Masalah Keausan Bubur
Tangki bubur yang diaduk dalam pemrosesan mineral, produksi asam fosfat, dan pengolahan air limbah menahan partikel padat abrasif dalam cairan korosif. Tabung penukar panas yang direndam dalam lingkungan ini mengalami tumbukan partikel secara terus menerus. Setiap tumbukan partikel menghilangkan sejumlah material mikroskopis dari permukaan tabung. Selama berbulan-bulan dan bertahun-tahun, erosi kumulatif menipiskan dinding tabung.
PTFE-berisi alumina-PTFE yang digabungkan dengan 10-20% bubuk aluminium oksida (Al₂O₃)-dipasarkan sebagai alternatif tahan abrasi terhadap PTFE murni. Partikel pengisi keramik, yang lebih keras dibandingkan matriks PTFE, dimaksudkan untuk mencegah benturan partikel bubur dan melindungi polimer dari keausan.
Konsep ini berlaku dalam pemakaian geser kering. Dalam erosi lumpur basah, lingkungan kimia dan antarmuka matriks-pengisi menimbulkan komplikasi yang dapat membalikkan keunggulan kinerja yang diharapkan. Memahami komplikasi ini penting untuk pemilihan material yang tepat dalam layanan kimia abrasif.
Mekanisme Erosi Lumpur
Erosi lumpur dalam tangki berpengaduk melibatkan partikel yang tersuspensi dalam cairan yang berdampak pada permukaan tabung penukar panas dengan kecepatan sedang-biasanya 1-5 m/s. Dampak partikel menciptakan deformasi plastik lokal di permukaan PTFE. Benturan yang berulang-ulang akan mengakumulasi regangan, yang pada akhirnya akan melepaskan fragmen-fragmen kecil polimer.
Pada PTFE perawan, permukaan merespons benturan partikel melalui deformasi viskoelastik. Rantai polimer menyerap energi tumbukan dan mundur secara elastis jika regangan berada di bawah ambang batas luluh. Erosi terjadi melalui proses-seperti kelelahan setelah banyak dampak. Tarifnya rendah dan seragam.
Dalam PTFE yang diisi alumina-, partikel pengisinya kaku. Mereka tidak berubah bentuk saat terkena benturan. Energi tumbukan terkonsentrasi pada antarmuka antara partikel alumina keras dan matriks PTFE yang lebih lunak. Konsentrasi tegangan memulai retakan mikro-pada batas matriks-pengisi. Retakan ini tumbuh karena benturan yang berulang-ulang. Akhirnya, PTFE di sekitarnya terlepas, membawa serta partikel pengisi. Laju erosi ditentukan bukan oleh kekerasan bahan pengisi tetapi oleh daya rekat bahan pengisi pada matriks dan ketahanan lelah antarmuka tersebut.
| Parameter Erosi | PTFE perawan | Alumina-Mengisi PTFE |
|---|---|---|
| Mekanisme perlindungan erosi | Penyerapan energi viskoelastik | Partikel pengisi mencegat dampak |
| Antarmuka matriks-pengisi | T/A (homogen) | Situs konsentrasi stres |
| Inisiasi-retak mikro | Lambat (bahan seragam) | Dipercepat pada batas pengisi |
| Laju erosi pada bubur silika yang diaduk (relatif) | 1.0 (dasar) | 1.2-1.8× |
| Kondisi permukaan setelah 1.000 jam | Pakaian halus dan seragam | Menjadi kasar, partikel pengisi terbuka |
| Stabilitas koefisien perpindahan panas | Stabil (permukaan halus) | Degradasi (permukaan menjadi kasar) |
| Ketahanan terhadap bahan kimia | Bagus sekali | Terkompromikan jika asam menyerang pengisi |
Interaksi-Pengisi Kimia
Alumina secara kimiawi tahan terhadap banyak asam tetapi diserang oleh larutan proses tertentu yang umum. Dalam bubur asam fosfat, alumina bereaksi perlahan membentuk aluminium fosfat. Dalam bubur alkali, alumina larut sebagai aluminat. Serangan kimia pada partikel pengisi di permukaan tabung menghilangkannya, meninggalkan lubang di permukaan PTFE. Lubang-lubang tersebut memusatkan tekanan dan mempercepat erosi mekanis.
Bahkan dalam slurry yang tidak berbahaya secara kimia, paparan partikel pengisi di permukaan-yang terjadi saat matriks PTFE sedikit terkikis-menciptakan kekasaran permukaan. Permukaan yang kasar meningkatkan hambatan fluida dan mengurangi koefisien perpindahan panas eksternal. Performa perpindahan panas tabung berisi alumina-akan menurun seiring berjalannya waktu, meskipun laju erosinya rendah.
Virgin PTFE terkikis secara seragam. Permukaannya tetap halus. Koefisien perpindahan panas stabil sepanjang masa pakai tabung.
Panduan Aplikasi
Untuk layanan bubur yang agresif secara kimia-asam fosfat, air tambang yang bersifat asam, bubur kaustik-PTFE murni adalah bahan yang disukai. Serangan kimia pada pengisi alumina pada grade yang diisi meniadakan manfaat ketahanan terhadap abrasi dan dapat mempercepat degradasi.
Untuk slurry yang tidak berbahaya secara kimia dan sangat abrasif pada suhu sedang,-PTFE yang diisi alumina dapat memberikan umur pakai yang lebih baik jika pengisinya terikat dengan baik-ke matriks dan energi tumbukan partikel berada dalam kapasitas pengisi. Pengujian dalam kondisi-spesifik lokasi disarankan sebelum menentukan PTFE yang diisi untuk layanan bubur.
Ringkasan
Tabung penukar panas PTFE Virgin sering kali menyamai atau mengungguli PTFE-yang diisi alumina dalam tangki lumpur berpengaduk karena antarmuka matriks-pengisi menjadi tempat inisiasi retakan mikro-yang dipercepat akibat benturan partikel, dan karena serangan kimia pada pengisi dalam bubur asam atau basa menghilangkan partikel pengisi dan membuat permukaan menjadi kasar. Struktur homogen Virgin PTFE terkikis secara perlahan dan seragam, menjaga permukaan halus dan perpindahan panas stabil. PTFE yang diisi hanya boleh ditentukan untuk layanan bubur setelah memastikan ketahanan kimia pengisi dan adhesi pengisi ke matriks dalam kondisi proses tertentu.
Dukungan teknik untuk pemilihan material PTFE dalam aplikasi bubur abrasif tersedia berdasarkan komposisi bubur, ukuran dan kekerasan partikel, konsentrasi padatan, intensitas pengadukan, dan suhu pengoperasian.
