Kako fluoropolimerni izmjenjivači podržavaju postrojenja za koncentraciju fosforne kiseline?

Obradom fosfatne stijene sumpornom kiselinom nastaje fosforna kiselina. Proizvedena slaba kiselina zatim se koncentrira isparavanjem u kiselinu trgovačke ili prehrambene kvalitete. Izmjenjivači topline koji se koriste u ovom procesu koncentracije moraju biti otporni na vruću, koncentriranu fosfornu kiselinu koja sadrži korozivne nečistoće fluorida i klorida.

Proces koncentracije fosforne kiseline
Fosforna kiselina se obično proizvodi obradom fosfatne stijene sumpornom kiselinom da se dobije razrijeđena kisela otopina koja sadrži oko 28-32% P₂O5. Slaba kiselina se potom koncentrira uklanjanjem vode, obično pod vakuumom kako bi se smanjila točka vrenja. Kiselina se koncentrira na sadržaj P2O5 prihvatljiv za komercijalnu upotrebu kao što je proizvodnja gnojiva ili za primjenu u hrani.

Izmjenjivači topline bitni su u procesu koncentracije. Koriste se za pred-zagrijavanje ulazne slabe kiseline prije ulaska u stupnjeve isparavanja i za kondenzaciju para koje nastaju tijekom isparavanja. Izmjenjivači topline vraćaju procesnu toplinu, čime se povećava energetska učinkovitost i smanjuju operativni troškovi.

Problem korozije u koncentraciji fosforne kiseline
Jedan od ključnih problema u koncentraciji fosforne kiseline je korozivni karakter kiseline, posebno na visokim temperaturama (80-100 stupnjeva) potrebnim za proces koncentracije. Fosforna kiselina već je agresivna za mnoge materijale, ali prisutnost nečistoća poput fluorida (iz fosfatne stijene) i klorida čini kiselinu mnogo jetkijom. Takve nečistoće potiču koroziju nehrđajućeg čelika i nekih legura s visokim udjelom nikla, što uzrokuje preuranjeni kvar i često održavanje i zamjenu izmjenjivača topline.

Politetrafluoretilen (PTFE) i perfluoroalkoksi (PFA) pokazuju vrlo visoku otpornost na fosfornu kiselinu i njene korozivne nečistoće i stoga su dobre opcije za izmjenjivače topline u ovoj primjeni. Kemijska inertnost podrazumijeva da se izmjenjivači topline neće raspadati u prisutnosti nečistoća fluorida i klorida i da mogu pouzdano raditi dugoročno pod ovim teškim uvjetima.

Dizajn fluoropolimernog izmjenjivača topline
Oklopni-i-cijevni izmjenjivači topline najčešće su korištena vrsta u postrojenjima za koncentraciju fosforne kiseline. U ovom slučaju, koncentrirana fosforna kiselina prolazi kroz fluoropolimerne cijevi i para ili vruća voda teče na stranu školjke kako bi se dobila potrebna toplina za isparavanje. Cijevi su izrađene od fluoropolimerne tvari koja je otporna na korozivnu fosfornu kiselinu i nečistoće fluorida i klorida kako bi se osigurala dugotrajnost i učinkovitost.

PTFE izmjenjivači topline naširoko se koriste na temperaturama do 110 stupnjeva, što uključuje uobičajene radne temperature procesa koncentracije. Za primjene na višim temperaturama također su dostupni PFA izmjenjivači topline. PFA može tolerirati malo više temperature (do oko 260 C) i dodaje malo sigurnosnog pufera za strože primjene.

Utvrđene su sposobnosti fluoropolimernih izmjenjivača topline da prevladaju izazove vruće, koncentrirane fosforne kiseline, pružajući pouzdano rješenje za prijenos topline -otporno na koroziju za postrojenja za koncentraciju fosforne kiseline.

Izbor materijala za izmjenjivače topline koncentracije fosforne kiseline
Odabir odgovarajućeg materijala za izmjenjivače topline u postrojenjima za koncentraciju fosforne kiseline iznimno je važan kako bi se osigurao pouzdan rad i minimiziralo održavanje. Prikladnost brojnih materijala za upotrebu u vrućoj koncentriranoj fosfornoj kiselini s nečistoćama fluorida i klorida uspoređena je u sljedećoj tablici:

Materijal Max. Temp. Otpornost na koroziju prema fosfornoj kiselini Otpornost na fluorid Otpornost na klorid Koncentracija fosforne kiseline Prikladnost PTFE 110 stupnjeva Izvrsno Izvrsno Izvrsno Dobro za situacije s umjereno visokim temperaturama koje su kisele s nečistoćama.
PFA ~260 stupnjeva Izvrsno Izvrsno Izvrsno Najbolje za primjene na visokim temperaturama.
Grafit ~200 stupnjeva Dobro Loše Loše Ograničeno na niske temperature i manje prikladno zbog napada fluorida.
Hastelloy ~500 stupnjeva Prilično Prilično Prilično Skupo. Slaba otpornost na fluorid i klorid u vrućoj fosfornoj kiselini.
PTFE i PFA su, kao što se može vidjeti, materijali izbora zbog njihove izvrsne otpornosti na kiselu okolinu i na korozivne nečistoće fluorida i klorida. Hastelloy i grafit su donekle otporni, ali nisu tako pouzdani kao fluoropolimeri u ovoj primjeni.

Zaključak
Fluoropolimerni izmjenjivači topline (osobito oni od PTFE i PFA) važne su tehnologije koje omogućuju pouzdanu i učinkovitu koncentraciju fosforne kiseline. Materijali su otporni na korozivne učinke vruće fosforne kiseline i njezinih nečistoća fluorida i klorida i stoga jamče dugotrajnu-izvedbu u izmjenjivačima topline. Posebni materijali (kao što su PTFE i PFA) potrebni su za visoko korozivna okruženja (kao što je tvornica za koncentraciju fosforne kiseline). Ovi materijali su vrlo otporni na kemijske napade i koriste se za smanjenje korozije, maksimiziranje vijeka trajanja opreme i smanjenje troškova održavanja. Odabir odgovarajućeg materijala ključan je za održivost i učinkovitost ovih vrlo željenih operacija.