تحدي الطين
تتضمن العملية الرطبة لإنتاج حمض الفوسفوريك-هضم صخور الفوسفات مع حمض الكبريتيك. يحتوي الملاط الناتج على 28-32% P₂O₅ في صورة حمض الفوسفوريك، وبلورات كبريتات الكالسيوم (الجبس)، وجزيئات الصخور غير المتفاعلة، وشوائب معدنية مختلفة. الطين كاشطة. إنها قابلة للتآكل. يتم تسخينه إلى 70-85 درجة لدفع تفاعل الهضم وتركيز الحمض في مراحل التبخر اللاحقة.
يجب أن تقاوم المبادلات الحرارية في هذه الخدمة كلا من الهجوم الكيميائي لحمض الفوسفوريك الساخن والتآكل الميكانيكي للمواد الصلبة العالقة. زجاج -مملوء بـ PTFE-PTFE مركب بـ 15-25% من الألياف الزجاجية - يتم أخذه في الاعتبار أحيانًا لهذا التطبيق لأن حشو الزجاج يزيد من الصلابة ويُنظر إليه على أنه يحسن مقاومة التآكل.
ومع ذلك، فإن مادة PTFE-المملوءة بالزجاج بها نقطة ضعف خطيرة في حمض الفوسفوريك الساخن: حيث تتعرض حشوة الزجاج لهجوم كيميائي بواسطة الحمض. يقوم حمض الفوسفوريك بإذابة الألياف الزجاجية، مما يترك مصفوفة PTFE مسامية ضعيفة ميكانيكيًا. يؤدي الجمع بين الهجوم الكيميائي على الحشو والتآكل الناتج عن الملاط إلى إنتاج معدل تحلل يتجاوز معدل PTFE البكر غير المملوء.
آلية إذابة حشو الزجاج
عادةً ما تكون الألياف الزجاجية المستخدمة كحشو PTFE عبارة عن تركيبة من E-زجاج-كالسيوم-ألومينوبورو سيليكات. في حمض الفوسفوريك الساخن تحدث التفاعلات التالية: يهاجم الحمض شبكة السيليكا، ويذيب السيليكون من الهيكل الزجاجي. تتفاعل أكاسيد الكالسيوم والألومنيوم والبورون الموجودة في الزجاج مع حمض الفوسفوريك لتكوين أملاح الفوسفات القابلة للذوبان.
الألياف الزجاجية، المنتشرة في الأصل كعناصر تقوية منفصلة في جميع أنحاء مصفوفة PTFE، تذوب تدريجياً من السطح إلى الداخل. كل ألياف مذابة تترك فراغًا أسطوانيًا في PTFE. تعمل الفراغات على تركيز الضغط وتوفير مسارات لمزيد من اختراق الحمض إلى المادة. يصبح السطح خشنًا عندما يذوب الحشو، مما يزيد من عامل الاحتكاك ويقلل من مقاومة التآكل.
لا يحتوي Virgin PTFE على حشو ليذوب. يتلامس حمض الفوسفوريك فقط مع سطح الفلوروبوليمر الخامل كيميائيًا. يتم تحديد معدل التآكل فقط من خلال التآكل الميكانيكي لـ PTFE بواسطة جزيئات الملاط - وهو معدل أقل من التحلل الكيميائي المدمج -زائد-التحلل الميكانيكي للزجاج-المملوء.
| معلمة الأداء | زجاج-مملوء بمادة PTFE | عذراء PTFE |
|---|---|---|
| محتوى الحشو (٪) | 15-25 (ألياف زجاجية) | 0 |
| المقاومة الكيميائية للحشو في H₃PO₄ الساخن | ضعيف (الزجاج يذوب) | N/A |
| حالة السطح بعد 2000 ساعة في الملاط | خشنة، مسامية (فراغات ذوبان الحشو) | ناعم (ارتداء موحد فقط) |
| معدل التآكل في الملاط عند 80 درجة (نسبي) | 1.5-2.5 × PTFE البكر | 1.0 (خط الأساس) |
| الاحتفاظ بقوة الشد بعد 2000 ساعة (٪) | 50-70 | >90 |
| استقرار نقل الحرارة | يتحلل مع خشونة السطح | مستقر |
مفارقة التآكل
تتم إضافة حشو الزجاج إلى PTFE لزيادة الصلابة والصلابة، مع توقع تحسين مقاومة التآكل. في البيئات الكاشطة الجافة أو غير النشطة كيميائيًا-، يُظهر PTFE المملوء بالزجاج - مقاومة أفضل للتآكل مقارنة بـ PTFE البكر. تتحمل الألياف الزجاجية حمل التلامس من الجزيئات الكاشطة، مما يحمي مصفوفة PTFE الأكثر ليونة.
وفي حمض الفوسفوريك الرطب، يؤدي الهجوم الكيميائي على الألياف الزجاجية إلى عكس هذه العلاقة. يقوم الحمض بإذابة الألياف الموجودة على السطح. إن مصفوفة PTFE المتبقية، غير المدعومة الآن بواسطة الحشو، أكثر عرضة للتآكل من سطح PTFE البكر المستمر والمتجانس. الحشو الذي كان يهدف إلى تحسين مقاومة التآكل يصبح آلية التدهور المتسارع.
هذه المفارقة هي درس في اختيار المواد لمعدات العمليات الكيميائية: يجب تقييم أداء الحشو في ظل الظروف الكيميائية المحددة للخدمة، وليس من المفترض من بيانات الخصائص الميكانيكية العامة.
ملخص
تتفوق المبادلات الحرارية PTFE الأصلية على الزجاج-المملوء بـ PTFE في ملاط حمض الفوسفوريك الساخن لأن حشو الزجاج يذوب في الحمض، مما يؤدي إلى إنشاء فراغات تؤدي إلى خشونة السطح وتسريع التآكل. يؤدي الهجوم الكيميائي على الحشو جنبًا إلى جنب مع تآكل الملاط الميكانيكي إلى إنتاج معدل تحلل يتراوح بين 1.5 إلى 2.5 مرة مقارنة بـ PTFE غير المملوء. يوفر Virgin PTFE، مع عدم وجود حشو يمكن مهاجمته، سطحًا أملسًا خاملًا كيميائيًا يتآكل ببطء وبشكل موحد. بالنسبة لخدمة الملاط الكاشطة في البيئات الكيميائية المسببة للتآكل، فإن مادة PTFE غير المملوءة هي الخيار الأفضل للمواد.
يتوفر الدعم الهندسي لاختيار مواد المبادل الحراري PTFE في حمض الفوسفوريك وتطبيقات الملاط المسببة للتآكل الأخرى عند تقديم تركيز الحمض ومحتوى المواد الصلبة الملاطية وخصائص الجسيمات ودرجة حرارة التشغيل وبيانات عمر خدمة المعدات الحالية.
