El desafío del desgaste abrasivo en el precalentamiento de biogás
El efluente del digestor anaeróbico contiene partículas de sílice suspendidas de arena, suelo y residuos minerales transportados al digestor con las materias primas. Estas partículas, típicamente de 20 a 150 micrones de diámetro en concentraciones de 500 a 3000 mg/L, crean un ambiente erosivo para los calentadores de inmersión. La dureza de encapsulación de PFA, medida en la escala Shore D, determina directamente qué tan profundamente las partículas abrasivas dañan la superficie del polímero durante un servicio prolongado. Los datos de campo de 36 digestores agrícolas y municipales muestran que aumentar la dureza del PFA de Shore D 65 a 72 reduce la profundidad del desgaste erosivo entre un 55% y un 65% después de 8760 horas de operación continua.
Efecto de la dureza sobre la erosión por impacto de partículas
La tasa de erosión de los polímeros por partículas abrasivas suspendidas sigue una relación de ley de potencia-con la dureza del material. Para PFA en el rango Shore D de 60 a 75, cada aumento de un-punto en la dureza reduce la tasa de erosión volumétrica en aproximadamente un 8 % con carga de partículas y velocidad de flujo idénticas. Los grados estándar de PFA sin relleno suelen medir Shore D 65 a 67 después del moldeo. Los grados de PFA endurecido que alcanzan Shore D 71 a 73 incorporan entre un 10% y un 15% en peso de refuerzo de fibra de vidrio o fibra de carbono que aumenta la resistencia de la superficie a la penetración de partículas. La microscopía transversal-de muestras de calentadores de digestores que funcionan a una velocidad de flujo de 1,2 m/s con una carga de sílice de 1500 mg/L muestra que Shore D 65 PFA desarrolla una profundidad de erosión promedio de 0,28 mm después de un año. Shore D 72 PFA en condiciones idénticas muestra una profundidad promedio de 0,11 mm, una reducción del 61 %.
Dependencia del patrón de desgaste del ángulo de impacto del flujo
El ángulo en el que las partículas abrasivas golpean la superficie del calentador modifica el beneficio de dureza. El impacto perpendicular (ángulo de 90-grados) causa la máxima erosión porque la energía cinética de las partículas se transfiere completamente a la superficie del polímero. En impacto perpendicular, Shore D 72 PFA muestra un 52% menos de erosión que el grado Shore D 65. El impacto en ángulo-poco profundo (de 15 a 30 grados) produce principalmente abrasión por deslizamiento en lugar de cráteres por impacto. En condiciones de ángulo poco profundo, la ventaja de la dureza se reduce del 30% al 35% porque el mecanismo de desgaste dominante se desplaza hacia el corte y el arado, donde la dureza proporciona menos protección que la tenacidad a la fractura. En configuraciones de digestores anaeróbicos donde los calentadores se colocan verticalmente paralelos al flujo, los ángulos de impacto generalmente varían de 30 a 60 grados, lo que brinda un beneficio de dureza efectivo del 45 % al 50 % para el grado más duro.
Interacciones entre temperatura y tamaño de partícula
La temperatura de funcionamiento del digestor modifica la resistencia efectiva a la erosión de ambos grados de dureza. A una temperatura de 35 a 40 grados (digestión mesófila), Shore D 65 PFA mantiene la mayor parte de su dureza ambiental y resistencia a la erosión. Entre 55 y 60 grados (digestión termófila), el mismo polímero se ablanda y el Shore D disminuye de 3 a 4 puntos. El grado duro Shore D 72 a 55 grados mide aproximadamente Shore D 68, aún más duro que el grado estándar a temperatura ambiente. El tamaño de las partículas también afecta el beneficio de la dureza. Para partículas de menos de 50 micrones, la diferencia de dureza entre grados produce sólo una reducción de la erosión del 25% porque las partículas pequeñas se desgastan al pulir en lugar de formar cráteres. Para partículas superiores a 100 micrones, el beneficio de dureza supera el 70% porque las partículas más grandes crean cráteres de impacto más profundos donde la dureza resiste directamente la penetración.
Proyecciones de desgaste-a largo plazo por grado de dureza
| Tipo de digestor y carga de partículas | Dureza PFA (Shore D) | Profundidad de erosión prevista después de 1 año | Tiempo proyectado para un desgaste de 0,5 mm (umbral de falla) |
|---|---|---|---|
| Termófilo (55 grados), alto contenido de arena (2500 mg/L), partículas grandes | 71 a 73 (grado difícil) | 0,20 a 0,25 mm | 2,0 a 2,5 años |
| Termófilo (55 grados), alto contenido de arena (2500 mg/L), partículas grandes | 65 a 67 (estándar) | 0,45 a 0,55 mm | 0,9 a 1,1 años |
| Mesófilo (38 grados), arena moderada (1000 mg/L), tamaños mixtos | 71 a 73 (grado difícil) | 0,08 a 0,12 mm | 4,0 a 6,0 años |
| Mesófilo (38 grados), arena moderada (1000 mg/L), tamaños mixtos | 65 a 67 (estándar) | 0,18 a 0,24 mm | 2,0 a 2,8 años |
| Digestor bajo en sólidos (< 300 mg/L silica), any temperature | 65 a 67 (estándar) | 0,05 a 0,08 mm | 6,0 a 10,0 años |
Interacción del acabado superficial con la tasa de erosión
La suavidad inicial de la superficie de los calentadores de PFA interactúa con la dureza para determinar la progresión de la erosión. Las superficies lisas (Ra < 0,8 µm) sobre PFA de grado - duro mantienen bajas tasas de erosión durante períodos más prolongados porque la ausencia de sitios de concentración de tensiones iniciales evita la aceleración del desgaste localizado. Las superficies rugosas (Ra > 1,5 µm) en el mismo grado duro desarrollan tasas de desgaste después de 2000 horas que se aproximan a las de las superficies lisas de grado estándar-, ya que las asperezas iniciales crean sitios de erosión preferidos. Los ingenieros que especifican PFA de grado duro-para servicio abrasivo también deben exigir un acabado liso moldeado con Ra por debajo de 0,8 µm para lograr una reducción total de la erosión del 60 %. La combinación de dureza Shore D 72 y acabado Ra 0,6 µm ofrece una profundidad de erosión un 70 % menor que Shore D 65 con Ra 1,8 µm después de un año en digestores con alto contenido de arena.
Guía de especificaciones para la selección del precalentador del digestor
Para los digestores anaeróbicos que procesan materias primas con concentraciones de partículas de sílice superiores a 500 mg/L, especificar la encapsulación de PFA con una dureza Shore D mínima de 71 ofrece una extensión mensurable de la vida útil del calentador. El espesor de la pared debe aumentarse a 2,5 mm cuando se utiliza PFA de grado duro-para adaptarse a la erosión reducida pero aún presente sin exponer el núcleo calefactor. El PFA de grado-estándar es aceptable para digestores con sistemas efectivos de eliminación de arena o aquellos que operan por debajo de 500 mg/L de sílice suspendida. Cuando solicite cotizaciones, solicite al proveedor mediciones de dureza Shore D certificadas junto con la documentación del tipo de refuerzo y el porcentaje de carga, ya que el refuerzo de fibra de carbono logra dureza a través de un mecanismo diferente al de la fibra de vidrio y puede afectar la conductividad térmica de manera diferente.
