La sfida dell'esposizione all'aperto
Gli impianti idrometallurgici installano scambiatori di calore all'aperto. L'estrazione con solvente del rame, la lisciviazione della laterite di nichel e i circuiti CIP dell'oro funzionano sotto ripari aperti-ai lati o completamente esposti al sole, alla pioggia e agli sbalzi di temperatura. Le teste dello scambiatore di calore-i collettori che collegano i fasci tubieri alle tubazioni di processo-affrontano le condizioni più difficili.
La luce solare fornisce radiazioni ultraviolette che degradano i polimeri. I cicli di temperatura giornalieri, dalle notti quasi gelide ai 40 gradi pomeridiani, creano stress da dilatazione termica. La pioggia e la polvere spinte dal vento- erodono le superfici. Le attività di manutenzione espongono le apparecchiature a impatti accidentali provenienti da strumenti e apparecchiature mobili.
Il design della testa deve proteggere i giunti del tubo-al-collettore resistendo a queste condizioni per decenni. Tre approcci progettuali competono: tutte le-teste in PTFE, teste in PVDF e teste in PTFE-con armatura metallica. Ciascuno gestisce l'ambiente esterno in modo diverso.
Opzioni di progettazione della testa
Tutte le-teste in PTFE utilizzano lo stesso fluoropolimero dei tubi. La compatibilità chimica è identica. L'intera superficie bagnata resiste agli acidi di processo. Ma il PTFE ha una bassa rigidità meccanica. Le grandi strutture della testa non supportate possono strisciare o deformarsi sotto carichi sostenuti. Le connessioni a flangia imbullonata richiedono un'attenta gestione della coppia per evitare perdite mentre il PTFE scorre a freddo-.
Le teste in PVDF offrono rigidità e resistenza superiori rispetto al PTFE. Il materiale si trasforma facilmente in forme di testate complesse. La resistenza chimica è buona ma non universale-Il PVDF viene attaccato da sostanze caustiche forti, alcuni solventi e acidi fumanti superiori a 120 gradi. Per le applicazioni idrometallurgiche che coinvolgono acido solforico a temperature moderate, il PVDF fornisce un'adeguata resistenza chimica con proprietà meccaniche superiori.
Le teste-corazzate in metallo racchiudono un rivestimento in PTFE all'interno di un guscio strutturale in acciaio o FRP. Il rivestimento fornisce resistenza chimica. Il guscio fornisce resistenza meccanica. Questo design ibrido combina il meglio di entrambi i materiali. La penalità è un costo più elevato e una fabbricazione più complessa.
Tabella 1: Confronto della progettazione della testa per installazioni esterne di scambiatori di calore in PTFE
| Progettazione della testa | Resistenza ai raggi UV | Tolleranza al ciclismo termico | Resistenza agli urti | Compatibilità chimica | Costo relativo |
|---|---|---|---|---|---|
| Tutto-PTFE | Eccellente (nessun degrado) | Buono (flessibile, poco stressante) | Scarso (facilmente danneggiato) | Universale | Moderare |
| PVDF | Buono (sono necessari stabilizzatori UV) | Moderato (più rigido, stress termico più elevato) | Bene | Limitato (evitare sostanze caustiche forti, solventi) | Basso-Moderato |
| Armatura metallica-(acciaio/PTFE) | Eccellente (schermi metallici UV) | Eccellente (l'acciaio gestisce lo stress) | Eccellente | Universale (rivestimento in PTFE) | Alto |
| Armatura metallica-(FRP/PTFE) | Eccellente (FRP protegge dai raggi UV) | Buono (l'espansione termica del FRP corrisponde meglio al PTFE) | Bene | Universale (rivestimento in PTFE) | Alto |
Il meccanismo di degradazione UV
I polimeri non protetti si degradano sotto i raggi UV del sole attraverso la foto-ossidazione. Le catene polimeriche si rompono, provocando infragilimento, scolorimento ed eventuali screpolature. Il PTFE è eccezionalmente resistente. Il legame carbonio-fluoro è più forte dell'energia dei fotoni UV nello spettro solare terrestre. Il PTFE non richiede stabilizzanti UV e non si degrada dopo decenni di piena esposizione al sole-.
Il PVDF assorbe parte dei raggi UV e richiede nerofumo o altri additivi stabilizzanti. Il PVDF adeguatamente stabilizzato dura anni all'aperto, ma si verificano sfarinamento della superficie e perdita graduale delle proprietà. Il PVDF non stabilizzato può infragilirsi nel giro di pochi mesi.
Le testine con armatura in metallo- eliminano completamente l'esposizione ai raggi UV grazie al rivestimento interno in polimero. Il guscio in acciaio o FRP assorbe tutti i raggi UV. Il rivestimento vede solo il fluido di processo.
Cicli termici e impatto meccanico
Le installazioni esterne sono soggette a cicli termici quotidiani. Il PTFE ha un elevato coefficiente di dilatazione termica-circa 10 volte quello dell'acciaio. Tutte le-teste del PTFE si espandono e si contraggono in modo significativo. La flessibilità del PTFE consente questo movimento se i collegamenti delle tubazioni includono caratteristiche di espansione. Tutte le-teste in PTFE montate rigidamente sviluppano stress sulle connessioni.
Il PVDF ha un coefficiente di dilatazione inferiore, più vicino all'acciaio. Le sollecitazioni termiche sono inferiori. Le connessioni bullonate mantengono meglio la coppia durante i cicli di temperatura.
Le teste con armatura in metallo-utilizzano il guscio in acciaio per gestire l'espansione termica. Il rivestimento in PTFE galleggia all'interno, isolato dai carichi strutturali. Le connessioni flangiate sono acciaio-su-acciaio, eliminando i problemi di scorrimento del polimero.
La resistenza agli urti è importante durante la manutenzione. Una chiave inglese caduta può rompere una testa interamente-PTFE. Il PVDF resiste meglio agli urti. Le teste corazzate in metallo-sono essenzialmente indistruttibili nella normale movimentazione industriale.
Riepilogo
Il design della testa dello scambiatore di calore in PTFE per il servizio idrometallurgico all'aperto bilancia la resistenza ai raggi UV, la tolleranza ai cicli termici e la durata meccanica. Tutte le-teste in PTFE offrono compatibilità chimica universale ed eccellente resistenza ai raggi UV, ma robustezza meccanica limitata. Il PVDF offre migliore rigidità e resistenza agli urti con un'adeguata compatibilità chimica per la maggior parte dei processi a base di acido solforico-. I design con armatura in metallo-garantiscono la massima durata a costi più elevati.
Per installazioni esterne permanenti con requisiti di affidabilità elevati, sono preferibili le teste-con armatura metallica o tutte-PTFE. Il PVDF è adatto ad applicazioni meno critiche con esposizione chimica moderata.
I consigli tecnici per la scelta del design della testa dello scambiatore di calore in PTFE sono disponibili previa presentazione della chimica del processo, dell'intervallo di temperatura ambiente, dell'esposizione al sole, della valutazione dei rischi meccanici e delle specifiche di connessione delle tubazioni.
