Il problema della normalizzazione dei costi
I confronti dei costi degli scambiatori di calore in genere utilizzano il costo totale di installazione diviso per l'imposta di progettazione-dollari per kilowatt. Questa metrica cattura il capitale iniziale ma nasconde gli effetti delle diverse vite di servizio e dei requisiti di manutenzione. Un parametro più significativo per il processo decisionale-a lungo termine- è il costo totale per metro quadrato di superficie di scambio termico per anno di vita utile.
Questa metrica normalizzata tiene conto: del costo iniziale dell'attrezzatura ammortizzato sulla vita utile effettiva; la frequenza di sostituzione e i relativi costi di installazione; manodopera di manutenzione, prodotti chimici e tempi di inattività; e il costo della tolleranza alla corrosione-spessore della parete che non fornisce alcun valore di trasferimento di calore ma deve essere acquistato.
L'acciaio inossidabile super duplex (UNS S32750, 2507) è ampiamente utilizzato nella lisciviazione idrometallurgica ricca di cloruri- perché il suo elevato contenuto di cromo, molibdeno e azoto fornisce una resistenza alla vaiolatura superiore rispetto ai gradi austenitici standard. Il PTFE è immune alla vaiolatura del cloruro per la sua natura chimica. Il confronto tra i costi-per-quadrato-metro-per-anno determina quale materiale garantisce un costo-a lungo termine inferiore.
I fattori determinanti della vita utile
L'acciaio inossidabile super duplex resiste alla vaiolatura del cloruro attraverso una pellicola passiva arricchita di cromo e molibdeno. Il numero equivalente di resistenza alla vaiolatura (PREN) per il 2507 è 40-43, tra i più alti tra gli acciai inossidabili. Nelle soluzioni neutre di cloruro a temperatura ambiente non si verifica vaiolatura. Nelle soluzioni di lisciviazione a caldo di cloruro acido-tipiche delle operazioni di lisciviazione di laterite di nichel o di cumuli di rame, la soglia PREN viene superata.
A 70-80 gradi in soluzioni contenenti 10.000-50.000 ppm di cloruro a pH 1-3, l'acciaio inossidabile super duplex si corrode a 0,05-0,15 mm/anno con vaiolature localizzate sovrapposte alla velocità generale. Un tubo dello scambiatore di calore con uno spessore di parete di 1,5 mm ha una durata prevista di 5-10 anni prima che la vaiolatura penetri nella parete, con notevole incertezza.
Il PTFE non ha meccanismi di corrosione da cloruro. La durata è determinata dallo scorrimento sotto pressione del vapore alla temperatura di esercizio. Per il PTFE modificato a 140 gradi, la durata supera i 15 anni. Non vi è alcun attacco localizzato, nessuna vaiolatura e nessuna sensibilità alla concentrazione di cloruro o al pH.
Tabella 1: Costo normalizzato per metro quadrato all'anno (scambiatore di calore da 5 m², analisi di 10 anni, soluzione di lisciviazione di cloruro a 80 gradi, pH 2, 30.000 ppm Cl⁻)
| Elemento di costo | Super duplex 2507 | PTFE |
|---|---|---|
| Costo di installazione iniziale per m² | $1,800-2,500 | $1,400-2,000 |
| Vita utile prevista (anni) | 5-8 (dipendente dalla vaiolatura) | 15+ |
| Sostituzioni oltre 10 anni | 1 (all'anno 5-8) | 0 |
| Costo di sostituzione (attrezzatura + installazione) | $1,800-2,500/m² | $0 |
| Manutenzione annuale per m² (ispezione, pulizia) | $120-200 | $40-80 |
| Costo dei tempi di inattività per evento di sostituzione (per m²) | $300-500 | $0 |
| Costo totale al m² in 10 anni | $4,500-7,500 | $1,800-2,800 |
| Costo annualizzato per m² all'anno | $450-750 | $180-280 |
Il costo dell'indennità di corrosione
Gli scambiatori di calore in acciaio inossidabile super duplex per il servizio con cloruro includono un margine di corrosione-spessore aggiuntivo della parete che si prevede venga corroso durante la vita utile. Questo spessore extra non fornisce alcun valore di trasferimento di calore ma aumenta il costo e il peso del materiale.
Per una parete con design da 1,5 mm con tolleranza di corrosione di 0,5 mm, il 33% del costoso materiale super duplex viene sacrificato. La parete del tubo in PTFE non ha tolleranza alla corrosione; l'intero spessore della parete contribuisce al contenimento della pressione per tutta la vita utile.
La tolleranza alla corrosione riduce leggermente anche il trasferimento di calore. La parete più spessa ha una maggiore resistenza termica. Un nuovo tubo super duplex con tolleranza alla corrosione ha un valore U- inferiore rispetto a quello che avrebbe senza tale tolleranza, richiedendo un'area superficiale leggermente maggiore per lo stesso compito-aumentando ulteriormente la differenza di costo.
L'assegnazione del valore del tempo di inattività
Il confronto dei costi normalizzati è sensibile al valore assegnato ai tempi di inattività. In un impianto idrometallurgico in cui il circuito di lisciviazione rappresenta il collo di bottiglia della produzione, un’ora di fermo può costare tra i 10.000 e i 50.000 dollari in termini di perdita di produzione di metallo. Il costo di un guasto allo scambiatore di calore che interrompe il circuito di lisciviazione per 12-24 ore fa impallidire il costo di sostituzione dell'apparecchiatura.
L'eliminazione da parte del PTFE dei guasti per vaiolatura non pianificati elimina il costo dei tempi di inattività dall'equazione. Il vantaggio in termini di costi normalizzati del PTFE aumenta all’aumentare del valore del tempo di attività della produzione.
Riepilogo
Gli scambiatori di calore in PTFE offrono costi inferiori per metro quadrato all'anno rispetto all'acciaio inossidabile super duplex nelle soluzioni di lisciviazione ricche di cloruro-in genere $ 180-280 rispetto a $ 450-750 annualizzati. La differenza deriva dalla maggiore durata di servizio del PTFE, dall'eliminazione degli eventi di sostituzione, dai minori requisiti di manutenzione e dall'assenza di tolleranza sacrificale alla corrosione.
Il vantaggio in termini di costi normalizzati è amplificato nelle operazioni con costi di-tempi di inattività- elevati in cui l'eliminazione di guasti per vaiolatura non pianificati ha un valore economico fuori misura. L'acciaio inossidabile super duplex viene utilizzato laddove vengono superati i limiti di temperatura o pressione del PTFE; nell'ambito del PTFE, è la scelta-a basso costo.
L'analisi tecnica per il confronto dei costi di servizio del cloruro è disponibile previa presentazione della chimica della soluzione, della temperatura operativa, dei dati sulla durata di servizio corrente dello scambiatore, dei registri dei costi di manutenzione e delle stime dei costi dei tempi di inattività.
