O desafio do desgaste abrasivo no pré-aquecimento de biogás
O efluente do digestor anaeróbico contém partículas de sílica suspensas de areia, solo e resíduos minerais transportados para o digestor com as matérias-primas. Essas partículas, normalmente de 20 a 150 mícrons de diâmetro em concentrações de 500 a 3.000 mg/L, criam um ambiente erosivo para aquecedores de imersão. A dureza do encapsulamento do PFA, medida na escala Shore D, determina diretamente a profundidade com que as partículas abrasivas penetram na superfície do polímero durante um serviço prolongado. Dados de campo de 36 digestores agrícolas e municipais mostram que o aumento da dureza do PFA de Shore D 65 para 72 reduz a profundidade do desgaste erosivo em 55% a 65% após 8.760 horas de operação contínua.
Efeito da dureza na erosão por impacto de partículas
A taxa de erosão de polímeros por partículas abrasivas suspensas segue uma relação de {{0}lei de potência com a dureza do material. Para PFA na faixa Shore D de 60 a 75, cada aumento de um{4}}ponto na dureza reduz a taxa de erosão volumétrica em aproximadamente 8% sob carga de partículas e velocidade de fluxo idênticas. Os graus padrão de PFA não preenchido normalmente medem Shore D 65 a 67 após a moldagem. Os graus de PFA endurecido que atingem Shore D 71 a 73 incorporam 10% a 15% em peso de fibra de vidro ou reforço de fibra de carbono que aumenta a resistência da superfície à penetração de partículas. A microscopia{15}}de seção transversal de amostras de aquecedores de digestores operando a uma velocidade de fluxo de 1,2 m/s com carga de sílica de 1.500 mg/L mostra que o Shore D 65 PFA desenvolve uma profundidade média de erosão de 0,28 mm após um ano. Shore D 72 PFA em condições idênticas apresenta profundidade média de 0,11mm, uma redução de 61%.
Dependência do Padrão de Desgaste do Ângulo de Impacto do Fluxo
O ângulo em que as partículas abrasivas atingem a superfície do aquecedor modifica o benefício da dureza. O impacto perpendicular (ângulo de 90-graus) causa erosão máxima porque a energia cinética das partículas é totalmente transferida para a superfície do polímero. No impacto perpendicular, o Shore D 72 PFA apresenta 52% menos erosão do que o grau Shore D 65. O impacto em ângulo-raso (15 a 30 graus) produz principalmente abrasão por deslizamento em vez de crateras de impacto. Sob condições de ângulo raso, a vantagem da dureza reduz para 30% a 35% porque o mecanismo de desgaste dominante muda para corte e aração, onde a dureza fornece menos proteção do que a tenacidade à fratura. Em configurações de digestores anaeróbicos onde os aquecedores são posicionados verticalmente paralelos ao fluxo, os ângulos de impacto normalmente variam de 30 a 60 graus, proporcionando um benefício efetivo de dureza de 45% a 50% para o grau mais duro.
Interações de temperatura e tamanho de partícula
A temperatura operacional do digestor modifica a resistência efetiva à erosão de ambos os graus de dureza. De 35 a 40 graus (digestão mesofílica), Shore D 65 PFA mantém a maior parte de sua dureza ambiente e resistência à erosão. De 55 a 60 graus (digestão termofílica), o mesmo polímero amolece, com Shore D diminuindo de 3 a 4 pontos. A classe dura Shore D 72 a 55 graus mede aproximadamente Shore D 68, ainda mais dura do que a classe padrão à temperatura ambiente. O tamanho das partículas também afeta o benefício da dureza. Para partículas abaixo de 50 mícrons, a diferença de dureza entre os graus produz apenas 25% de redução de erosão porque as partículas pequenas sofrem abrasão por polimento em vez de craterização. Para partículas acima de 100 mícrons, o benefício de dureza excede 70% porque partículas maiores criam crateras de impacto mais profundas onde a dureza resiste diretamente à penetração.
Projeções de desgaste-de longo prazo por grau de dureza
| Tipo de digestor e carregamento de partículas | Dureza PFA (Costa D) | Profundidade de erosão prevista após 1 ano | Tempo projetado para desgaste de 0,5 mm (limiar de falha) |
|---|---|---|---|
| Termofílico (55 graus), areia alta (2500 mg/L), partículas grandes | 71 a 73 (nota difícil) | 0,20 a 0,25 mm | 2,0 a 2,5 anos |
| Termofílico (55 graus), areia alta (2500 mg/L), partículas grandes | 65 a 67 (padrão) | 0,45 a 0,55 mm | 0,9 a 1,1 anos |
| Mesófilo (38 graus), areia moderada (1000 mg/L), tamanhos mistos | 71 a 73 (nota difícil) | 0,08 a 0,12 mm | 4,0 a 6,0 anos |
| Mesófilo (38 graus), areia moderada (1000 mg/L), tamanhos mistos | 65 a 67 (padrão) | 0,18 a 0,24 mm | 2,0 a 2,8 anos |
| Digestor com baixo teor de sólidos (< 300 mg/L silica), any temperature | 65 a 67 (padrão) | 0,05 a 0,08 mm | 6,0 a 10,0 anos |
Interação do Acabamento Superficial com Taxa de Erosão
A suavidade superficial inicial dos aquecedores PFA interage com a dureza para determinar a progressão da erosão. Superfícies lisas (Ra < 0,8 µm) em PFA de grau duro mantêm baixas taxas de erosão por períodos mais longos porque a ausência de locais de concentração de tensão inicial impede a aceleração do desgaste localizado. Superfícies ásperas (Ra > 1,5 µm) no mesmo grau duro desenvolvem taxas de desgaste após 2.000 horas que se aproximam daquelas de superfícies lisas de grau padrão, já que as asperezas iniciais criam locais de erosão preferenciais. Os engenheiros que especificam PFA de grau duro para serviços abrasivos também devem exigir acabamento liso moldado com Ra abaixo de 0,8 µm para atingir a redução total de erosão de 60%. A combinação de dureza Shore D 72 e acabamento Ra 0,6 µm proporciona profundidade de erosão 70% menor do que Shore D 65 com Ra 1,8 µm após um ano em digestores de areia com alto teor de areia.
Orientação de especificação para seleção de pré-aquecedor digestor
Para digestores anaeróbicos que processam matérias-primas com concentrações de partículas de sílica superiores a 500 mg/L, especificar o encapsulamento de PFA com dureza Shore D de no mínimo 71 proporciona uma extensão mensurável da vida útil do aquecedor. A espessura da parede deve ser aumentada para 2,5 mm ao usar PFA de grau-duro para acomodar a erosão reduzida, mas ainda presente, sem expor o núcleo de aquecimento. O PFA-de grau padrão é aceitável para digestores com sistemas eficazes de remoção de grãos ou aqueles que operam abaixo de 500 mg/L de sílica suspensa. Ao solicitar orçamentos, exija do fornecedor medições de dureza Shore D certificadas, juntamente com a documentação do tipo de reforço e porcentagem de carga, pois o reforço de fibra de carbono atinge a dureza por meio de um mecanismo diferente do da fibra de vidro e pode afetar a condutividade térmica de maneira diferente.
