Läga väljakutse
Fosforhappe märg{0}}tootmine hõlmab fosfaatkivi seedimist väävelhappega. Saadud suspensioon sisaldab 28–32% P2O5 fosforhappena, kaltsiumsulfaadi (kipsi) kristalle, reageerimata kivimiosakesi ja mitmesuguseid metallilisi lisandeid. Läga on abrasiivne. See on söövitav. See kuumutatakse 70-85 kraadini, et käivitada seedimisreaktsioon ja kontsentreerida hape järgnevates aurustamisetappides.
Selle teenuse soojusvahetid peavad vastu pidama nii kuuma fosforhappe keemilisele rünnakule kui ka hõljuvate ainete mehaanilisele erosioonile. Selle rakenduse puhul kaalutakse mõnikord klaas-täidisega PTFE-PTFE-d, mis on segatud 15-25% klaaskiuga, kuna klaasitäiteaine suurendab jäikust ja arvatakse, et see parandab kulumiskindlust.
Klaasiga täidetud -PTFE-l on aga kriitiline haavatavus kuumas fosforhappes: hape ründab klaasitäiteainet keemiliselt. Fosforhape lahustab klaaskiud, jättes alles poorse, mehaaniliselt nõrgendatud PTFE-maatriksi. Keemiline rünnak täiteainele ja läga erosioon annab lagunemiskiiruse, mis ületab täitmata PTFE oma.
Klaastäiteaine lahustumismehhanism
PTFE täiteainena kasutatavad klaaskiud on tavaliselt E{0}}klaas-kaltsium-alumiinioborosilikaadi koostis. Kuumas fosforhappes toimuvad järgmised reaktsioonid. Hape ründab ränidioksiidi võrku, lahustades räni klaasistruktuurist. Kaltsium, alumiinium ja booroksiidid klaasis reageerivad fosforhappega, moodustades lahustuvad fosfaatsoolad.
Klaaskiud, mis olid algselt hajutatud diskreetsete tugevduselementidena kogu PTFE-maatriksis, lahustuvad järk-järgult pinnast sissepoole. Iga lahustunud kiud jätab PTFE-sse silindrilise tühimiku. Tühjad kontsentreerivad pinget ja loovad teed happe edasiseks tungimiseks materjali. Pind muutub täiteaine lahustumisel kareseks, mis suurendab hõõrdetegurit ja vähendab kulumiskindlust.
Virgin PTFE-l ei ole lahustuvat täiteainet. Fosforhape puutub kokku ainult keemiliselt inertse fluoropolümeeri pinnaga. Erosioonikiiruse määrab ainult PTFE mehaaniline hõõrdumine lobriosakeste poolt, -kiirus, mis on väiksem kui klaastäidisega materjali kombineeritud keemiline -pluss -mehaaniline lagunemine.
| Jõudlusparameeter | Klaasist-täidisega PTFE | Neitsi PTFE |
|---|---|---|
| Täiteaine sisaldus (%) | 15-25 (klaaskiud) | 0 |
| Täiteaine keemiline vastupidavus kuumas H₃PO4 | Kehv (klaas lahustub) | N/A |
| Pinna seisund pärast 2000 tundi lägas | Karestatud, poorne (täiteaine lahustumise tühimikud) | Sile (ainult ühtlane kulumine) |
| Erosioonimäär lägas 80 kraadi juures (suhteline) | 1,5–2,5 × neitsi PTFE | 1.0 (alustase) |
| Tõmbetugevuse säilimine pärast 2000 tundi (%) | 50-70 | >90 |
| Soojusülekande stabiilsus | Laguneb pinna karestumisel | Stabiilne |
Erosiooni paradoks
Klaasi täiteainet lisatakse PTFE-le kõvaduse ja jäikuse suurendamiseks, eeldades paremat kulumiskindlust. Kuivas või mitte-keemiliselt-aktiivses abrasiivses keskkonnas on klaas-täidisega PTFE parem kulumiskindlusega kui puhas PTFE. Klaaskiud taluvad abrasiivsetest osakestest tulenevat kontaktkoormust, kaitstes pehmemat PTFE-maatriksit.
Märjas fosforhappes muudab klaaskiudude keemiline rünnak selle suhte ümber. Hape lahustab kiud pinnal. Ülejäänud PTFE maatriks, mida nüüd täiteaine ei toeta, on erosioonile vastuvõtlikum kui pidev homogeenne PTFE pind. Kulumiskindluse parandamiseks mõeldud täiteainest saab kiirendatud lagunemise mehhanism.
See paradoks on õppetund keemilise protsessi seadmete materjali valimisel: täiteaine toimivust tuleb hinnata teenuse konkreetsetes keemilistes tingimustes, mitte eeldada üldistest mehaaniliste omaduste andmetest.
Kokkuvõte
Virgin PTFE soojusvahetid ületavad klaasiga täidetud -PTFE-d kuumas fosforhappe suspensioonis, kuna klaasitäiteaine lahustub happes, tekitades tühimikud, mis karestavad pinda ja kiirendavad erosiooni. Keemiline rünnak täiteainele koos mehaanilise läga erosiooniga põhjustab 1,5–2,5 korda suurema lagunemiskiiruse kui täitmata PTFE. Virgin PTFE, millel pole ründavat täiteainet, tagab sileda, keemiliselt inertse pinna, mis kulub aeglaselt ja ühtlaselt. Abrasiivse läga kasutamiseks söövitavas keemilises keskkonnas on täitmata PTFE parim materjalivalik.
Tehniline tugi PTFE-soojusvaheti materjalide valimiseks fosforhappe ja muude söövitavate lägarakenduste puhul on saadaval happe kontsentratsiooni, läga tahkete ainete sisalduse ja osakeste omaduste, töötemperatuuri ja seadmete praeguse kasutusea andmete esitamisel.
