Slurry-haaste
Fosforihapon märkäprosessissa{0}}tuotantoon kuuluu fosfaattikiven pilkkominen rikkihapolla. Tuloksena oleva liete sisältää 28-32 % P205 fosforihappona, kalsiumsulfaatti(kipsi)kiteitä, reagoimattomia kivihiukkasia ja erilaisia metallisia epäpuhtauksia. Liete on hankaavaa. Se on syövyttävää. Se kuumennetaan 70-85 asteeseen digestioreaktion ajamiseksi ja hapon konsentroimiseksi seuraavissa haihdutusvaiheissa.
Tämän palvelun lämmönvaihtimien on kestettävä sekä kuuman fosforihapon kemiallinen hyökkäys että suspendoituneiden aineiden mekaaninen eroosio. Lasi-täytetty PTFE-PTFE, johon on sekoitettu 15-25 % lasikuitua, harkitaan joskus tässä sovelluksessa, koska lasitäyteaine lisää jäykkyyttä ja sen uskotaan parantavan kulutuskestävyyttä.
Lasilla{0}}täytetyllä PTFE:llä on kuitenkin kriittinen haavoittuvuus kuumassa fosforihapossa: happo hyökkää kemiallisesti lasitäyteaineeseen. Fosforihappo liuottaa lasikuidut jättäen huokoisen, mekaanisesti heikennetyn PTFE-matriisin. Kemiallisen hyökkäyksen täyteaineeseen ja lietteen eroosion yhdistelmä tuottaa hajoamisnopeuden, joka ylittää täyttämättömän neitseellisen PTFE:n.
Lasin täyteaineen liukenemismekanismi
PTFE-täyteaineena käytetyt lasikuidut ovat tyypillisesti E{0}}lasi-kalsium-alumiiniborosilikaattikoostumusta. Kuumassa fosforihapossa tapahtuu seuraavia reaktioita. Happo hyökkää piidioksidiverkostoa vastaan ja liuottaa piitä lasirakenteesta. Lasissa olevat kalsium-, alumiini- ja boorioksidit reagoivat fosforihapon kanssa muodostaen liukoisia fosfaattisuoloja.
Lasikuidut, jotka alun perin dispergoituivat erillisinä vahvistuselementteinä kaikkialle PTFE-matriisiin, liukenevat asteittain pinnasta sisäänpäin. Jokainen liuennut kuitu jättää lieriömäisen tyhjiön PTFE:hen. Tyhjät tilat keskittävät jännityksen ja tarjoavat väyliä hapon lisätunkeutumiseen materiaaliin. Pinta karhentuu täyteaineen liukeneessa, mikä lisää kitkakerrointa ja vähentää kulutuskestävyyttä.
Virgin PTFE:ssä ei ole liukenevaa täyteainetta. Fosforihappo koskettaa vain kemiallisesti inerttiä fluoripolymeerin pintaa. Eroosionopeus määräytyy yksinomaan lietehiukkasten aiheuttaman PTFE:n mekaanisen hankauksen perusteella, -joka on pienempi kuin lasitäytetyn materiaalin yhdistetty kemiallinen -plus-mekaaninen hajoaminen.
| Suorituskykyparametri | Lasi-täytetty PTFE | Neitsyt PTFE |
|---|---|---|
| Täyteainepitoisuus (%) | 15-25 (lasikuitu) | 0 |
| Täyteaineen kemiallinen kestävyys kuumassa H3PO4:ssä | Huono (lasi liukenee) | N/A |
| Pinnan kunto 2000 tunnin lietteen jälkeen | Karhentunut, huokoinen (täyteaineen liukenemisaukot) | Sileä (vain yhtenäinen kuluminen) |
| Eroosionopeus lietteessä 80 asteessa (suhteellinen) | 1,5-2,5 × neitseellistä PTFE:tä | 1.0 (perustaso) |
| Vetolujuuden säilyminen 2000 tunnin jälkeen (%) | 50-70 | >90 |
| Lämmönsiirron vakaus | Hajoaa pinnan karhentuessa | Vakaa |
Eroosioparadoksi
Lasin täyteainetta lisätään PTFE:hen kovuuden ja jäykkyyden lisäämiseksi odotettaessa parempaa kulutuskestävyyttä. Kuivissa tai ei--kemiallisesti-aktiivisissa hankaavissa ympäristöissä lasi-täyteisellä PTFE:llä on parempi kulutuskestävyys kuin alkuperäisellä PTFE:llä. Lasikuidut kestävät hankaavien hiukkasten aiheuttaman kosketuskuorman ja suojaavat pehmeämpää PTFE-matriisia.
Kosteassa fosforihapossa lasikuituihin kohdistuva kemiallinen hyökkäys muuttaa tämän suhteen päinvastaiseksi. Happo liuottaa kuidut pinnalta. Jäljelle jäänyt PTFE-matriisi, jota nyt ei tueta täyteaineella, on herkempi eroosiolle kuin jatkuva, homogeeninen neitseellisen PTFE-pinta. Täyteaineesta, jonka oli tarkoitus parantaa kulutuskestävyyttä, tulee nopeutetun hajoamisen mekanismi.
Tämä paradoksi on opetus kemiallisten prosessilaitteiden materiaalien valinnassa: täyteaineen suorituskyky on arvioitava palvelun erityisissä kemiallisissa olosuhteissa, ei yleisten mekaanisten ominaisuuksien perusteella.
Yhteenveto
Virgin PTFE -lämmönvaihtimet ovat tehokkaampia kuin lasilla täytetty{0} PTFE kuumassa fosforihappolietteessä, koska lasitäyteaine liukenee happoon luoden onteloita, jotka karheuttavat pintaa ja nopeuttavat eroosiota. Kemiallinen hyökkäys täyteaineeseen yhdistettynä mekaanisen lietteen eroosion kanssa tuottaa 1,5-2,5 kertaa täyttämättömän PTFE:n hajoamisnopeuden. Virgin PTFE, jossa ei ole hyökkäävää täyteainetta, tarjoaa sileän, kemiallisesti inertin pinnan, joka kuluu hitaasti ja tasaisesti. Täyttämätön PTFE on erinomainen materiaalivalinta hiomalietteen käyttöön syövyttävissä kemiallisissa ympäristöissä.
Teknistä tukea PTFE-lämmönvaihdinmateriaalien valinnalle fosforihapossa ja muissa syövyttävissä lietesovelluksissa on saatavilla, kun happopitoisuus, lietteen kiintoainepitoisuus ja hiukkasten ominaisuudet, käyttölämpötila ja laitteen nykyinen käyttöikä on toimitettu.
