The Slurry Challenge
Η υγρή-διαδικασία παραγωγής φωσφορικού οξέος περιλαμβάνει πέψη φωσφορικού πετρώματος με θειικό οξύ. Ο προκύπτων πολτός περιέχει 28-32% P2O5 ως φωσφορικό οξύ, κρυστάλλους θειικού ασβεστίου (γύψου), σωματίδια πετρώματος που δεν αντέδρασαν και διάφορες μεταλλικές ακαθαρσίες. Ο πολτός είναι λειαντικός. Είναι διαβρωτικό. Θερμαίνεται στους 70-85 βαθμούς για να οδηγήσει την αντίδραση πέψης και να συμπυκνώσει το οξύ στα επόμενα στάδια εξάτμισης.
Οι εναλλάκτες θερμότητας σε αυτήν την υπηρεσία πρέπει να ανθίστανται τόσο στη χημική προσβολή του θερμού φωσφορικού οξέος όσο και στη μηχανική διάβρωση των αιωρούμενων στερεών. Γυαλί-PTFE με πλήρωση-PTFE σε συνδυασμό με 15-25% ίνες γυαλιού - μερικές φορές λαμβάνεται υπόψη για αυτήν την εφαρμογή, επειδή το πληρωτικό γυαλιού αυξάνει την ακαμψία και θεωρείται ότι βελτιώνει την αντοχή στην τριβή.
Ωστόσο, το PTFE με-γεμάτη γυαλί έχει μια κρίσιμη ευπάθεια στο καυτό φωσφορικό οξύ: το πληρωτικό γυαλιού δέχεται χημική επίθεση από το οξύ. Το φωσφορικό οξύ διαλύει τις ίνες γυαλιού, αφήνοντας μια πορώδη, μηχανικά εξασθενημένη μήτρα PTFE. Ο συνδυασμός χημικής προσβολής στο πληρωτικό και διάβρωσης από τον πολτό παράγει ρυθμό αποικοδόμησης που υπερβαίνει αυτόν του μη γεμισμένου παρθένου PTFE.
Ο Μηχανισμός Διάλυσης Γεμίσματος Γυαλιού
Οι ίνες γυαλιού που χρησιμοποιούνται ως πληρωτικό PTFE είναι συνήθως σύνθεση Ε-γυαλιού-ασβεστίου-αλουμινοβοροπυριτικού. Στο καυτό φωσφορικό οξύ, συμβαίνουν οι ακόλουθες αντιδράσεις. Το οξύ επιτίθεται στο δίκτυο του πυριτίου, διαλύοντας το πυρίτιο από τη γυάλινη δομή. Τα οξείδια του ασβεστίου, του αργιλίου και του βορίου στο γυαλί αντιδρούν με το φωσφορικό οξύ για να σχηματίσουν διαλυτά φωσφορικά άλατα.
Οι ίνες γυαλιού, αρχικά διασκορπισμένες ως διακριτά ενισχυτικά στοιχεία σε όλη τη μήτρα PTFE, διαλύονται σταδιακά από την επιφάνεια προς τα μέσα. Κάθε διαλυμένη ίνα αφήνει ένα κυλινδρικό κενό στο PTFE. Τα κενά συγκεντρώνουν το στρες και παρέχουν μονοπάτια για περαιτέρω διείσδυση οξέος στο υλικό. Η επιφάνεια γίνεται τραχύ καθώς διαλύεται το πληρωτικό, αυξάνοντας τον παράγοντα τριβής και μειώνοντας την αντοχή στην τριβή.
Το Virgin PTFE δεν έχει πληρωτικό για διάλυση. Το φωσφορικό οξύ έρχεται σε επαφή μόνο με την χημικά αδρανή επιφάνεια φθοροπολυμερούς. Ο ρυθμός διάβρωσης καθορίζεται αποκλειστικά από τη μηχανική τριβή του PTFE από τα σωματίδια ιλύος-ένας ρυθμός που είναι χαμηλότερος από τη συνδυασμένη χημική-συν-μηχανική αποικοδόμηση του υλικού-γεμάτου γυαλιού.
| Παράμετρος απόδοσης | Γυαλί-PTFE με γέμιση | Virgin PTFE |
|---|---|---|
| Περιεκτικότητα σε υλικό πλήρωσης (%) | 15-25 (ίνες γυαλιού) | 0 |
| Χημική αντοχή πληρωτικού σε ζεστό H3PO4 | Κακή (το γυαλί διαλύεται) | N/A |
| Κατάσταση επιφάνειας μετά από 2.000 ώρες σε πολτό | Τραχύ, πορώδες (κενά διάλυσης πληρωτικού) | Ομαλή (μόνο ομοιόμορφη χρήση) |
| Ρυθμός διάβρωσης στον πολτό στους 80 βαθμούς (σχετικός) | 1,5-2,5× παρθένο PTFE | 1.0 (βασική γραμμή) |
| Διατήρηση αντοχής σε εφελκυσμό μετά από 2.000 ώρες (%) | 50-70 | >90 |
| Σταθερότητα μεταφοράς θερμότητας | Αποδομείται καθώς η επιφάνεια τραχύει | Σταθερός |
Το παράδοξο της διάβρωσης
Το πληρωτικό γυαλιού προστίθεται σε PTFE για αύξηση της σκληρότητας και της ακαμψίας, με την προσδοκία βελτιωμένης αντοχής στην τριβή. Σε ξηρά ή μη{1}}χημικά-δραστικά λειαντικά περιβάλλοντα, το PTFE με γυαλί-εμφανίζει καλύτερη αντοχή στην τριβή από το παρθένο PTFE. Οι ίνες γυαλιού αντέχουν το φορτίο επαφής από λειαντικά σωματίδια, προστατεύοντας την μαλακότερη μήτρα PTFE.
Στο υγρό φωσφορικό οξύ, η χημική επίθεση στις ίνες γυαλιού αντιστρέφει αυτή τη σχέση. Το οξύ διαλύει τις ίνες στην επιφάνεια. Η υπόλοιπη μήτρα PTFE, που τώρα δεν υποστηρίζεται από το πληρωτικό, είναι πιο επιρρεπής στη διάβρωση από τη συνεχή, ομοιογενή παρθένα επιφάνεια PTFE. Το πληρωτικό που προοριζόταν να βελτιώσει την αντοχή στην τριβή γίνεται ο μηχανισμός για επιταχυνόμενη αποικοδόμηση.
Αυτό το παράδοξο είναι ένα μάθημα στην επιλογή υλικού για εξοπλισμό χημικής διεργασίας: η απόδοση του πληρωτικού πρέπει να αξιολογείται υπό τις ειδικές χημικές συνθήκες της υπηρεσίας, και όχι από τα γενικά δεδομένα μηχανικών ιδιοτήτων.
Περίληψη
Οι παρθένοι εναλλάκτες θερμότητας από PTFE έχουν καλύτερη απόδοση από PTFE{0}}γεμάτο από γυαλί σε ζεστούς πολτούς φωσφορικού οξέος, επειδή το πληρωτικό γυαλιού διαλύεται στο οξύ, δημιουργώντας κενά που τραχύνουν την επιφάνεια και επιταχύνουν τη διάβρωση. Η χημική προσβολή στο πληρωτικό σε συνδυασμό με τη μηχανική διάβρωση του πολτού παράγει ρυθμό αποικοδόμησης 1,5-2,5 φορές μεγαλύτερο από αυτόν του μη γεμισμένου PTFE. Το Virgin PTFE, χωρίς πληρωτικό για επίθεση, παρέχει μια λεία, χημικά αδρανή επιφάνεια που διαβρώνεται αργά και ομοιόμορφα. Για συντήρηση λειαντικού πολτού σε διαβρωτικά χημικά περιβάλλοντα, το απλήρωτο PTFE είναι η ανώτερη επιλογή υλικού.
Η τεχνική υποστήριξη για την επιλογή υλικού εναλλάκτη θερμότητας PTFE σε φωσφορικό οξύ και άλλες εφαρμογές διαβρωτικού πολτού είναι διαθέσιμη με την υποβολή δεδομένων συγκέντρωσης οξέος, περιεκτικότητας σε στερεά πολτού και χαρακτηριστικών σωματιδίων, θερμοκρασίας λειτουργίας και τρέχουσας διάρκειας ζωής του εξοπλισμού.
