Le problème du coût de pompage dans les circuits de lixiviation
Les circuits de lixiviation hydrométallurgiques déplacent des solutions acides agressives à travers des kilomètres de canalisations, de réacteurs et d'échangeurs de chaleur. Les coûts de pompage représentent une dépense d'exploitation importante. Chaque chute de pression dans un échangeur de chaleur augmente la facture énergétique.
Les échangeurs de chaleur métalliques développent une rugosité de surface interne à mesure que la corrosion progresse. Ce qui commence comme un intérieur de tube lisse se dégrade en une surface piquée et écaillée avec des facteurs de friction plusieurs fois supérieurs aux valeurs de conception. La pression de refoulement de la pompe augmente pour maintenir le débit. La consommation d’énergie grimpe. Finalement, le circuit ne peut pas atteindre les débits de conception sans mise à niveau des pompes.
Le problème s’aggrave avec le temps. La corrosion rend les surfaces rugueuses. Les surfaces rugueuses augmentent la friction. Une friction plus élevée nécessite plus d’énergie de pompage. La boucle de rétroaction s'accélère jusqu'à ce qu'une intervention de maintenance remplace l'échangeur.
Rugosité de surface et facteur de friction
La chute de pression dans les tubes de l'échangeur de chaleur suit la relation de Darcy-Weisbach. Pour un écoulement turbulent, le facteur de frottement dépend de la rugosité de la surface par rapport au diamètre du tube. Un nouveau tube en acier inoxydable d'une rugosité de 0,0015 mm présente un facteur de friction Darcy d'environ 0,019. Après deux ans de service de lixiviation acide, les piqûres de surface augmentent la rugosité jusqu'à 0,05 mm, doublant presque le facteur de friction.
La conséquence en aval est une augmentation des besoins en hauteur de pompe. Un circuit conçu pour une chute de pression de 3 bars à travers l'échangeur thermique lors de l'installation peut nécessiter 5 bars après que la corrosion ait rendu la surface rugueuse. La pompe doit travailler plus fort, consommant 60 à 70 % d'énergie en plus pour le même débit.
Tableau 1 : Comparaison de la rugosité de surface et des chutes de pression dans les échangeurs de chaleur à circuit de lixiviation
| Matériau du tube | Rugosité initiale (mm) | Rugosité après 2 ans (mm) | Augmentation de la chute de pression relative |
|---|---|---|---|
| SS 316L dans lixiviation HCl | 0.0015 | 0.05 - 0.10 | 60 - 90% |
| Titane dans la lixiviation H₂SO₄ | 0.0015 | 0.02 - 0.04 | 30 - 50% |
| PTFE (vierge) | 0.0013 | 0.0013 | 0% |
Données provenant de tableaux de friction de conduites publiés et de mesures sur le terrain lors d'opérations de lixiviation de cuivre et de nickel.
L'avantage du-alésage lisse en PTFE
Les tubes en PTFE ont une rugosité de surface initiale d'environ 0,0013 mm, comparable à celle des tubes en métal étiré. La différence cruciale est que cette rugosité n’augmente jamais. Le PTFE ne se corrode pas, ne se pique pas et ne s'entartre pas. La surface interne après cinq ans de service acide est identique à la surface du premier jour.
La faible énergie de surface du PTFE offre un avantage opérationnel supplémentaire. Les composés formant du tartre qui adhèrent aux surfaces métalliques ont tendance à se détacher du PTFE. Le sulfate de calcium, les hydroxydes métalliques et autres précipités trouvent moins de sites de nucléation à la surface du polymère fluoré.
La chute de pression dans un échangeur de chaleur en PTFE reste stable tout au long de sa durée de vie. Les calculs de dimensionnement des pompes effectués lors de l’installation restent valables des années plus tard. La consommation d’énergie pour le pompage n’augmente pas. Les débits du circuit restent aux valeurs de conception sans augmentation incrémentielle de la vitesse de la pompe.
La flexibilité de la disposition réduit la chute de pression du système
Les circuits de lixiviation à long terme nécessitent souvent des échangeurs de chaleur dans des emplacements limités par les structures existantes, la disposition des réservoirs et les canalisations. Les échangeurs métalliques avec des configurations à coque fixe-et-tubes obligent à des compromis de tuyauterie qui ajoutent des courbures, des coudes et une longueur supplémentaire.
Les serpentins d'immersion flexibles en PTFE peuvent être configurés pour s'adapter directement aux réservoirs ou canaux existants, éliminant ainsi entièrement les échangeurs à calandre-et-à tubes externes ainsi que les chutes de pression de tuyauterie associées. Le serpentin plonge simplement dans la solution de lixiviation. La seule perte de charge concerne le circuit interne de vapeur ou d’eau chaude, qui est minime.
Lorsque des échangeurs de chaleur externes en PTFE sont nécessaires, les faisceaux légers de fluoropolymère simplifient les structures de support et réduisent le besoin de supports de tuyaux lourds et de boucles d'expansion courantes avec les échangeurs métalliques sur de longues distances.
Observations sur le terrain lors d'une opération de lixiviation du cuivre
Une usine d'extraction par solvant de lixiviation en tas de cuivre a remplacé deux échangeurs de chaleur à calandre-et-tubes en acier inoxydable par des serpentins à immersion en PTFE placés directement dans les réservoirs de solution de lixiviation enceinte. Les échangeurs en acier inoxydable avaient développé depuis trois ans une rugosité interne augmentant la perte de charge du circuit de 2,8 bar à 4,6 bar.
La consommation énergétique des pompes a augmenté de 55 % sur la même période. Après le-remplacement, la chute de pression du circuit est revenue à 2,7 bars avec les bobines en PTFE. La consommation d'énergie des pompes est revenue à des niveaux proches des -niveaux d'origine. Les économies annuelles d'électricité de pompage ont permis à elles seules de récupérer 40 % du coût d'investissement de la bobine PTFE au cours de la première année.
Résumé
Les échangeurs de chaleur métalliques corrodés augmentent la chute de pression dans les circuits de lixiviation en raison d'une rugosité progressive de la surface. Une friction plus élevée nécessite plus d’énergie de pompage, ce qui augmente continuellement les coûts d’exploitation jusqu’au remplacement.
Les échangeurs de chaleur en PTFE conservent indéfiniment leur surface lisse initiale. La chute de pression reste constante. La consommation d'énergie de la pompe ne dérive pas. La flexibilité des configurations de serpentins à immersion peut éliminer entièrement les chutes de pression externes de l’échangeur en plaçant la surface de transfert de chaleur directement dans les réservoirs de traitement.
Pour les opérations de lixiviation évaluant le remplacement de l'échangeur de chaleur, une analyse technique est disponible sur présentation des données de chute de pression du circuit actuel, des débits, de la chimie de la solution de lixiviation et des spécifications du fluide chauffant disponible.
