-3,000 1,500-2,000 4.0-5.0x رسوب کریستالی 2,000 (اشباع) 6.0-10.0 1,000-1,500 800-1,200 6.0-10.0x پوسته پوسته شدن سنگین، ترک خوردگی
منابع صنعتی آهن 3+ در HCl
یون های آهن از طریق جریان های HCl وارد می شوند:

مقیاس اکسید آهن ترشی فولاد (معمولاً 200-1000 پی پی ام Fe3+) حل شده

خوردگی مخازن یا لوله های فولادی کربن بالادست

فرآیندهای کاتالیزوری (کاتالیزور FeCl3 در کلرزنی)

اسید بازیافت شده (HCl خام آلوده)

Fe³+ در خطوط ترشی اجتناب ناپذیر است. غلظت با افزایش سن حمام افزایش می یابد. حمام تازه ممکن است 0-50 ppm باشد. حمام سپری شده می تواند به 2000-5000 پی پی ام برسد. بخاری های PFA در حمام های ترشی استفاده شده عمر کمتری نسبت به اسید تازه دارند.

جایگزین های کاهش
برای به حداقل رساندن نفوذ تسریع شده توسط Fe3+:

Fe{0}} را رسوب دهید و فیلتر کنید یک عامل رسوب‌دهنده (مثلاً اسید اگزالیک یا فسفات) اضافه کنید تا Fe{3}} را به FePO4 یا Fe2(C2O4)3 نامحلول تبدیل کنید. قبل از بخاری فیلتر کنید. Fe{10}} از 1000 ppm به 50-100 ppm کاهش یافته است.

از مبدل آهن قربانی استفاده کنید. اسید روی بستری از رزین تبادل یونی-(کاتیون اسید قوی) برای حذف Fe3+. اجرا شود. رزین باید با HCl سازگار باشد.

افزایش ضخامت دیواره PFA: عمر دو برابر برای دیوار 3 میلی متری با غلظت مساوی Fe3+. یک دیوار 2 میلی متری برای 500 پی پی ام Fe 2500-3500 ساعت دوام می آورد3+. یک دیوار 3 میلی متری 5000-7000 ساعت دوام می آورد.

کاهش دمای عملیاتی: اگر دما از 100 درجه به 80 درجه کاهش یابد، میزان انتشار به میزان دو برابر کاهش می یابد. AF از Fe 3+ نیز کاهش می‌یابد (میکروویدهای کمی در دمای پایین‌تر تشکیل می‌شوند).

از آستر PFA با پوشش مانع Fe³+ استفاده کنید. یک لایه نازک (0.1 میلی متر) از کربن آمورف یا کربن مانند الماس (DLC) از انتشار Fe³+ جلوگیری می کند. در دسترس سازندگان تخصصی

تشخیص آسیب از طریق ماشه Fe³⁺
غلاف PFA را بررسی کنید:

- رسوبات سطحی، سفید یا خرمایی (محصولات هیدرولیز FeCl3)

زبری سطح (میکرووییدها با بزرگنمایی 50 برابر دیده می شوند)

Increased water absorption (weigh dry sample before and after immersion; weight rise >0.2٪ میکروویدینگ را نشان می دهد)

طیف‌سنجی IR - سیگنالی در 1040 سانتی‌متر-1 پیوند Fe-O را در رسوب‌های سطحی نشان می‌دهد.

اگر رسوبات Fe³+ وجود داشته باشد، بخاری قبلاً تخریب شده است. توصیه می شود آن را جایگزین کنید.

پرونده میدانی
خط ترشی فولاد در دمای 100 درجه با 30٪ HCl و 600-800 ppm Fe{4}} بخاری PFA (گرید استاندارد، دیواره 2 میلی متر) کار می کرد که 2000 تا 3000 ساعت (3 تا 4 ماه) دوام آورد. کارخانه یک مخزن کریستالیزاسیون نصب کرد که اسید را تا 20 درجه بالادست Fe3+ به 80-120 ppm کاهش داد تا بلورهای FeCl3.6H2O را حذف کند. عمر بخاری به 7000 تا 9000 ساعت (10 تا 12 ماه)، 3× بیشتر افزایش یافته است. کریستالایزر (20000 دلار) در مدت 8 ماه با تعویض بخاری کمتر و زمان توقف بازپرداخت شد.

نتیجه‌گیری Fe{0}} نفوذ PFA را 2-3× در ppm 500 افزایش می‌دهد.
در 30% HCl در 100 درجه، یون های آهن (Fe3+) نفوذپذیری PFA را 2-3× در ppm 500 و تا 10× در 2000 ppm افزایش می دهند. گونه‌های Fe 3+ در PFA نفوذ می‌کنند، به‌عنوان هیدرات‌ها رسوب می‌کنند، ریزحفره‌ها را تشکیل می‌دهند و کانال‌های انتشار با مقاومت کم برای HCl و آب فراهم می‌کنند. برای سرویس HCl صنعتی با دیواره‌های Fe{11}} > 100 ppm PFA (3 میلی‌متر) ضخیم‌تر تعیین کنید یا سیستم حذف آهن (بلورسازی، فیلتراسیون، تبادل یونی) را نصب کنید. Fe³+ را هر هفته چک کنید. Fe³⁺ > 500 ppm: بدون توجه به عوامل دیگر، عمر بخاری را بین 2000 تا 4000 ساعت تخمین بزنید. اسید خالص خشن نیست، اسید با آهن خشن است. آهن را کنترل کنید، نفوذ را کنترل کنید، عمر را طولانی کنید. بخاری نمی تواند تفاوت را تشخیص دهد و آهن باعث تسریع خرابی می شود. از شر آن خلاص شوید یا عمر کمتری داشته باشید. این یک گزینه اقتصادی است. محاسبه کنید، سپس تعیین کنید.