O desafio do desgaste abrasivo no transporte de lama PTA
As linhas de transferência de pasta de ácido tereftálico purificado (PTA) operam a 120 graus com carga de 40% de sólidos contendo partículas de 50-200 µm de diâmetro. Os revestimentos de PFA em linhas de transferência aquecidas sofrem desgaste abrasivo devido ao impacto de partículas e deslizamento sob condições de fluxo anular. Testes quantitativos de desgaste de 11 instalações de produção de PTA mostram que o aumento do diâmetro médio das partículas de 50 µm para 150 µm aumenta a taxa de desgaste volumétrico por um fator de 6-8 para Shore D 70 PFA. A profundidade de desgaste após 8.000 horas de operação varia de 0,15 mm para partículas de 50 µm a 0,35 mm para partículas de 150 µm com espessura de parede inicial de 2,0 mm.
Efeito do tamanho das partículas no mecanismo de desgaste
O desgaste abrasivo na pasta de PTA segue mecanismos de dois-corpos (partículas deslizando ao longo da parede) e três-corpos (partículas rolando entre a parede e outras partículas). A transição entre mecanismos depende do tamanho da partícula em relação à espessura da camada limite próxima à-parede. Para partículas de 50 µm em fluxo anular a 2 m/s, a espessura da camada limite é de aproximadamente 80 µm, o que significa que as partículas ficam totalmente suspensas e causam principalmente desgaste por impacto de baixo ângulo. Para partículas de 150 µm, a espessura da camada limite é semelhante (75-85 µm), então partículas maiores se projetam através da subcamada viscosa e experimentam forças de arrasto maiores, resultando em desgaste por deslizamento e rolamento com energia 5-10x maior por partícula. O vídeo de alta velocidade das interações entre partículas e paredes mostra partículas de 150 µm em contato com a superfície do PFA por 3 a 5 milissegundos por interação, versus 1 a 2 milissegundos para partículas de 50 µm, com remoção de material correspondentemente maior.
Correlação da taxa de desgaste com o diâmetro da partícula
O teste de desgaste acelerado de acordo com ASTM G75 (teste de Miller) usando partículas de PTA em água a 120 graus com velocidade de fluxo anular de 2 m/s mostra que a taxa de desgaste volumétrico aumenta com o diâmetro da partícula aumentado para a potência de 2,3, o que significa que o aumento de 3x no diâmetro (50 a 150 µm) produz aproximadamente 3^2.3=13x de aumento na taxa de desgaste em condições de deslizamento puro. No entanto, em linhas reais de transferência de lama com fluxo turbulento, o expoente é menor (1,8-2,0) porque partículas maiores também têm menor densidade numérica com carga de massa constante, reduzindo os impactos totais. Para sólidos constantes de 40% em peso, a concentração numérica de partículas de 150 µm é 27x menor que as partículas de 50 µm, compensando parcialmente o maior desgaste por partícula. Efeito líquido: partículas de 150 µm causam desgaste 6-8x maior do que partículas de 50 µm com carga de massa igual.
Dureza PFA e resistência ao desgaste por tamanho de partícula
| Diâmetro Mediano da Partícula | Dureza PFA Shore D | Taxa de desgaste volumétrico (mm³/h por m²) | Profundidade de desgaste anual (8.000 horas, mm) | Tempo para 80% de penetração na parede (parede de 2,0 mm, horas) |
|---|---|---|---|---|
| 50 µm | 65 | 0.012 | 0.10 | 13,000 |
| 50 µm | 70 | 0.008 | 0.07 | 20,000 |
| 50 µm | 75 (preenchido) | 0.005 | 0.04 | 40,000 |
| 100 µm | 65 | 0.045 | 0.36 | 4,400 |
| 100 µm | 70 | 0.030 | 0.24 | 6,700 |
| 100 µm | 75 (preenchido) | 0.018 | 0.14 | 11,000 |
| 150 µm | 65 | 0.090 | 0.72 | 2,200 |
| 150 µm | 70 | 0.050 | 0.40 | 4,000 |
| 150 µm | 75 (preenchido) | 0.032 | 0.26 | 6,300 |
Efeitos da velocidade do fluxo e da concentração de sólidos
A velocidade do fluxo anular nas linhas de transferência PTA normalmente varia de 1,5 a 3,0 m/s. A taxa de desgaste segue a velocidade elevada à 3ª potência para partículas de 150 µm (desgaste por deslizamento dominante), mas a velocidade elevada à 2ª potência para partículas de 50 µm (desgaste por impacto). Reduzir a velocidade de 2,5 m/s para 1,8 m/s diminui o desgaste de partículas de 150 µm em 65%, mas reduz apenas o desgaste de partículas de 50 µm em 30%. Para linhas que processam tamanhos de partículas mistas com uma fração significativa > 100 µm, operar na velocidade mais baixa possível (acima da velocidade de sedimentação, normalmente 1,8-2,0 m/s) aumenta drasticamente a vida útil do revestimento de PFA. A concentração de sólidos também é importante; reduzir de 40% para 30% diminui o desgaste em 40% para partículas de 150 µm, mas apenas 15% para partículas de 50 µm.
Seleção de grau de PFA por distribuição de tamanho de partícula
Para linhas de transferência de PTA com diâmetro médio de partícula abaixo de 75 µm, o PFA padrão com Shore D 65-67 oferece vida útil de 3-5 anos com paredes de 2,5 mm. Para diâmetro médio de 75-125 µm, especifique PFA preenchido com fibra de vidro atingindo Shore D 70-72 com paredes de 2,5 mm para vida útil de 3 anos. Para diâmetro médio acima de 125 µm, a única solução confiável são classes com enchimento Shore D 75+ com paredes de 3,0 mm, além da consideração de revestimento cerâmico ou seções de tubo de aço carbono revestidas em locais de maior desgaste (cotovelos, tês e logo a jusante das bombas). Para instalações que processam distribuições de tamanho de partícula variável (por exemplo, de diferentes condições do cristalizador PTA), instale o monitoramento on-line do tamanho de partícula e ajuste o cronograma de substituição do aquecedor com base na exposição integrada.
Espessura da parede e tolerância ao desgaste
Os revestimentos PFA em serviço PTA aquecido devem manter uma espessura mínima de parede de 1,2-1,5 mm para integridade dielétrica. Para uma parede nominal de 2,5 mm, o desgaste máximo permitido é de 1,0 mm. Usando as taxas de desgaste acima, uma linha com partículas de 100 µm e Shore D 70 PFA (desgaste anual de 0,24 mm/ano) atinge desgaste de 1,0 mm em 4,2 anos. Para partículas de 150 µm com a mesma dureza, o desgaste de 1,0 mm ocorre em 2,5 anos. A especificação de parede inicial de 3,0 mm estende o desgaste permitido para 1,5 mm, proporcionando 6,3 anos para partículas de 100 µm e 3,8 anos para partículas de 150 µm. Contudo, paredes mais espessas aumentam a resistência térmica; para aquecimento de pasta PTA que requer 120 graus, paredes de 3,0 mm precisam de temperatura do fio 8-10 graus mais alta do que paredes de 2,5 mm, acelerando a degradação térmica do polímero.
Orientação de Especificação para Aquecedores de Polpa PTA
Para linhas de transferência de polpa de PTA aquecidas, especifique a dureza do revestimento de PFA e a espessura inicial da parede com base no tamanho de partícula do percentil 95, não na mediana. Calcule o limite de desgaste anual necessário como (mínimo de parede inicial - 1.5mm)/anos de serviço desejados. Selecione a classe PFA para atingir a profundidade de desgaste prevista abaixo desta tolerância. Para a maioria das linhas de produção de PTA com tamanho médio de 80{7}}100 µm e partículas ocasionais de 150 µm, especifique PFA preenchido com fibra de vidro-(Shore D 70-72) com espessura de parede inicial de 2,8 mm, proporcionando vida útil de 3-4 anos. Exigir certificação de dureza do fornecedor (Shore D) e dados de teste de desgaste usando partículas reais de PTA da instalação. Ao solicitar orçamentos, forneça distribuição de tamanho de partículas (d10, d50, d90), concentração de sólidos, velocidade de fluxo e intervalo de serviço desejado. Fornecedores com experiência no manuseio de lamas podem realizar testes de Miller com amostras de PTA{33}}fornecidas pelo cliente para gerar taxas de desgaste específicas para a distribuição exata do tamanho das partículas. Para linhas com condições altamente abrasivas (d90 > 200 µm), considere PFA de camada dupla com camada externa mais dura (Shore D 75) e camada interna mais macia para resistência a trincas, fabricada por coextrusão. O prêmio para os tipos de PFA preenchidos (25-35% acima do padrão) é justificado pela vida útil 2-3x mais longa no serviço de pasta grossa de PTA, onde a substituição não planejada do revestimento exige o desligamento, drenagem e limpeza da linha, custando de 50.000 a 50.000 a 100.000 por incidente na produção de PTA em larga escala.
