Kalová výzva
Mokrý{0}}proces výroby kyseliny fosforečnej zahŕňa štiepenie fosfátovej horniny kyselinou sírovou. Výsledná kaša obsahuje 28-32 % P205 ako kyselinu fosforečnú, kryštály síranu vápenatého (sadrovca), nezreagované častice hornín a rôzne kovové nečistoty. Kaša je abrazívna. Je žieravý. Zahrieva sa na 70 až 85 stupňov, aby sa poháňala vyhnívacia reakcia a koncentrovala sa kyselina v nasledujúcich odparovacích stupňoch.
Výmenníky tepla v tejto prevádzke musia odolávať chemickému pôsobeniu horúcej kyseliny fosforečnej a mechanickej erózii nerozpustených látok. Sklo-plnený PTFE-PTFE zmiešaný s 15-25 % sklenených vlákien – sa niekedy zvažuje pre túto aplikáciu, pretože sklenené plnivo zvyšuje tuhosť a má sa za to, že zlepšuje odolnosť proti oderu.
Avšak sklom-plnený PTFE má kritickú zraniteľnosť voči horúcej kyseline fosforečnej: sklenená výplň je chemicky napadnutá kyselinou. Kyselina fosforečná rozpúšťa sklenené vlákna a zanecháva poréznu, mechanicky oslabenú PTFE matricu. Kombinácia chemického pôsobenia na plnivo a erózie z kalu vytvára rýchlosť degradácie, ktorá prevyšuje rýchlosť neplneného čistého PTFE.
Mechanizmus rozpúšťania sklenenej výplne
Sklenené vlákna používané ako PTFE plnivo sú zvyčajne E-sklo-vápenaté-hlinitoborosilikátové zloženie. V horúcej kyseline fosforečnej dochádza k nasledujúcim reakciám. Kyselina napáda sieť oxidu kremičitého a rozpúšťa kremík zo sklenenej štruktúry. Oxidy vápnika, hliníka a bóru v skle reagujú s kyselinou fosforečnou za vzniku rozpustných fosfátových solí.
Sklenené vlákna, pôvodne rozptýlené ako samostatné výstužné prvky v PTFE matrici, sa postupne rozpúšťajú od povrchu smerom dovnútra. Každé rozpustené vlákno zanecháva v PTFE valcovú dutinu. Dutiny sústreďujú napätie a poskytujú cesty pre ďalšie prenikanie kyseliny do materiálu. Rozpúšťaním plniva sa povrch zdrsňuje, čím sa zvyšuje koeficient trenia a znižuje sa odolnosť proti oderu.
Panenský PTFE nemá žiadne plnivo na rozpustenie. Kyselina fosforečná je v kontakte iba s chemicky inertným povrchom fluórpolyméru. Rýchlosť erózie je určená výlučne mechanickým oterom PTFE časticami kalu-, pričom rýchlosť je nižšia ako kombinovaná chemická-plus-mechanická degradácia materiálu naplneného sklom-.
| Výkonnostný parameter | PTFE plnené sklom{{0} | Panenský PTFE |
|---|---|---|
| Obsah plniva (%) | 15-25 (sklenené vlákno) | 0 |
| Chemická odolnosť plniva v horúcom H₃PO₄ | Slabé (sklo sa rozpúšťa) | N/A |
| Stav povrchu po 2 000 hodinách v kaši | Zdrsnené, porézne (prázdne miesta pri rozpustení plniva) | Hladké (iba jednotné opotrebovanie) |
| Rýchlosť erózie v suspenzii pri 80 stupňoch (relatívna) | 1,5-2,5× panenský PTFE | 1,0 (základná hodnota) |
| Zachovanie pevnosti v ťahu po 2 000 hodinách (%) | 50-70 | >90 |
| Stabilita prenosu tepla | Degraduje, keď povrch zdrsňuje | Stabilný |
Paradox erózie
Sklenené plnivo sa pridáva do PTFE na zvýšenie tvrdosti a tuhosti, pričom sa očakáva zlepšená odolnosť proti oderu. V suchom alebo -chemicky-aktívnom abrazívnom prostredí vykazuje PTFE plnený sklom- lepšiu odolnosť proti oderu ako čistý PTFE. Sklenené vlákna znášajú kontaktné zaťaženie od abrazívnych častíc, čím chránia mäkšiu PTFE matricu.
Vo vlhkej kyseline fosforečnej chemický útok na sklenené vlákna prevracia tento vzťah. Kyselina rozpúšťa vlákna na povrchu. Zostávajúca matrica PTFE, teraz bez podpory plniva, je náchylnejšia na eróziu ako súvislý, homogénny povrch PTFE. Plnivo, ktoré bolo určené na zlepšenie odolnosti proti oderu, sa stáva mechanizmom zrýchlenej degradácie.
Tento paradox je poučením o výbere materiálu pre chemické procesné zariadenia: výkon plniva sa musí hodnotiť za špecifických chemických podmienok prevádzky, nie je predpokladaný zo všeobecných údajov o mechanických vlastnostiach.
Zhrnutie
Výmenníky tepla Virgin PTFE prekonávajú PTFE naplnený sklom-v horúcich suspenziách kyseliny fosforečnej, pretože sklenené plnivo sa v kyseline rozpúšťa a vytvára dutiny, ktoré zdrsňujú povrch a urýchľujú eróziu. Chemické pôsobenie na plnivo v kombinácii s mechanickou eróziou kalu spôsobuje rýchlosť degradácie 1,5 až 2,5 krát vyššiu ako v prípade neplneného PTFE. Virgin PTFE, bez plniva, ktoré by mohlo napadnúť, poskytuje hladký, chemicky inertný povrch, ktorý pomaly a rovnomerne eroduje. Pre použitie s abrazívnym kalom v korozívnych chemických prostrediach je neplnený PTFE najlepším materiálom.
Technická podpora pre výber materiálu výmenníka tepla PTFE v aplikáciách kyseliny fosforečnej a iných korozívnych kalov je k dispozícii po predložení koncentrácie kyseliny, obsahu pevných látok v kalu a charakteristík častíc, prevádzkovej teploty a aktuálnych údajov o životnosti zariadenia.
