Il problema dei costi di pompaggio nei circuiti di lisciviazione
I circuiti di lisciviazione idrometallurgica muovono soluzioni acide aggressive attraverso chilometri di tubazioni, reattori e scambiatori di calore. I costi di pompaggio rappresentano una spesa operativa importante. Ogni caduta di pressione attraverso uno scambiatore di calore aumenta la bolletta energetica.
Gli scambiatori di calore metallici sviluppano rugosità superficiale interna man mano che la corrosione progredisce. Ciò che inizia come un tubo interno liscio degrada in una superficie bucherellata e squamata con fattori di attrito multipli superiori ai valori di progettazione. La pressione di scarico della pompa aumenta per mantenere il flusso. Il consumo di energia aumenta. Alla fine il circuito non potrà raggiungere le portate previste senza aggiornamenti della pompa.
Il problema si aggrava nel tempo. La corrosione irruvidisce le superfici. Le superfici ruvide aumentano l'attrito. Un attrito maggiore richiede più energia di pompaggio. Il circuito di retroazione accelera finché l'intervento di manutenzione non sostituisce lo scambiatore.
Rugosità superficiale e fattore di attrito
La caduta di pressione nei tubi dello scambiatore di calore segue la relazione Darcy-Weisbach. Per il flusso turbolento, il fattore di attrito dipende dalla rugosità superficiale rispetto al diametro del tubo. Un nuovo tubo in acciaio inossidabile con rugosità di 0,0015 mm ha un fattore di attrito Darcy di circa 0,019. Dopo due anni di servizio di lisciviazione acida, la vaiolatura superficiale aumenta la ruvidità fino a 0,05 mm, quasi raddoppiando il fattore di attrito.
La conseguenza a valle è un aumento dei requisiti di prevalenza della pompa. Un circuito progettato per una caduta di pressione di 3 bar attraverso lo scambiatore di calore al momento dell'installazione può richiedere 5 bar dopo che la corrosione ha reso ruvida la superficie. La pompa deve lavorare di più, consumando il 60-70% di energia in più a parità di portata.
Tabella 1: Confronto tra rugosità superficiale e caduta di pressione negli scambiatori di calore del circuito di lisciviazione
| Materiale del tubo | Rugosità iniziale (mm) | Rugosità dopo 2 anni (mm) | Aumento della caduta di pressione relativa |
|---|---|---|---|
| SS 316L in lisciviazione HCl | 0.0015 | 0.05 - 0.10 | 60 - 90% |
| Titanio nella lisciviazione H₂SO₄ | 0.0015 | 0.02 - 0.04 | 30 - 50% |
| PTFE (vergine) | 0.0013 | 0.0013 | 0% |
Dati provenienti da tabelle di attrito dei tubi pubblicate e misurazioni sul campo nelle operazioni di lisciviazione di rame e nichel.
Il vantaggio del foro liscio-del PTFE
I tubi in PTFE hanno una ruvidità superficiale iniziale di circa 0,0013 mm, paragonabile ai tubi metallici trafilati. La differenza fondamentale è che questa rugosità non aumenta mai. Il PTFE non si corrode, non si fora né si incrosta. La superficie interna dopo cinque anni di servizio acido è identica alla superficie del primo giorno.
La bassa energia superficiale del PTFE fornisce un ulteriore vantaggio operativo. I composti che formano incrostazioni-che aderiscono alle superfici metalliche tendono a staccarsi dal PTFE. Il solfato di calcio, gli idrossidi metallici e altri precipitati trovano meno siti di nucleazione sulla superficie del fluoropolimero.
La caduta di pressione attraverso uno scambiatore di calore in PTFE rimane stabile per tutta la sua durata di servizio. I calcoli sul dimensionamento della pompa effettuati al momento dell'installazione rimangono validi anche dopo anni. Il consumo di energia per il pompaggio non aumenta. Le portate del circuito rimangono ai valori di progetto senza aumenti incrementali della velocità della pompa.
La flessibilità del layout riduce la caduta di pressione del sistema
I circuiti di lisciviazione a lungo termine- spesso richiedono scambiatori di calore in posizioni vincolate da strutture esistenti, disposizione dei serbatoi e tubazioni. Gli scambiatori metallici con configurazioni fisse-e-tubi impongono compromessi sulle tubazioni che aggiungono curve, gomiti e lunghezza extra.
Le bobine di immersione flessibili in PTFE possono essere configurate per adattarsi direttamente ai serbatoi o ai canali esistenti, eliminando completamente gli scambiatori a fascio tubiero-e-esterni e le relative perdite di carico delle tubazioni. La bobina si immerge semplicemente nella soluzione di lisciviazione. L'unica caduta di pressione è minima nel circuito interno del vapore o dell'acqua calda.
Quando sono necessari scambiatori di calore esterni in PTFE, i fasci leggeri di fluoropolimero semplificano le strutture di supporto e riducono la necessità di supporti per tubi pesanti e anelli di espansione comuni con gli scambiatori metallici su lunghe distanze.
Osservazioni sul campo da un'operazione di lisciviazione del rame
Un impianto di estrazione con solvente per lisciviazione in cumuli di rame ha sostituito due scambiatori di calore a fascio tubiero in acciaio inossidabile-e-con serpentine a immersione in PTFE posizionate direttamente nei serbatoi della soluzione di lisciviazione gravida. Gli scambiatori in acciaio inossidabile avevano sviluppato in tre anni una rugosità interna, aumentando la caduta di pressione del circuito da 2,8 bar a 4,6 bar.
Nello stesso periodo il consumo energetico della pompa è aumentato del 55%. Dopo la-sostituzione, la caduta di pressione del circuito è tornata a 2,7 bar con bobine in PTFE. Il consumo di energia della pompa è tornato quasi ai-livelli originali. Il solo risparmio annuale di energia elettrica di pompaggio ha consentito di recuperare il 40% del costo di capitale della bobina in PTFE nel primo anno.
Riepilogo
Gli scambiatori di calore metallici corrosi aumentano la caduta di pressione nei circuiti di lisciviazione attraverso il progressivo irruvidimento della superficie. Un attrito maggiore richiede più energia di pompaggio, aumentando continuamente i costi operativi fino alla sostituzione.
Gli scambiatori di calore in PTFE mantengono la loro superficie liscia iniziale per un tempo indefinito. La caduta di pressione rimane costante. Il consumo energetico della pompa non varia. La flessibilità delle configurazioni della batteria ad immersione può eliminare completamente le perdite di carico dello scambiatore esterno posizionando la superficie di trasferimento del calore direttamente nei serbatoi di processo.
Per le operazioni di lisciviazione che valutano la sostituzione dello scambiatore di calore, l'analisi tecnica è disponibile previa presentazione dei dati sulla caduta di pressione del circuito corrente, sulle portate, sulla chimica della soluzione di lisciviazione e sulle specifiche del mezzo di riscaldamento disponibile.
