Cabaran Slurry
Proses basah-penghasilan asid fosforik melibatkan penghadaman batu fosfat dengan asid sulfurik. Buburan yang terhasil mengandungi 28-32% P₂O₅ sebagai asid fosforik, kristal kalsium sulfat (gipsum), zarah batu yang tidak bertindak balas, dan pelbagai kekotoran logam. Buburan itu melelas. Ia menghakis. Ia dipanaskan hingga 70-85 darjah untuk memacu tindak balas pencernaan dan untuk menumpukan asid dalam peringkat penyejatan berikutnya.
Penukar haba dalam perkhidmatan ini mesti menahan kedua-dua serangan kimia asid fosforik panas dan hakisan mekanikal pepejal terampai. Kaca-PTFE-PTFE yang dikompaun dengan 15-25% gentian kaca-kadangkala dipertimbangkan untuk aplikasi ini kerana pengisi kaca meningkatkan kekakuan dan dilihat meningkatkan rintangan lelasan.
Walau bagaimanapun, PTFE yang dipenuhi kaca-mempunyai kerentanan kritikal dalam asid fosforik panas: pengisi kaca diserang secara kimia oleh asid. Asid fosforik melarutkan gentian kaca, meninggalkan matriks PTFE yang berliang dan lemah secara mekanikal. Gabungan serangan kimia pada pengisi dan hakisan daripada buburan menghasilkan kadar degradasi yang melebihi PTFE dara yang tidak terisi.
Mekanisme Pelarutan Pengisi Kaca
Gentian kaca yang digunakan sebagai pengisi PTFE biasanya E-kaca-kalsium-komposisi aluminoborosilikat. Dalam asid fosforik panas, tindak balas berikut berlaku. Asid menyerang rangkaian silika, melarutkan silikon daripada struktur kaca. Kalsium, aluminium, dan boron oksida dalam kaca bertindak balas dengan asid fosforik untuk membentuk garam fosfat larut.
Gentian kaca, yang asalnya tersebar sebagai elemen pengukuhan diskret di seluruh matriks PTFE, secara beransur-ansur larut dari permukaan ke dalam. Setiap gentian terlarut meninggalkan lompang silinder dalam PTFE. Lompang menumpukan tekanan dan menyediakan laluan untuk penembusan asid selanjutnya ke dalam bahan. Permukaan menjadi kasar apabila pengisi larut, meningkatkan faktor geseran dan mengurangkan rintangan lelasan.
PTFE Dara tidak mempunyai pengisi untuk dibubarkan. Asid fosforik hanya menyentuh permukaan fluoropolimer lengai secara kimia. Kadar hakisan ditentukan semata-mata oleh lelasan mekanikal PTFE oleh zarah buburan-kadar yang lebih rendah daripada gabungan bahan kimia-tambah-degradasi mekanikal kaca-bahan.
| Parameter Prestasi | Kaca-PTFE yang diisi | PTFE dara |
|---|---|---|
| Kandungan pengisi (%) | 15-25 (gentian kaca) | 0 |
| Rintangan kimia pengisi dalam H₃PO₄ panas | Buruk (kaca larut) | N/A |
| Keadaan permukaan selepas 2,000 jam dalam buburan | Kasar, berliang (lompang larut pengisi) | Licin (pakaian seragam sahaja) |
| Kadar hakisan dalam buburan pada 80 darjah (relatif) | 1.5-2.5× PTFE dara | 1.0 (garis dasar) |
| Pengekalan kekuatan tegangan selepas 2,000 jam (%) | 50-70 | >90 |
| Kestabilan pemindahan haba | Merosot apabila permukaan menjadi kasar | Stabil |
Paradoks Hakisan
Pengisi kaca ditambah kepada PTFE untuk meningkatkan kekerasan dan kekakuan, dengan jangkaan rintangan lelasan yang lebih baik. Dalam persekitaran kasar yang kering atau tidak-aktif-aktif, PTFE yang dipenuhi kaca-menunjukkan rintangan lelasan yang lebih baik daripada PTFE dara. Gentian kaca menanggung beban sentuhan daripada zarah kasar, melindungi matriks PTFE yang lebih lembut.
Dalam asid fosforik basah, serangan kimia pada gentian kaca membalikkan hubungan ini. Asid melarutkan gentian di permukaan. Baki matriks PTFE, kini tidak disokong oleh pengisi, lebih mudah terdedah kepada hakisan daripada permukaan PTFE dara yang berterusan dan homogen. Pengisi yang bertujuan untuk meningkatkan rintangan lelasan menjadi mekanisme untuk degradasi dipercepatkan.
Paradoks ini ialah pengajaran dalam pemilihan bahan untuk peralatan proses kimia: prestasi pengisi mesti dinilai di bawah keadaan kimia khusus perkhidmatan, bukan diandaikan daripada data sifat mekanikal am.
Ringkasan
Penukar haba PTFE dara mengatasi PTFE-diisi kaca dalam buburan asid fosforik panas kerana pengisi kaca larut dalam asid, mewujudkan lompang yang mengasarkan permukaan dan mempercepatkan hakisan. Serangan kimia pada pengisi digabungkan dengan hakisan buburan mekanikal menghasilkan kadar degradasi 1.5-2.5 kali ganda daripada PTFE yang tidak diisi. PTFE Dara, tanpa pengisi untuk menyerang, menyediakan permukaan licin, lengai kimia yang terhakis secara perlahan dan seragam. Untuk perkhidmatan buburan yang melelas dalam persekitaran kimia yang menghakis, PTFE yang tidak diisi adalah pilihan bahan yang unggul.
Sokongan kejuruteraan untuk pemilihan bahan penukar haba PTFE dalam asid fosforik dan aplikasi buburan menghakis yang lain tersedia selepas penyerahan kepekatan asid, kandungan pepejal buburan dan ciri zarah, suhu operasi dan data hayat perkhidmatan peralatan semasa.
