Les compositions d'acides mixtes qui définissent les limites
Les systèmes de récupération d'acides mixtes gèrent plusieurs combinaisons d'acides différentes, et la sélection des matériaux dépend de la combinaison présente.
Mélanges nitriques-fluorhydriques.Ceux-ci sont utilisés pour le décapage de l’acier inoxydable et la gravure du titane. L'acide nitrique fournit le potentiel oxydant et l'acide fluorhydrique fournit l'activité fluorure. Le mélange est agressif pour la plupart des métaux et pour de nombreuses céramiques. Le PTFE résiste au mélange à toutes les concentrations et températures dans sa plage. Le carbure de silicium résiste au mélange à des températures allant jusqu'à 80 degrés, mais le fluorure attaque le carbure de silicium à des températures plus élevées.
Mélanges sulfuriques-fluorhydriques.Ceux-ci sont utilisés pour la gravure sur aluminium et la gravure sur verre. L'acide sulfurique fournit la force de l'acide et l'acide fluorhydrique fournit l'activité fluorure. Le PTFE résiste au mélange à toutes les concentrations et températures. Le carbure de silicium résiste au mélange à des températures allant jusqu'à 60 degrés, mais le fluorure attaque le carbure de silicium à des températures plus élevées.
Mélanges nitriques-sulfuriques.Ceux-ci sont utilisés pour le décapage et la passivation des métaux. Le mélange est fortement oxydant et le potentiel oxydant augmente avec la concentration en acide nitrique. Le PTFE résiste au mélange à toutes les concentrations et températures. Le carbure de silicium résiste au mélange à des températures allant jusqu'à 100 degrés, mais le potentiel oxydant peut attaquer la phase limite des grains dans le carbure de silicium.
L’écart de conductivité thermique
Le carbure de silicium a une conductivité thermique d'environ 120 W/m·K, contre 0,25 W/m·K pour le PTFE. Le rapport est d'environ 480:1.
Pour un échangeur de chaleur délivrant 60 kW dans un système de récupération d'acide mixte à 70 degrés, une unité en carbure de silicium nécessite environ 3 m² de surface, sur la base d'un coefficient de transfert thermique global de 1 000 W/m²·K et d'une différence de température moyenne logarithmique de 20 degrés. Une unité PTFE pour le même usage nécessite environ 15 m² de surface, sur la base d'un coefficient global de 200 W/m·K et de la même différence de température.
L'unité PTFE est 5 fois plus grande que l'unité carbure de silicium. Une taille plus grande augmente le coût en capital, la surface au sol et le volume de fluide. Le flux thermique plus faible réduit la température de la paroi du tube, ce qui est bénéfique pour le processus, mais la surface plus grande offre également plus de surface pour les dépôts et nécessite plus de temps de nettoyage.
L’attaque du fluor contre la céramique
Le fluorure présent dans les systèmes de récupération d’acides mixtes attaque les céramiques par un mécanisme différent de l’attaque des métaux. Le fluorure réagit avec le dioxyde de silicium ou l'alumine contenu dans la céramique, formant des composés fluorés solubles qui dissolvent la céramique. Le taux d'attaque dépend de la concentration en fluorure, de la température et de la composition céramique spécifique.
Le carbure de silicium a une meilleure résistance au fluorure que les céramiques à base d'alumine-, car les grains de carbure de silicium sont liés à un nitrure de silicium ou à une matrice de carbure de silicium plus résistante au fluorure. Cependant, la phase limite des grains peut être attaquée par le fluorure à température élevée, et cette attaque affaiblit la céramique et finit par provoquer une défaillance.
Le PTFE résiste au fluorure à toutes les concentrations et températures dans sa plage de service. Les liaisons carbone-fluor ne sont pas attaquées par le fluorure et la structure du polymère n'est pas dégradée par l'environnement chimique. C'est la principale raison pour laquelle le PTFE est spécifié pour les systèmes de récupération d'acides mixtes à concentrations élevées de fluorure.
Comparaison des deux matériaux dans la récupération d'acide mixte
Le tableau suivant résume les performances et les caractéristiques de coût des échangeurs de chaleur en PTFE et en carbure de silicium en service de récupération d'acide mixte à 70 degrés avec 10 % d'acide nitrique et 3 % d'acide fluorhydrique.
| Caractéristiques | Échangeur de chaleur en carbure de silicium | Échangeur de chaleur en PTFE | Avantage |
|---|---|---|---|
| Conductivité thermique | 120 W/m·K | 0.25 W/m·K | Carbure de silicium |
| Coefficient de transfert de chaleur global | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Carbure de silicium |
| Surface nécessaire pour 60 kW | 3 m² | 15 m² | Carbure de silicium |
| Résistance chimique au mélange nitrique-fluorhydrique | Bon à 70 degrés | Excellent | PTFE |
| Résistance chimique au fluorure | Modéré | Excellent | PTFE |
| Température de fonctionnement maximale | 80 degrés (avec fluorure) | 260 degrés | PTFE |
| Résistance mécanique | Haut | Modéré | Carbure de silicium |
| Résistance aux chocs thermiques | Faible | Haut | PTFE |
| Résistance aux chocs mécaniques | Faible | Haut | PTFE |
| Réparabilité | Limité | Bien | PTFE |
| Durée de vie en service acide mixte | 4 à 6 ans | 10 à 15 ans | PTFE |
| Coût d'investissement pour un service de 60 kW | $48,000 | $42,000 | PTFE |
| Coût d'installation | $6,000 | $4,000 | PTFE |
| Coût d'entretien annuel | $5,000 | $2,000 | PTFE |
| Coût total sur cinq -ans | $109,000 | $72,000 | PTFE |
Les valeurs de coût total sur cinq -ans supposent une valeur de production de 600 $ par heure et incluent le coût d'investissement, le coût d'installation et le coût de maintenance sur cinq ans.
Quand la céramique est le meilleur choix
La céramique constitue le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service à faible-fluorure.Lorsque la concentration de fluorure est inférieure à 1 %, le taux d'attaque du fluorure de céramique est faible et la durée de vie est prolongée. Dans ce cas, la conductivité thermique plus élevée du carbure de silicium réduit la surface requise et le coût d'investissement.
Installations-à espace limité.Lorsque l’espace disponible est très limité, la plus petite unité en carbure de silicium peut être la seule option réalisable. L'unité PTFE nécessiterait 5 fois plus de surface, ce qui pourrait ne pas tenir dans l'espace disponible.
Service à haute-température sans fluorure.Lorsque l'acide mélangé ne contient pas de fluorure et que la température est supérieure à 100 degrés, le carbure de silicium conserve sa résistance mécanique et chimique, tandis que le PTFE se ramollit et perd sa résistance au-dessus de 200 degrés.
Service de haute-pureté.Le carbure de silicium ne libère pas de composés organiques dans le fluide de traitement, ce qui le rend adapté aux applications de haute-pureté où la lixiviation organique du PTFE est un problème.
Service abrasif.Le carbure de silicium a une dureté et une résistance à l'usure plus élevées que le PTFE, ce qui le rend adapté à une utilisation avec des matières en suspension susceptibles d'abraser la surface de l'échangeur thermique.
Quand le PTFE est le meilleur choix
Le PTFE est le meilleur choix dans plusieurs applications spécifiques.
Service-élevé en fluorure.Le PTFE résiste au fluorure à toutes les concentrations, tandis que le carbure de silicium est attaqué par le fluorure à température élevée.
Service de cyclisme thermique.Le PTFE a une résistance aux chocs thermiques plus élevée que le carbure de silicium, ce qui le rend adapté aux utilisations avec des changements de température fréquents.
Service de percussion mécanique.Le PTFE est plus résistant aux impacts mécaniques que le carbure de silicium, ce qui le rend adapté aux installations où l'échangeur thermique peut être soumis à des vibrations ou à des manipulations.
Service réparable.Les échangeurs de chaleur en PTFE peuvent être réparés sur site par un technicien qualifié, ce qui réduit les temps d'arrêt et la perte de production.
Service de charge thermique importante.Pour les charges thermiques importantes, le coût d'investissement inférieur du PTFE devient plus important et la plus grande surface constitue moins une contrainte.
Caractéristiques de conception qui prolongent la durée de vie
Plusieurs caractéristiques de conception prolongent la durée de vie des échangeurs de chaleur en PTFE et en céramique dans le service de récupération d'acide mixte.
Température de fonctionnement inférieure.La réduction de la température de fonctionnement réduit l'attaque du fluorure sur la céramique et la diffusion de l'acide dans le PTFE.
Concentration de fluorure plus faible.La réduction de la concentration en fluorure réduit l'attaque de la céramique. La concentration de fluorure doit être surveillée en permanence et maintenue en dessous du seuil du matériau céramique spécifique.
Contrôle de la vitesse d'écoulement.Le maintien d'une vitesse d'écoulement modérée réduit l'épaisseur de la couche limite et la concentration de fluorure à la surface du tube.
Dispositions de nettoyage sur place-.Les connexions pour l'alimentation et le retour de la solution de nettoyage permettent de nettoyer l'échangeur thermique sans démontage, ce qui réduit les temps d'arrêt et la perte de production.
Surveillance de la température.Des capteurs de température à l'entrée et à la sortie de l'échangeur thermique permettent de surveiller les performances de transfert de chaleur, ce qui permet une détection précoce d'un encrassement ou d'une dégradation.
Paramètres de spécification pour la récupération d'acide mixte
Les ingénieurs d'équipement évaluant les échangeurs de chaleur en PTFE et en céramique pour la récupération d'acide mixte doivent confirmer les paramètres suivants avec le fournisseur.
Composition d'acide mixte.Précisez les concentrations d’acide nitrique, d’acide sulfurique, d’acide fluorhydrique et de tout autre composant.
Température de fonctionnement.Spécifiez la température de fonctionnement maximale et le profil de température attendu.
Concentration de fluorure.Préciser la concentration maximale de fluorure et la méthode de surveillance.
Solides en suspension.Spécifiez la concentration et la taille des particules de toutes les matières en suspension dans l'acide.
Charge thermique et superficie.Spécifiez la charge thermique et la surface requise pour chaque option de matériau.
Contraintes d'espace.Spécifiez l'espace disponible et l'encombrement maximum autorisé.
Capacité de maintenance.Préciser la capacité de maintenance de l'installation, y compris la capacité de réparer l'échangeur de chaleur sur place.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Faire correspondre la sélection des matériaux aux conditions de service des acides mélangés
Le choix entre les échangeurs de chaleur en PTFE et en céramique dans la récupération d'acide mixte dépend de la concentration en fluorure, de la température, des contraintes d'espace et de la durée de vie requise. La céramique a une conductivité thermique plus élevée et nécessite moins de surface, mais elle est sensible aux attaques du fluorure et aux chocs thermiques. Le PTFE a une conductivité thermique plus faible et nécessite plus de surface, mais il résiste au fluorure et aux chocs thermiques.
La décision de sélection doit être basée sur une analyse spécifique à l'installation-qui intègre le coût d'investissement, le coût d'installation, le coût de maintenance et l'exposition aux pertes de production. Un simple modèle de feuille de calcul contenant ces éléments de coût fournit les informations nécessaires pour prendre la décision.
Pour les installations de récupération d'acide mixte évaluant les options d'échangeur de chaleur, la sélection des matériaux doit être basée sur le coût total de possession sur la durée de vie prévue, et pas seulement sur les performances thermiques ou le coût d'investissement. Une unité en céramique avec une conductivité thermique plus élevée peut avoir un coût de vie plus élevé si la concentration de fluorure est élevée et si l'unité nécessite un remplacement fréquent.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes en approvisionnement évaluant les spécifications des échangeurs de chaleur en PTFE pour la récupération d'acides mixtes ou d'autres services corrosifs peuvent demander une revue de conception couvrant la composition des acides mixtes, la température de fonctionnement, la concentration de fluorure, les matières en suspension et les contraintes d'espace pour confirmer que la sélection des matériaux est adaptée aux conditions de service réelles et à la structure de coûts de l'installation.
