Le problème de l’usure du lisier
Les réservoirs à lisier agités utilisés dans le traitement des minéraux, la production d'acide phosphorique et le traitement des eaux usées suspendent les particules solides abrasives dans des liquides corrosifs. Les tubes de l'échangeur de chaleur immergés dans cet environnement subissent un impact continu de particules. Chaque collision de particules élimine une quantité microscopique de matière de la surface du tube. Au fil des mois et des années, l’érosion cumulative amincit la paroi du tube.
Le -PTFE chargé d'alumine-PTFE composé de 10-20 % de poudre d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃)-est commercialisé comme une alternative résistante à l'abrasion au PTFE vierge. Les particules de charge céramique, étant plus dures que la matrice PTFE, sont destinées à intercepter les particules de boue impactantes et à protéger le polymère de l'usure.
Le concept est valable en usure par glissement à sec. Dans l'érosion par boues humides, l'environnement chimique et l'interface de la matrice de remplissage - introduisent des complications qui peuvent inverser l'avantage de performance attendu. Comprendre ces complications est essentiel pour la sélection correcte des matériaux dans le service de produits chimiques abrasifs.
Le mécanisme d’érosion des boues
L'érosion des boues dans une cuve agitée implique des particules en suspension dans un liquide impactant la surface du tube de l'échangeur de chaleur à des vitesses modérées -généralement de 1 à 5 m/s. L'impact des particules crée une déformation plastique localisée dans la surface du PTFE. Les impacts répétés accumulent des tensions, détachant finalement de petits fragments de polymère.
En PTFE vierge, la surface répond à l'impact des particules par une déformation viscoélastique. Les chaînes polymères absorbent l'énergie d'impact et reculent élastiquement si la déformation est inférieure au seuil d'élasticité. L'érosion se produit par un processus de type fatigue-après de nombreux impacts. Le taux est faible et uniforme.
Dans le PTFE chargé d'alumine-, les particules de charge sont rigides. Ils ne se déforment pas sous l'impact. L'énergie d'impact se concentre à l'interface entre la particule d'alumine dure et la matrice PTFE plus molle. La concentration de contraintes initie des micro-fissures à la limite de la matrice de remplissage-. Ces fissures se développent sous l'effet d'impacts répétés. Finalement, le PTFE environnant se détache, emportant avec lui les particules de charge. Le taux d'érosion n'est pas déterminé par la dureté de la charge mais par l'adhésion de la charge à la matrice et la résistance à la fatigue de cette interface.
| Paramètre d'érosion | PTFE vierge | Alumine-Rempli de PTFE |
|---|---|---|
| Mécanisme de protection contre l'érosion | Absorption d'énergie viscoélastique | Les particules de remplissage interceptent les impacts |
| Interface matricielle de remplissage- | N/A (homogène) | Site de concentration de stress |
| Initiation de micro-cracks | Lent (matériau uniforme) | Accéléré aux limites de remplissage |
| Taux d'érosion dans une suspension de silice agitée (relatif) | 1,0 (référence) | 1.2-1.8× |
| État de surface après 1 000 heures | Tenue douce et uniforme | Particules de charge rugueuses exposées |
| Stabilité du coefficient de transfert de chaleur | Stable (surface lisse) | Se dégrade (surface rugueuse) |
| Résistance chimique | Excellent | Compromis si l'acide attaque le mastic |
L'interaction chimique-avec les charges
L'alumine est chimiquement résistante à de nombreux acides mais est attaquée par certaines solutions de procédés courants. Dans les boues d'acide phosphorique, l'alumine réagit lentement pour former du phosphate d'aluminium. Dans les boues alcalines, l'alumine se dissout sous forme d'aluminate. L'attaque chimique des particules de charge à la surface du tube les élimine, laissant des piqûres dans la surface du PTFE. Les fosses concentrent les contraintes et accélèrent l'érosion mécanique.
Même dans les boues chimiquement inoffensives, l'exposition des particules de charge à la surface-qui se produit lorsque la matrice PTFE s'érode légèrement-crée une rugosité de surface. La surface rugueuse augmente la traînée du fluide et réduit le coefficient de transfert de chaleur externe. Les performances de transfert de chaleur du tube rempli d'alumine- se dégradent avec le temps, même si le taux d'érosion est faible.
Le PTFE vierge s'érode uniformément. La surface reste lisse. Le coefficient de transfert thermique est stable pendant toute la durée de vie du tube.
Le guide de candidature
Pour le service de boues chimiquement agressives -l'acide phosphorique, l'eau de mine acide, les boues caustiques-le PTFE vierge est le matériau préféré. L'attaque chimique de la charge d'alumine dans les qualités chargées annule tout avantage en matière de résistance à l'abrasion et peut accélérer la dégradation.
Pour les boues chimiquement inoffensives et très abrasives à température modérée, le PTFE chargé d'alumine-peut offrir une meilleure durée de vie si la charge est bien-liée à la matrice et que l'énergie d'impact des particules est dans les limites de la capacité de la charge. Des tests dans des conditions spécifiques au site- sont recommandés avant de spécifier du PTFE chargé pour le service avec du lisier.
Résumé
Les tubes d'échangeur de chaleur en PTFE vierge correspondent souvent ou surpassent le PTFE chargé d'alumine-dans les réservoirs à lisier agité, car l'interface de la matrice de remplissage- devient un site d'initiation accélérée de micro-fissure sous l'impact des particules, et parce que l'attaque chimique sur la charge dans les boues acides ou alcalines élimine les particules de charge et rend la surface rugueuse. La structure homogène du Virgin PTFE s'érode lentement et uniformément, maintenant une surface lisse et un transfert de chaleur stable. Le PTFE chargé ne doit être spécifié pour le service en suspension qu'après avoir confirmé à la fois la résistance chimique de la charge et l'adhérence de la charge à la matrice dans les conditions spécifiques du processus.
Une assistance technique pour la sélection des matériaux PTFE dans les applications de boues abrasives est disponible sur soumission de la composition de la boue, de la taille et de la dureté des particules, de la concentration en solides, de l'intensité de l'agitation et de la température de fonctionnement.
