Slurry Challenge
Mokri{0}}proces proizvodnje fosforne kiseline uključuje razgradnju fosfatne stijene sumpornom kiselinom. Rezultirajuća kaša sadrži 28-32% P₂O5 kao fosfornu kiselinu, kristale kalcijevog sulfata (gipsa), neizreagirane čestice stijena i razne metalne nečistoće. Gnojnica je abrazivna. Korozivno je. Zagrijava se na 70-85 stupnjeva kako bi se pokrenula reakcija probave i koncentrirala kiselina u sljedećim fazama isparavanja.
Izmjenjivači topline u ovoj službi moraju biti otporni i na kemijski napad vruće fosforne kiseline i na mehaničku eroziju suspendiranih krutih tvari. PTFE ispunjen-staklom-PTFE spojen s 15-25% staklenih vlakana - ponekad se razmatra za ovu primjenu jer stakleno punilo povećava krutost i smatra se da poboljšava otpornost na habanje.
Međutim, PTFE ispunjen staklom-je kritično ranjiv u vrućoj fosfornoj kiselini: stakleno punilo je kemijski napadnuto kiselinom. Fosforna kiselina otapa staklena vlakna, ostavljajući poroznu, mehanički oslabljenu PTFE matricu. Kombinacija kemijskog napada na punilo i erozije iz kaše proizvodi stopu razgradnje koja premašuje onu kod čistog PTFE bez punila.
Mehanizam otapanja staklenog punila
Staklena vlakna koja se koriste kao PTFE punilo obično su E-staklo-kalcijev-aluminoborosilikatni sastav. U vrućoj fosfornoj kiselini odvijaju se sljedeće reakcije. Kiselina napada mrežu silicija, otapa silicij iz strukture stakla. Kalcijev, aluminijev i borov oksid u staklu reagiraju s fosfornom kiselinom i stvaraju topive fosfatne soli.
Staklena vlakna, izvorno raspršena kao diskretni elementi za pojačanje kroz PTFE matricu, postupno se otapaju od površine prema unutra. Svako otopljeno vlakno ostavlja cilindričnu prazninu u PTFE-u. Praznine koncentriraju naprezanje i osiguravaju putove za daljnje prodiranje kiseline u materijal. Površina postaje hrapava kako se punilo otapa, povećavajući faktor trenja i smanjujući otpornost na abraziju.
Virgin PTFE nema punila za otapanje. Fosforna kiselina dolazi u kontakt samo s kemijski inertnom površinom fluorpolimera. Brzina erozije određena je isključivo mehaničkom abrazijom PTFE-a česticama mulja-brzinom koja je niža od kombinirane kemijske-plus-mehaničke degradacije materijala ispunjenog staklom-.
| Parametar izvedbe | PTFE-ispunjen staklom | Djevičanski PTFE |
|---|---|---|
| Sadržaj punila (%) | 15-25 (staklena vlakna) | 0 |
| Kemijska otpornost punila u vrućoj H₃PO₄ | Loše (staklo se otapa) | N/A |
| Stanje površine nakon 2000 sati u gnojnici | Hrapav, porozan (praznine za otapanje punila) | Glatko (samo uniformno nošenje) |
| Stopa erozije u gnojnici na 80 stupnjeva (relativna) | 1,5-2,5× čisti PTFE | 1.0 (osnovna linija) |
| Zadržavanje vlačne čvrstoće nakon 2000 sati (%) | 50-70 | >90 |
| Stabilnost prijenosa topline | Razgrađuje se kada površina postane hrapava | Stabilan |
Paradoks erozije
Stakleno punilo se dodaje PTFE-u kako bi se povećala tvrdoća i krutost, uz očekivanje poboljšane otpornosti na abraziju. U suhim ili ne-kemijski-aktivnim abrazivnim okruženjima, PTFE-ispunjen staklom pokazuje bolju otpornost na habanje od čistog PTFE-a. Staklena vlakna podnose kontaktno opterećenje od abrazivnih čestica, štiteći mekšu PTFE matricu.
U mokroj fosfornoj kiselini, kemijski napad na staklena vlakna preokreće ovaj odnos. Kiselina otapa vlakna na površini. Preostala PTFE matrica, sada nepokrivena punilom, osjetljivija je na eroziju od kontinuirane, homogene netaknute PTFE površine. Punilo koje je trebalo poboljšati otpornost na abraziju postaje mehanizam za ubrzanu razgradnju.
Ovaj paradoks je lekcija u odabiru materijala za opremu za kemijske procese: učinak punila mora se procijeniti pod specifičnim kemijskim uvjetima usluge, a ne pretpostaviti iz podataka o općim mehaničkim svojstvima.
Sažetak
Izvorni PTFE izmjenjivači topline nadmašuju PTFE punjen -staklom u vrućoj otopini fosforne kiseline jer se stakleno punilo otapa u kiselini, stvarajući šupljine koje čine površinu hrapavom i ubrzavaju eroziju. Kemijski napad na punilo u kombinaciji s mehaničkom erozijom kaše proizvodi stopu razgradnje 1,5-2,5 puta veću od PTFE-a bez punila. Neoštećeni PTFE, bez punila za napad, daje glatku, kemijski inertnu površinu koja erodira polako i ravnomjerno. Za upotrebu abrazivnog gnojiva u korozivnim kemijskim okruženjima, PTFE bez punila je najbolji izbor materijala.
Inženjerska potpora za odabir materijala za PTFE izmjenjivač topline u primjenama s fosfornom kiselinom i drugim korozivnim suspenzijama dostupna je nakon podnošenja podataka o koncentraciji kiseline, sadržaju krutih tvari u suspenziji i karakteristikama čestica, radnoj temperaturi i trenutnom radnom vijeku opreme.
