كيف تدعم مبادلات الفلوروبوليمر مصانع تركيز حمض الفوسفوريك؟

وبمعالجة صخر الفوسفات بحمض الكبريتيك يتم إنتاج حمض الفوسفوريك. يتم بعد ذلك تركيز الحمض الضعيف الناتج عن طريق التبخر إلى حمض تجاري أو حمض غذائي. يجب أن تكون المبادلات الحرارية المستخدمة في عملية التركيز هذه مقاومة لحمض الفوسفوريك المركز الساخن الذي يحتوي على شوائب الفلورايد والكلوريد المسببة للتآكل.

تركيز عملية حمض الفوسفوريك
يتم إنتاج حمض الفوسفوريك عادة عن طريق معالجة صخور الفوسفات بحمض الكبريتيك للحصول على محلول حمض مخفف يحتوي على حوالي 28-32% P₂O₅. ويتم بعد ذلك تركيز الحمض الضعيف عن طريق إزالة الماء، عادة تحت ضغط لتقليل درجة الغليان. يتم تركيز الحمض إلى محتوى P.sub.2 O.sub.5 المقبول للاستخدامات التجارية مثل إنتاج الأسمدة أو التطبيقات الغذائية.

المبادلات الحرارية ضرورية في عملية التركيز. يتم استخدامها للتسخين المسبق للحمض الضعيف الوارد قبل الدخول في مراحل التبخر، ولتكثيف الأبخرة المتكونة أثناء التبخر. تقوم المبادلات الحرارية باستعادة حرارة العملية، وبالتالي تعزيز كفاءة الطاقة وتقليل نفقات التشغيل.

مشكلة التآكل في تركيز حامض الفوسفوريك
إحدى المشاكل الرئيسية في تركيز حامض الفوسفوريك هي خاصية التآكل للحامض خاصة عند درجات الحرارة العالية (80-100 درجة) اللازمة لعملية التركيز. يعتبر حمض الفوسفوريك عدوانيًا بالفعل على العديد من المواد، لكن وجود شوائب مثل الفلورايد (من صخور الفوسفات) والكلوريد يجعل الحمض أكثر كاوية. تعمل هذه الشوائب على تعزيز تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ وبعض السبائك التي تحتوي على نسبة عالية من النيكل، مما يسبب فشلًا مبكرًا وصيانة متكررة واستبدال المبادلات الحرارية.

يُظهر البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) والبيرفلوروألكوكسي (PFA) مقاومة عالية جدًا لحمض الفوسفوريك وشوائبه المسببة للتآكل، وبالتالي فهي خيارات جيدة للمبادلات الحرارية في هذا التطبيق. ويعني الخمول الكيميائي أن المبادلات الحرارية لن تتحلل في وجود شوائب الفلورايد والكلوريد، ويمكن تشغيلها بشكل موثوق على المدى الطويل في ظل هذه الظروف الصعبة.

تصميم مبادل حراري فلوروبوليمر
تعد المبادلات الحرارية ذات القشرة-والأنبوبية من أكثر الأنواع استخدامًا على نطاق واسع في محطات تركيز حمض الفوسفوريك. في هذه الحالة، يتم تمرير حمض الفوسفوريك المركز من خلال أنابيب الفلوروبوليمر ويتم تشغيل البخار أو الماء الساخن على جانب القشرة لإعطاء الحرارة اللازمة للتبخر. الأنابيب مصنوعة من مادة فلورو بوليمر تقاوم حمض الفوسفوريك المسبب للتآكل وشوائب الفلورايد والكلوريد لضمان طول العمر والأداء.

يتم استخدام المبادلات الحرارية PTFE على نطاق واسع في درجات حرارة تصل إلى 110 درجة والتي تشمل درجات حرارة العمل المشتركة لعملية التركيز. لتطبيقات درجات الحرارة المرتفعة، تتوفر أيضًا مبادلات حرارية PFA. يمكن لـ PFA أن يتحمل درجات حرارة أعلى قليلاً (تصل إلى حوالي 260 درجة مئوية) ويضيف حاجز أمان صغير لتطبيقات أكثر صرامة.

لقد تم إنشاء قدرات المبادلات الحرارية الفلورية البوليمرية للتغلب على تحديات حمض الفوسفوريك الساخن والمركز، مما يوفر حل نقل حرارة موثوقًا ومقاومًا للتآكل -لمحطات تركيز حمض الفوسفوريك.

اختيار المواد للمبادلات الحرارية لتركيز حمض الفوسفوريك
يعد اختيار المادة الصحيحة للمبادلات الحرارية في مرافق تركيز حمض الفوسفوريك أمرًا في غاية الأهمية من أجل توفير عملية موثوقة وتقليل الصيانة. تتم مقارنة مدى ملاءمة العديد من المواد للاستخدام في حامض الفوسفوريك المركز الساخن مع شوائب الفلورايد والكلوريد في الجدول التالي:

مادة ماكس. درجة حرارة. مقاومة التآكل لحمض الفوسفوريك مقاومة الفلوريد مقاومة الكلوريد تركيز حمض الفوسفوريك ملاءمة PTFE 110 درجة ممتاز ممتاز ممتاز جيد لحالات درجات الحرارة المرتفعة بشكل معتدل والتي تكون حمضية مع الشوائب.
PFA ~ 260 درجة ممتاز ممتاز ممتاز الأفضل لتطبيقات درجات الحرارة العالية.
الجرافيت ~ 200 درجة جيد ضعيف ضعيف يقتصر على درجات حرارة منخفضة وأقل ملاءمة بسبب هجوم الفلورايد.
Hastelloy ~500 درجة معرض عادل معرض باهظ الثمن. مقاومة ضعيفة للفلورايد والكلوريد في حامض الفوسفوريك الساخن.
PTFE وPFA، كما يمكن رؤيته، هما المادتان المفضلتان بسبب مقاومتهما الممتازة للبيئة الحمضية وشوائب الفلورايد والكلوريد المسببة للتآكل. يعتبر الهاستيلوي والجرافيت مقاومين إلى حد ما، ولكنهما ليسا موثوقين مثل البوليمرات الفلورية في هذا التطبيق.

خاتمة
تعد المبادلات الحرارية للبوليمر الفلوري (خاصة تلك الخاصة بـ PTFE وPFA) بمثابة تقنيات تمكينية مهمة لتركيز حمض الفوسفوريك بشكل موثوق وفعال. تتميز هذه المواد بأنها مقاومة للتأثيرات المسببة للتآكل لحمض الفوسفوريك الساخن وشوائب الفلورايد والكلوريد وبالتالي تضمن أداءً طويل الأمد-في المبادلات الحرارية. تعتبر المواد الخاصة (مثل PTFE وPFA) ضرورية للأماكن شديدة التآكل (مثل مصنع تركيز حمض الفوسفوريك). هذه المواد شديدة المقاومة للهجوم الكيميائي، وتستخدم لتقليل التآكل، وزيادة عمر المعدات، وتقليل تكاليف الصيانة. يعد اختيار المادة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لاستدامة وكفاءة هذه العمليات المرغوبة للغاية.