Gylleudfordringen
Fosforsyreproduktion i våd-proces involverer fordøjelse af fosfatsten med svovlsyre. Den resulterende opslæmning indeholder 28-32% P2O5 som phosphorsyre, calciumsulfat (gips) krystaller, uomsatte stenpartikler og forskellige metalliske urenheder. Gyllen er slibende. Det er ætsende. Det opvarmes til 70-85 grader for at drive fordøjelsesreaktionen og for at koncentrere syren i efterfølgende fordampningstrin.
Varmevekslere i denne tjeneste skal modstå både det kemiske angreb af varm fosforsyre og den mekaniske erosion af de suspenderede faste stoffer. Glas-fyldt PTFE-PTFE sammensat med 15-25 % glasfiber - overvejes nogle gange til denne anvendelse, fordi glasfyldstoffet øger stivheden og opfattes som en forbedring af slidstyrken.
Glas-fyldt PTFE har dog en kritisk sårbarhed i varm fosforsyre: glasfyldstoffet angribes kemisk af syren. Fosforsyren opløser glasfibrene og efterlader en porøs, mekanisk svækket PTFE-matrix. Kombinationen af kemisk angreb på fyldstoffet og erosion fra gyllen frembringer en nedbrydningshastighed, der overstiger nedbrydningshastigheden for ufyldt virgin PTFE.
Glasfyldstofopløsningsmekanismen
Glasfibre, der bruges som PTFE-fyldstof, er typisk E-glas-en calcium-aluminiumborosilikatsammensætning. I varm fosforsyre opstår følgende reaktioner. Syren angriber siliciumnetværket og opløser silicium fra glasstrukturen. Calcium-, aluminium- og boroxider i glasset reagerer med phosphorsyre og danner opløselige phosphatsalte.
Glasfibrene, der oprindeligt var spredt som adskilte forstærkende elementer gennem PTFE-matrixen, opløses gradvist fra overfladen indad. Hver opløst fiber efterlader et cylindrisk hulrum i PTFE. Hulrummene koncentrerer stress og giver veje til yderligere syreindtrængning i materialet. Overfladen bliver ru, når fyldstoffet opløses, hvilket øger friktionsfaktoren og reducerer slidstyrken.
Virgin PTFE har intet fyldstof at opløse. Fosforsyren kommer kun i kontakt med den kemisk inerte fluorpolymeroverflade. Erosionshastigheden bestemmes udelukkende af den mekaniske slid af PTFE'en af slampartiklerne-en hastighed, der er lavere end den kombinerede kemiske-plus-mekaniske nedbrydning af det glasfyldte-materiale.
| Præstationsparameter | Glas-fyldt PTFE | Virgin PTFE |
|---|---|---|
| Fyldstofindhold (%) | 15-25 (glasfiber) | 0 |
| Fyldstoffets kemikalieresistens i varmt H₃PO₄ | Dårlig (glas opløses) | N/A |
| Overfladetilstand efter 2.000 timer i gylle | Ru, porøs (fyldstofopløsningshulrum) | Glat (kun ensartet slid) |
| Erosionshastighed i gylle ved 80 grader (relativt) | 1,5-2,5× jomfruelig PTFE | 1.0 (basislinje) |
| Trækstyrketilbageholdelse efter 2.000 timer (%) | 50-70 | >90 |
| Varmeoverførselsstabilitet | Nedbrydes, når overfladen bliver ru | Stabil |
Erosionsparadokset
Glasfyldstoffet tilsættes PTFE for at øge hårdheden og stivheden med forventning om forbedret slidstyrke. I tørre eller ikke-kemiske-aktive slibende miljøer viser glas-fyldt PTFE bedre slidstyrke end virgin PTFE. Glasfibrene bærer kontaktbelastningen fra slibende partikler, hvilket beskytter den blødere PTFE-matrix.
I våd fosforsyre inverterer det kemiske angreb på glasfibrene dette forhold. Syren opløser fibrene ved overfladen. Den resterende PTFE-matrix, som nu ikke er understøttet af fyldstoffet, er mere modtagelig for erosion end den kontinuerlige, homogene virgin PTFE-overflade. Fyldstoffet, der var beregnet til at forbedre slidstyrken, bliver mekanismen for accelereret nedbrydning.
Dette paradoks er en lektion i materialevalg til kemisk procesudstyr: fyldstofydelsen skal evalueres under de specifikke kemiske forhold for tjenesten, ikke antaget ud fra generelle mekaniske egenskabsdata.
Oversigt
Virgin PTFE varmevekslere udkonkurrerer glas-fyldt PTFE i varme fosforsyreopslæmninger, fordi glasfyldstoffet opløses i syren og skaber hulrum, der gør overfladen ru og accelererer erosion. Det kemiske angreb på fyldstoffet kombineret med mekanisk gylleerosion giver en nedbrydningshastighed på 1,5-2,5 gange den for ufyldte PTFE. Virgin PTFE, uden fyldstof at angribe, giver en glat, kemisk inert overflade, der eroderer langsomt og ensartet. Til slibende gylleservice i korrosive kemiske miljøer er ufyldt PTFE det overlegne materialevalg.
Teknisk support til valg af PTFE varmevekslermateriale i fosforsyre og andre ætsende gylleapplikationer er tilgængelig ved indsendelse af syrekoncentration, gyllefaststofindhold og partikelkarakteristika, driftstemperatur og aktuelle data om udstyrets levetid.
