La sfida dei liquami
La produzione di acido fosforico tramite processo-umido prevede la digestione della roccia fosfatica con acido solforico. L'impasto liquido risultante contiene il 28-32% di P₂O₅ come acido fosforico, cristalli di solfato di calcio (gesso), particelle di roccia non reagite e varie impurità metalliche. L'impasto è abrasivo. È corrosivo. Viene riscaldato a 70-85 gradi per guidare la reazione di digestione e concentrare l'acido nelle successive fasi di evaporazione.
Gli scambiatori di calore in questo servizio devono resistere sia all'attacco chimico dell'acido fosforico caldo che all'erosione meccanica dei solidi sospesi. Il -PTFE caricato a vetro-PTFE composto con il 15-25% di fibra di vetro viene talvolta preso in considerazione per questa applicazione perché il riempitivo di vetro aumenta la rigidità e si ritiene migliori la resistenza all'abrasione.
Tuttavia, il PTFE-riempito di vetro presenta una vulnerabilità critica nell'acido fosforico caldo: il riempitivo di vetro viene attaccato chimicamente dall'acido. L'acido fosforico dissolve le fibre di vetro, lasciando una matrice PTFE porosa e indebolita meccanicamente. La combinazione dell'attacco chimico sul riempitivo e dell'erosione del liquame produce un tasso di degradazione che supera quello del PTFE vergine non riempito.
Il meccanismo di dissoluzione dei riempitivi di vetro
Le fibre di vetro utilizzate come riempitivo PTFE sono tipicamente E-vetro-una composizione di calcio-alluminoborosilicato. Nell'acido fosforico caldo si verificano le seguenti reazioni. L'acido attacca la rete di silice, dissolvendo il silicio dalla struttura del vetro. Gli ossidi di calcio, alluminio e boro nel vetro reagiscono con l'acido fosforico per formare sali di fosfato solubili.
Le fibre di vetro, originariamente disperse come elementi di rinforzo discreti in tutta la matrice di PTFE, si dissolvono progressivamente dalla superficie verso l'interno. Ogni fibra disciolta lascia un vuoto cilindrico nel PTFE. I vuoti concentrano lo stress e forniscono percorsi per un'ulteriore penetrazione dell'acido nel materiale. La superficie diventa ruvida man mano che il riempitivo si dissolve, aumentando il fattore di attrito e riducendo la resistenza all'abrasione.
Il PTFE vergine non ha riempitivo da sciogliere. L'acido fosforico entra in contatto solo con la superficie del fluoropolimero chimicamente inerte. Il tasso di erosione è determinato esclusivamente dall'abrasione meccanica del PTFE da parte delle particelle di impasto liquido-un tasso che è inferiore alla degradazione chimica combinata-più-meccanica del materiale riempito di vetro-.
| Parametro di prestazione | PTFE caricato a vetro-riempito | PTFE vergine |
|---|---|---|
| Contenuto di riempitivo (%) | 15-25 (fibra di vetro) | 0 |
| Resistenza chimica del riempitivo in H₃PO₄ calda | Scarso (il vetro si dissolve) | N/A |
| Condizioni della superficie dopo 2.000 ore in impasto liquido | Ruvido, poroso (vuoti di dissoluzione del riempitivo) | Liscio (solo abbigliamento uniforme) |
| Tasso di erosione nei liquami a 80 gradi (relativo) | 1,5-2,5× PTFE vergine | 1.0 (base) |
| Ritenzione della resistenza alla trazione dopo 2.000 ore (%) | 50-70 | >90 |
| Stabilità del trasferimento di calore | Si degrada quando la superficie si irruvidisce | Stabile |
Il paradosso dell’erosione
Il riempitivo di vetro viene aggiunto al PTFE per aumentare la durezza e la rigidità, con l'aspettativa di una migliore resistenza all'abrasione. In ambienti abrasivi secchi o non-chimicamente-attivi, il PTFE-riempito di vetro mostra una migliore resistenza all'abrasione rispetto al PTFE vergine. Le fibre di vetro sopportano il carico di contatto delle particelle abrasive, proteggendo la matrice più morbida del PTFE.
Nell'acido fosforico umido l'attacco chimico alle fibre di vetro inverte questo rapporto. L'acido dissolve le fibre in superficie. La restante matrice di PTFE, ora non supportata dal riempitivo, è più suscettibile all'erosione rispetto alla superficie continua e omogenea di PTFE vergine. Il riempitivo destinato a migliorare la resistenza all'abrasione diventa il meccanismo per un degrado accelerato.
Questo paradosso è una lezione sulla selezione dei materiali per le apparecchiature dei processi chimici: le prestazioni del riempitivo devono essere valutate nelle condizioni chimiche specifiche del servizio, non desunte dai dati generali sulle proprietà meccaniche.
Riepilogo
Gli scambiatori di calore in PTFE vergine hanno prestazioni migliori del PTFE riempito di vetro-nei fanghi di acido fosforico caldo perché il riempitivo di vetro si dissolve nell'acido, creando vuoti che irruvidiscono la superficie e accelerano l'erosione. L'attacco chimico sul riempitivo combinato con l'erosione meccanica del liquame produce un tasso di degradazione 1,5-2,5 volte quello del PTFE non riempito. Il PTFE vergine, privo di riempitivi attaccabili, fornisce una superficie liscia, chimicamente inerte che si erode lentamente e in modo uniforme. Per il servizio con fanghi abrasivi in ambienti chimici corrosivi, il PTFE non caricato è la scelta del materiale superiore.
Il supporto tecnico per la selezione del materiale dello scambiatore di calore in PTFE in applicazioni con acido fosforico e altri liquami corrosivi è disponibile previa presentazione della concentrazione dell'acido, del contenuto di solidi del liquame e delle caratteristiche delle particelle, della temperatura operativa e dei dati attuali sulla durata di servizio dell'apparecchiatura.
