La température du mur qui détermine le mécanisme de dégradation
Une ligne d'anodisation à l'acide sulfurique fonctionnant à 20 degrés avec 15 % d'acide sulfurique nécessite un échangeur de chaleur pour le refroidissement. La température de la paroi du tube est proche de la température du procédé car le flux thermique est faible et l'eau de refroidissement n'est que quelques degrés en dessous du procédé. Le tube PTFE fonctionne entre 20 et 25 degrés, ce qui est bien en dessous de la température à laquelle tout mécanisme de dégradation devient actif. La durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques et la durée de vie est de 15 à 20 ans.
Une installation de traitement chimique concentrant l’acide sulfurique à 150 degrés nécessite un échangeur de chaleur pour le chauffage. La température de la paroi du tube est déterminée par le flux thermique et la résistance thermique de la paroi du tube. Pour un flux thermique de 2,0 W/cm² et une paroi de 0,8 mm, la température de la paroi est d'environ 215 degrés. À cette température, l'acide sulfurique attaque le PTFE à une vitesse mesurable et la durée de vie du tube est déterminée par la dégradation chimique plutôt que par des facteurs mécaniques.
Le seuil de température des parois entre ces deux régimes est d’environ 180 à 200 degrés pour le service à l’acide sulfurique. En dessous de ce seuil, la vitesse de dégradation est lente et la durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques. Au-dessus de ce seuil, le taux de dégradation augmente rapidement et la durée de vie du tube diminue avec l'augmentation de la température.
Le mécanisme de dégradation chimique au-dessus du seuil
La dégradation du PTFE dans l'acide sulfurique chaud se produit par l'oxydation des régions amorphes du polymère. L'acide sulfurique, particulièrement à haute concentration, est un puissant agent oxydant à température élevée. L'acide attaque les extrémités de la chaîne et les sites de défauts dans les régions amorphes, brisant les chaînes polymères et créant des fragments plus petits qui se dissolvent ou sont emportés par le fluide du procédé.
Le taux de dégradation augmente de façon exponentielle avec la température. Une augmentation de température de 10 degrés double environ le taux de dégradation. La différence entre 180 degrés et 220 degrés est un facteur 16 dans le taux de dégradation.
La dégradation n’est pas uniforme sur toute la paroi du tube. L'attaque démarre à la surface et se propage vers l'intérieur. La surface devient rugueuse et poreuse et la résistance mécanique diminue. La paroi du tube s’amincit avec le temps et finit par se rompre.
L'effet de la concentration d'acide
Le taux de dégradation dépend de la concentration en acide sulfurique. L'acide sulfurique dilué (en dessous de 50 %) a un potentiel d'oxydation inférieur à celui de l'acide concentré (au-dessus de 90 %). Le taux de dégradation dans l'acide sulfurique à 50 % à 200 degrés est environ la moitié du taux de l'acide sulfurique à 98 % à la même température.
L'effet de concentration est particulièrement important dans le service de concentration d'acide sulfurique, où la concentration d'acide augmente à mesure que l'eau s'évapore. Les tubes de l'échangeur de chaleur à l'extrémité concentrée du système présentent une concentration d'acide plus élevée et un taux de dégradation plus élevé que les tubes à l'extrémité diluée.
L'effet des contaminants oxydants
Le taux de dégradation est accéléré par les contaminants oxydants présents dans l’acide sulfurique. L'acide nitrique, l'acide chromique et le peroxyde d'hydrogène sont des contaminants courants qui augmentent le potentiel d'oxydation de l'acide. Même quelques pour cent d’acide nitrique peuvent augmenter le taux de dégradation d’un facteur de deux à trois.
Les contaminants affectent également la température maximale autorisée des murs. Dans l'acide sulfurique propre, le seuil est d'environ 200 degrés. Dans l'acide sulfurique contenant 5% d'acide nitrique, le seuil est d'environ 170 degrés. Dans l'acide sulfurique contenant 10 % d'acide nitrique, le seuil est d'environ 150 degrés.
Quantification de la température murale admissible
Le tableau suivant résume la température de paroi maximale autorisée pour différentes conditions de service à l'acide sulfurique, sur la base d'une durée de vie requise de 10 ans.
| Concentration d'acide | Contaminants oxydants | Température murale maximale autorisée | Taux de dégradation à la limite | Épaisseur de paroi de tube recommandée |
|---|---|---|---|---|
| 15 % H₂SO₄ | Aucun | 220 degrés | 0,05 mm/an | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₄ | Aucun | 210 degrés | 0,06 mm/an | 0,8 mm |
| 50 % H₂SO₄ | Aucun | 200 degrés | 0,07 mm/an | 0,8 mm |
| 70 % H₂SO₄ | Aucun | 190 degrés | 0,08 mm/an | 0,8 mm |
| 98 % H₂SO₄ | Aucun | 180 degrés | 0,10 mm/an | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 degrés | 0,10 mm/an | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 degrés | 0,12 mm/an | 1,0 mm |
| 98 % H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 degrés | 0,15 mm/an | 1,2 mm |
Les valeurs de température de paroi maximales autorisées supposent une durée de vie requise de 10 ans et une épaisseur de paroi minimale autorisée de 0,3 mm. Les taux de dégradation sont basés sur les données de terrain provenant du service d'acide sulfurique et des tests en laboratoire.
L'interaction des contraintes mécaniques
La température de paroi maximale admissible est affectée par la contrainte mécanique exercée sur le tube. La combinaison des contraintes thermiques et des contraintes de pression réduit la température admissible car le taux de dégradation augmente avec la contrainte.
La contrainte mécanique a deux effets. Premièrement, la contrainte augmente la vitesse de diffusion de l'acide dans le PTFE en ouvrant les régions amorphes du polymère. Deuxièmement, la contrainte réduit la résistance mécanique du tube, ce qui réduit la perte de paroi admissible avant rupture.
L'effet de contrainte est particulièrement important au niveau des joints entre les tubes-et-la plaque tubulaire, où la concentration de contraintes est la plus élevée. La température de paroi maximale autorisée au niveau du joint est généralement inférieure de 10 à 20 degrés à celle du corps du tube.
Caractéristiques de conception qui réduisent la température du mur
Plusieurs caractéristiques de conception réduisent la température de la paroi du tube pour une charge thermique donnée.
Surface plus grande.Une plus grande surface réduit le flux de chaleur, ce qui réduit la température des parois. Une augmentation de 50 % de la surface réduit le flux thermique et la température des parois d'environ 33 %.
Paroi de tube plus fine.Une paroi plus fine réduit la résistance thermique et la température de la paroi pour un même flux thermique. Un mur de 0,5 mm a la moitié de la résistance thermique d'un mur de 1,0 mm.
Matériau du tube à conductivité plus élevée.Un composé de PTFE chargé avec une conductivité thermique de 0,5 W/m·K a la moitié de la résistance thermique de paroi du PTFE vierge.
Vitesse de flux de processus plus élevée.Une vitesse d'écoulement plus élevée augmente le coefficient du film côté processus-et réduit la température des parois.
Vitesse de flux plus élevée-côté service.Une vitesse de vapeur ou d'eau chaude plus élevée augmente le coefficient du film côté service-et réduit la température des parois.
Collecteur de distribution de flux.Un collecteur de distribution de débit assure un débit uniforme à travers le faisceau de tubes, ce qui évite les points chauds localisés.
Comparaison des matériaux de tubes pour le service à l'acide sulfurique-à haute température
Le tableau suivant résume la température de paroi maximale autorisée et la durée de vie pour différents matériaux de tubes en PTFE en service avec de l'acide sulfurique à 98 % à un flux thermique de 1,5 W/cm².
| Matériau du tube | Conductivité thermique | Température du mur à 1,5 W/cm² | Durée de vie à 180 degrés | Durée de vie à 200 degrés | Durée de vie à 220 degrés |
|---|---|---|---|---|---|
| PTFE vierge | 0.25 W/m·K | 210 degrés | 10 à 15 ans | 5 à 8 ans | 2 à 3 ans |
| PTFE à haute-cristallinité | 0.26 W/m·K | 205 degrés | 12 à 18 ans | 6 à 10 ans | 3 à 4 ans |
| PTFE chargé en graphite- | 0.50 W/m·K | 165 degrés | 15 à 20 ans | 10 à 15 ans | 5 à 8 ans |
| PTFE chargé-de carbone | 0.65 W/m·K | 150 degrés | 15 à 20 ans | 12 à 18 ans | 8 à 12 ans |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 degrés | 8 à 12 ans | 4 à 6 ans | 1 à 2 ans |
Les valeurs de durée de vie sont des estimations basées sur des données de terrain et des tests en laboratoire. La durée de vie réelle varie en fonction de la chimie acide, des contraintes mécaniques et des pratiques d'exploitation.
Paramètres de spécification pour le service d’acide sulfurique
Les ingénieurs d'équipement spécifiant un échangeur de chaleur en PTFE pour un service avec de l'acide sulfurique doivent confirmer les paramètres suivants auprès du fournisseur.
Concentration acide.Précisez la concentration maximale et la plage attendue.
Contaminants oxydants.Précisez la concentration d’acide nitrique, d’acide chromique, de peroxyde d’hydrogène ou d’autres espèces oxydantes.
Température de fonctionnement.Spécifiez la température maximale de fonctionnement et le profil de température attendu.
Charge thermique et superficie.Précisez la charge thermique et la surface requise.
Flux de chaleur.Spécifiez le flux de chaleur maximum autorisé en fonction de la limite de température du mur.
Épaisseur de la paroi du tube.Spécifiez l'épaisseur de la paroi du tube en fonction du flux thermique et de la température de paroi admissible.
Matériau des tubes.Spécifiez le matériau du tube en fonction de la température de la paroi et du taux de dégradation.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Surveillance de la température.Spécifiez les capteurs de température et la méthode de surveillance pour suivre la température du mur.
Faire correspondre la température des murs aux exigences de durée de vie
La température de paroi maximale autorisée pour les tubes d'échangeur de chaleur en PTFE en service avec de l'acide sulfurique dépend de la concentration d'acide, des contaminants oxydants et de la durée de vie requise. En dessous du seuil de 180 à 200 degrés, le taux de dégradation est lent et la durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques. Au-dessus du seuil, le taux de dégradation augmente de façon exponentielle et la durée de vie du tube diminue rapidement avec l'augmentation de la température.
La température du mur doit être sélectionnée en fonction des exigences de durée de vie et du coût total de possession. Une température de paroi plus basse nécessite une plus grande surface ou un matériau de tube à conductivité plus élevée, ce qui augmente le coût d'investissement. Mais la température de paroi plus basse prolonge la durée de vie du tube et réduit les coûts de maintenance.
Pour les installations de service d'acide sulfurique évaluant les options d'échangeur de chaleur en PTFE, la température des parois doit être spécifiée dans les documents d'approvisionnement et vérifiée lors de la mise en service. La configuration par défaut fournie par le fabricant peut être optimisée pour la compacité plutôt que pour la durée de vie, et la température des parois qui en résulte peut dépasser le seuil de dégradation.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes en approvisionnement évaluant les spécifications de l'échangeur thermique en PTFE pour l'acide sulfurique ou tout autre service corrosif peuvent demander une revue de conception couvrant la concentration d'acide, les contaminants oxydants, la température de fonctionnement, le flux thermique, l'épaisseur de la paroi du tube et le matériau du tube pour confirmer que l'unité est adaptée aux conditions de service réelles et aux exigences de durée de vie de l'installation.
La température du mur qui détermine le mécanisme de dégradation
Une ligne d'anodisation à l'acide sulfurique fonctionnant à 20 degrés avec 15 % d'acide sulfurique nécessite un échangeur de chaleur pour le refroidissement. La température de la paroi du tube est proche de la température du procédé car le flux thermique est faible et l'eau de refroidissement n'est que quelques degrés en dessous du procédé. Le tube PTFE fonctionne entre 20 et 25 degrés, ce qui est bien en dessous de la température à laquelle tout mécanisme de dégradation devient actif. La durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques et la durée de vie est de 15 à 20 ans.
Une installation de traitement chimique concentrant l’acide sulfurique à 150 degrés nécessite un échangeur de chaleur pour le chauffage. La température de la paroi du tube est déterminée par le flux thermique et la résistance thermique de la paroi du tube. Pour un flux thermique de 2,0 W/cm² et une paroi de 0,8 mm, la température de la paroi est d'environ 215 degrés. À cette température, l'acide sulfurique attaque le PTFE à une vitesse mesurable et la durée de vie du tube est déterminée par la dégradation chimique plutôt que par des facteurs mécaniques.
Le seuil de température des parois entre ces deux régimes est d’environ 180 à 200 degrés pour le service à l’acide sulfurique. En dessous de ce seuil, la vitesse de dégradation est lente et la durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques. Au-dessus de ce seuil, le taux de dégradation augmente rapidement et la durée de vie du tube diminue avec l'augmentation de la température.
Le mécanisme de dégradation chimique au-dessus du seuil
La dégradation du PTFE dans l'acide sulfurique chaud se produit par l'oxydation des régions amorphes du polymère. L'acide sulfurique, particulièrement à haute concentration, est un puissant agent oxydant à température élevée. L'acide attaque les extrémités de la chaîne et les sites de défauts dans les régions amorphes, brisant les chaînes polymères et créant des fragments plus petits qui se dissolvent ou sont emportés par le fluide du procédé.
Le taux de dégradation augmente de façon exponentielle avec la température. Une augmentation de température de 10 degrés double environ le taux de dégradation. La différence entre 180 degrés et 220 degrés est un facteur 16 dans le taux de dégradation.
La dégradation n’est pas uniforme sur toute la paroi du tube. L'attaque démarre à la surface et se propage vers l'intérieur. La surface devient rugueuse et poreuse et la résistance mécanique diminue. La paroi du tube s’amincit avec le temps et finit par se rompre.
L'effet de la concentration d'acide
Le taux de dégradation dépend de la concentration en acide sulfurique. L'acide sulfurique dilué (en dessous de 50 %) a un potentiel d'oxydation inférieur à celui de l'acide concentré (au-dessus de 90 %). Le taux de dégradation dans l'acide sulfurique à 50 % à 200 degrés est environ la moitié du taux de l'acide sulfurique à 98 % à la même température.
L'effet de concentration est particulièrement important dans le service de concentration d'acide sulfurique, où la concentration d'acide augmente à mesure que l'eau s'évapore. Les tubes de l'échangeur de chaleur à l'extrémité concentrée du système présentent une concentration d'acide plus élevée et un taux de dégradation plus élevé que les tubes à l'extrémité diluée.
L'effet des contaminants oxydants
Le taux de dégradation est accéléré par les contaminants oxydants présents dans l’acide sulfurique. L'acide nitrique, l'acide chromique et le peroxyde d'hydrogène sont des contaminants courants qui augmentent le potentiel d'oxydation de l'acide. Même quelques pour cent d’acide nitrique peuvent augmenter le taux de dégradation d’un facteur de deux à trois.
Les contaminants affectent également la température maximale autorisée des murs. Dans l'acide sulfurique propre, le seuil est d'environ 200 degrés. Dans l'acide sulfurique contenant 5% d'acide nitrique, le seuil est d'environ 170 degrés. Dans l'acide sulfurique contenant 10 % d'acide nitrique, le seuil est d'environ 150 degrés.
Quantification de la température murale admissible
Le tableau suivant résume la température de paroi maximale autorisée pour différentes conditions de service à l'acide sulfurique, sur la base d'une durée de vie requise de 10 ans.
| Concentration d'acide | Contaminants oxydants | Température murale maximale autorisée | Taux de dégradation à la limite | Épaisseur de paroi de tube recommandée |
|---|---|---|---|---|
| 15 % H₂SO₄ | Aucun | 220 degrés | 0,05 mm/an | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₄ | Aucun | 210 degrés | 0,06 mm/an | 0,8 mm |
| 50 % H₂SO₄ | Aucun | 200 degrés | 0,07 mm/an | 0,8 mm |
| 70 % H₂SO₄ | Aucun | 190 degrés | 0,08 mm/an | 0,8 mm |
| 98 % H₂SO₄ | Aucun | 180 degrés | 0,10 mm/an | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 degrés | 0,10 mm/an | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 degrés | 0,12 mm/an | 1,0 mm |
| 98 % H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 degrés | 0,15 mm/an | 1,2 mm |
Les valeurs de température de paroi maximales autorisées supposent une durée de vie requise de 10 ans et une épaisseur de paroi minimale autorisée de 0,3 mm. Les taux de dégradation sont basés sur les données de terrain provenant du service d'acide sulfurique et des tests en laboratoire.
L'interaction des contraintes mécaniques
La température de paroi maximale admissible est affectée par la contrainte mécanique exercée sur le tube. La combinaison des contraintes thermiques et des contraintes de pression réduit la température admissible car le taux de dégradation augmente avec la contrainte.
La contrainte mécanique a deux effets. Premièrement, la contrainte augmente la vitesse de diffusion de l'acide dans le PTFE en ouvrant les régions amorphes du polymère. Deuxièmement, la contrainte réduit la résistance mécanique du tube, ce qui réduit la perte de paroi admissible avant rupture.
L'effet de contrainte est particulièrement important au niveau des joints entre les tubes-et-la plaque tubulaire, où la concentration de contraintes est la plus élevée. La température de paroi maximale autorisée au niveau du joint est généralement inférieure de 10 à 20 degrés à celle du corps du tube.
Caractéristiques de conception qui réduisent la température du mur
Plusieurs caractéristiques de conception réduisent la température de la paroi du tube pour une charge thermique donnée.
Surface plus grande.Une plus grande surface réduit le flux de chaleur, ce qui réduit la température des parois. Une augmentation de 50 % de la surface réduit le flux thermique et la température des parois d'environ 33 %.
Paroi de tube plus fine.Une paroi plus fine réduit la résistance thermique et la température de la paroi pour un même flux thermique. Un mur de 0,5 mm a la moitié de la résistance thermique d'un mur de 1,0 mm.
Matériau du tube à conductivité plus élevée.Un composé de PTFE chargé avec une conductivité thermique de 0,5 W/m·K a la moitié de la résistance thermique de paroi du PTFE vierge.
Vitesse de flux de processus plus élevée.Une vitesse d'écoulement plus élevée augmente le coefficient du film côté processus-et réduit la température des parois.
Vitesse de flux plus élevée-côté service.Une vitesse de vapeur ou d'eau chaude plus élevée augmente le coefficient du film côté service-et réduit la température des parois.
Collecteur de distribution de flux.Un collecteur de distribution de débit assure un débit uniforme à travers le faisceau de tubes, ce qui évite les points chauds localisés.
Comparaison des matériaux de tubes pour le service à l'acide sulfurique-à haute température
Le tableau suivant résume la température de paroi maximale autorisée et la durée de vie pour différents matériaux de tubes en PTFE en service avec de l'acide sulfurique à 98 % à un flux thermique de 1,5 W/cm².
| Matériau du tube | Conductivité thermique | Température du mur à 1,5 W/cm² | Durée de vie à 180 degrés | Durée de vie à 200 degrés | Durée de vie à 220 degrés |
|---|---|---|---|---|---|
| PTFE vierge | 0.25 W/m·K | 210 degrés | 10 à 15 ans | 5 à 8 ans | 2 à 3 ans |
| PTFE à haute-cristallinité | 0.26 W/m·K | 205 degrés | 12 à 18 ans | 6 à 10 ans | 3 à 4 ans |
| PTFE chargé en graphite- | 0.50 W/m·K | 165 degrés | 15 à 20 ans | 10 à 15 ans | 5 à 8 ans |
| PTFE chargé-de carbone | 0.65 W/m·K | 150 degrés | 15 à 20 ans | 12 à 18 ans | 8 à 12 ans |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 degrés | 8 à 12 ans | 4 à 6 ans | 1 à 2 ans |
Les valeurs de durée de vie sont des estimations basées sur des données de terrain et des tests en laboratoire. La durée de vie réelle varie en fonction de la chimie acide, des contraintes mécaniques et des pratiques d'exploitation.
Paramètres de spécification pour le service d’acide sulfurique
Les ingénieurs d'équipement spécifiant un échangeur de chaleur en PTFE pour un service avec de l'acide sulfurique doivent confirmer les paramètres suivants auprès du fournisseur.
Concentration acide.Précisez la concentration maximale et la plage attendue.
Contaminants oxydants.Précisez la concentration d’acide nitrique, d’acide chromique, de peroxyde d’hydrogène ou d’autres espèces oxydantes.
Température de fonctionnement.Spécifiez la température maximale de fonctionnement et le profil de température attendu.
Charge thermique et superficie.Précisez la charge thermique et la surface requise.
Flux de chaleur.Spécifiez le flux de chaleur maximum autorisé en fonction de la limite de température du mur.
Épaisseur de la paroi du tube.Spécifiez l'épaisseur de la paroi du tube en fonction du flux thermique et de la température de paroi admissible.
Matériau des tubes.Spécifiez le matériau du tube en fonction de la température de la paroi et du taux de dégradation.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Surveillance de la température.Spécifiez les capteurs de température et la méthode de surveillance pour suivre la température du mur.
Faire correspondre la température des murs aux exigences de durée de vie
La température de paroi maximale autorisée pour les tubes d'échangeur de chaleur en PTFE en service avec de l'acide sulfurique dépend de la concentration d'acide, des contaminants oxydants et de la durée de vie requise. En dessous du seuil de 180 à 200 degrés, le taux de dégradation est lent et la durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques. Au-dessus du seuil, le taux de dégradation augmente de façon exponentielle et la durée de vie du tube diminue rapidement avec l'augmentation de la température.
La température du mur doit être sélectionnée en fonction des exigences de durée de vie et du coût total de possession. Une température de paroi plus basse nécessite une plus grande surface ou un matériau de tube à conductivité plus élevée, ce qui augmente le coût d'investissement. Mais la température de paroi plus basse prolonge la durée de vie du tube et réduit les coûts de maintenance.
Pour les installations de service d'acide sulfurique évaluant les options d'échangeur de chaleur en PTFE, la température des parois doit être spécifiée dans les documents d'approvisionnement et vérifiée lors de la mise en service. La configuration par défaut fournie par le fabricant peut être optimisée pour la compacité plutôt que pour la durée de vie, et la température des parois qui en résulte peut dépasser le seuil de dégradation.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes en approvisionnement évaluant les spécifications de l'échangeur thermique en PTFE pour l'acide sulfurique ou tout autre service corrosif peuvent demander une revue de conception couvrant la concentration d'acide, les contaminants oxydants, la température de fonctionnement, le flux thermique, l'épaisseur de la paroi du tube et le matériau du tube pour confirmer que l'unité est adaptée aux conditions de service réelles et aux exigences de durée de vie de l'installation.
La température du mur qui détermine le mécanisme de dégradation
Une ligne d'anodisation à l'acide sulfurique fonctionnant à 20 degrés avec 15 % d'acide sulfurique nécessite un échangeur de chaleur pour le refroidissement. La température de la paroi du tube est proche de la température du procédé car le flux thermique est faible et l'eau de refroidissement n'est que quelques degrés en dessous du procédé. Le tube PTFE fonctionne entre 20 et 25 degrés, ce qui est bien en dessous de la température à laquelle tout mécanisme de dégradation devient actif. La durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques et la durée de vie est de 15 à 20 ans.
Une installation de traitement chimique concentrant l’acide sulfurique à 150 degrés nécessite un échangeur de chaleur pour le chauffage. La température de la paroi du tube est déterminée par le flux thermique et la résistance thermique de la paroi du tube. Pour un flux thermique de 2,0 W/cm² et une paroi de 0,8 mm, la température de la paroi est d'environ 215 degrés. À cette température, l'acide sulfurique attaque le PTFE à une vitesse mesurable et la durée de vie du tube est déterminée par la dégradation chimique plutôt que par des facteurs mécaniques.
Le seuil de température des parois entre ces deux régimes est d’environ 180 à 200 degrés pour le service à l’acide sulfurique. En dessous de ce seuil, la vitesse de dégradation est lente et la durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques. Au-dessus de ce seuil, le taux de dégradation augmente rapidement et la durée de vie du tube diminue avec l'augmentation de la température.
Le mécanisme de dégradation chimique au-dessus du seuil
La dégradation du PTFE dans l'acide sulfurique chaud se produit par l'oxydation des régions amorphes du polymère. L'acide sulfurique, particulièrement à haute concentration, est un puissant agent oxydant à température élevée. L'acide attaque les extrémités de la chaîne et les sites de défauts dans les régions amorphes, brisant les chaînes polymères et créant des fragments plus petits qui se dissolvent ou sont emportés par le fluide du procédé.
Le taux de dégradation augmente de façon exponentielle avec la température. Une augmentation de température de 10 degrés double environ le taux de dégradation. La différence entre 180 degrés et 220 degrés est un facteur 16 dans le taux de dégradation.
La dégradation n’est pas uniforme sur toute la paroi du tube. L'attaque démarre à la surface et se propage vers l'intérieur. La surface devient rugueuse et poreuse et la résistance mécanique diminue. La paroi du tube s’amincit avec le temps et finit par se rompre.
L'effet de la concentration d'acide
Le taux de dégradation dépend de la concentration en acide sulfurique. L'acide sulfurique dilué (en dessous de 50 %) a un potentiel d'oxydation inférieur à celui de l'acide concentré (au-dessus de 90 %). Le taux de dégradation dans l'acide sulfurique à 50 % à 200 degrés est environ la moitié du taux de l'acide sulfurique à 98 % à la même température.
L'effet de concentration est particulièrement important dans le service de concentration d'acide sulfurique, où la concentration d'acide augmente à mesure que l'eau s'évapore. Les tubes de l'échangeur de chaleur à l'extrémité concentrée du système présentent une concentration d'acide plus élevée et un taux de dégradation plus élevé que les tubes à l'extrémité diluée.
L'effet des contaminants oxydants
Le taux de dégradation est accéléré par les contaminants oxydants présents dans l’acide sulfurique. L'acide nitrique, l'acide chromique et le peroxyde d'hydrogène sont des contaminants courants qui augmentent le potentiel d'oxydation de l'acide. Même quelques pour cent d’acide nitrique peuvent augmenter le taux de dégradation d’un facteur de deux à trois.
Les contaminants affectent également la température maximale autorisée des murs. Dans l'acide sulfurique propre, le seuil est d'environ 200 degrés. Dans l'acide sulfurique contenant 5% d'acide nitrique, le seuil est d'environ 170 degrés. Dans l'acide sulfurique contenant 10 % d'acide nitrique, le seuil est d'environ 150 degrés.
Quantification de la température murale admissible
Le tableau suivant résume la température de paroi maximale autorisée pour différentes conditions de service à l'acide sulfurique, sur la base d'une durée de vie requise de 10 ans.
| Concentration d'acide | Contaminants oxydants | Température murale maximale autorisée | Taux de dégradation à la limite | Épaisseur de paroi de tube recommandée |
|---|---|---|---|---|
| 15 % H₂SO₄ | Aucun | 220 degrés | 0,05 mm/an | 0,8 mm |
| 30 % H₂SO₄ | Aucun | 210 degrés | 0,06 mm/an | 0,8 mm |
| 50 % H₂SO₄ | Aucun | 200 degrés | 0,07 mm/an | 0,8 mm |
| 70 % H₂SO₄ | Aucun | 190 degrés | 0,08 mm/an | 0,8 mm |
| 98 % H₂SO₄ | Aucun | 180 degrés | 0,10 mm/an | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 170 degrés | 0,10 mm/an | 1,0 mm |
| 50 % H₂SO₄ | 10% HNO₃ | 150 degrés | 0,12 mm/an | 1,0 mm |
| 98 % H₂SO₄ | 5% HNO₃ | 150 degrés | 0,15 mm/an | 1,2 mm |
Les valeurs de température de paroi maximales autorisées supposent une durée de vie requise de 10 ans et une épaisseur de paroi minimale autorisée de 0,3 mm. Les taux de dégradation sont basés sur les données de terrain provenant du service d'acide sulfurique et des tests en laboratoire.
L'interaction des contraintes mécaniques
La température de paroi maximale admissible est affectée par la contrainte mécanique exercée sur le tube. La combinaison des contraintes thermiques et des contraintes de pression réduit la température admissible car le taux de dégradation augmente avec la contrainte.
La contrainte mécanique a deux effets. Premièrement, la contrainte augmente la vitesse de diffusion de l'acide dans le PTFE en ouvrant les régions amorphes du polymère. Deuxièmement, la contrainte réduit la résistance mécanique du tube, ce qui réduit la perte de paroi admissible avant rupture.
L'effet de contrainte est particulièrement important au niveau des joints entre les tubes-et-la plaque tubulaire, où la concentration de contraintes est la plus élevée. La température de paroi maximale autorisée au niveau du joint est généralement inférieure de 10 à 20 degrés à celle du corps du tube.
Caractéristiques de conception qui réduisent la température du mur
Plusieurs caractéristiques de conception réduisent la température de la paroi du tube pour une charge thermique donnée.
Surface plus grande.Une plus grande surface réduit le flux de chaleur, ce qui réduit la température des parois. Une augmentation de 50 % de la surface réduit le flux thermique et la température des parois d'environ 33 %.
Paroi de tube plus fine.Une paroi plus fine réduit la résistance thermique et la température de la paroi pour un même flux thermique. Un mur de 0,5 mm a la moitié de la résistance thermique d'un mur de 1,0 mm.
Matériau du tube à conductivité plus élevée.Un composé de PTFE chargé avec une conductivité thermique de 0,5 W/m·K a la moitié de la résistance thermique de paroi du PTFE vierge.
Vitesse de flux de processus plus élevée.Une vitesse d'écoulement plus élevée augmente le coefficient du film côté processus-et réduit la température des parois.
Vitesse de flux plus élevée-côté service.Une vitesse de vapeur ou d'eau chaude plus élevée augmente le coefficient du film côté service-et réduit la température des parois.
Collecteur de distribution de flux.Un collecteur de distribution de débit assure un débit uniforme à travers le faisceau de tubes, ce qui évite les points chauds localisés.
Comparaison des matériaux de tubes pour le service à l'acide sulfurique-à haute température
Le tableau suivant résume la température de paroi maximale autorisée et la durée de vie pour différents matériaux de tubes en PTFE en service avec de l'acide sulfurique à 98 % à un flux thermique de 1,5 W/cm².
| Matériau du tube | Conductivité thermique | Température du mur à 1,5 W/cm² | Durée de vie à 180 degrés | Durée de vie à 200 degrés | Durée de vie à 220 degrés |
|---|---|---|---|---|---|
| PTFE vierge | 0.25 W/m·K | 210 degrés | 10 à 15 ans | 5 à 8 ans | 2 à 3 ans |
| PTFE à haute-cristallinité | 0.26 W/m·K | 205 degrés | 12 à 18 ans | 6 à 10 ans | 3 à 4 ans |
| PTFE chargé en graphite- | 0.50 W/m·K | 165 degrés | 15 à 20 ans | 10 à 15 ans | 5 à 8 ans |
| PTFE chargé-de carbone | 0.65 W/m·K | 150 degrés | 15 à 20 ans | 12 à 18 ans | 8 à 12 ans |
| PFA | 0.19 W/m·K | 230 degrés | 8 à 12 ans | 4 à 6 ans | 1 à 2 ans |
Les valeurs de durée de vie sont des estimations basées sur des données de terrain et des tests en laboratoire. La durée de vie réelle varie en fonction de la chimie acide, des contraintes mécaniques et des pratiques d'exploitation.
Paramètres de spécification pour le service d’acide sulfurique
Les ingénieurs d'équipement spécifiant un échangeur de chaleur en PTFE pour un service avec de l'acide sulfurique doivent confirmer les paramètres suivants auprès du fournisseur.
Concentration acide.Précisez la concentration maximale et la plage attendue.
Contaminants oxydants.Précisez la concentration d’acide nitrique, d’acide chromique, de peroxyde d’hydrogène ou d’autres espèces oxydantes.
Température de fonctionnement.Spécifiez la température maximale de fonctionnement et le profil de température attendu.
Charge thermique et superficie.Précisez la charge thermique et la surface requise.
Flux de chaleur.Spécifiez le flux de chaleur maximum autorisé en fonction de la limite de température du mur.
Épaisseur de la paroi du tube.Spécifiez l'épaisseur de la paroi du tube en fonction du flux thermique et de la température de paroi admissible.
Matériau des tubes.Spécifiez le matériau du tube en fonction de la température de la paroi et du taux de dégradation.
Exigence de durée de vie.Précisez la durée de vie prévue et le calendrier de remplacement.
Surveillance de la température.Spécifiez les capteurs de température et la méthode de surveillance pour suivre la température du mur.
Faire correspondre la température des murs aux exigences de durée de vie
La température de paroi maximale autorisée pour les tubes d'échangeur de chaleur en PTFE en service avec de l'acide sulfurique dépend de la concentration d'acide, des contaminants oxydants et de la durée de vie requise. En dessous du seuil de 180 à 200 degrés, le taux de dégradation est lent et la durée de vie du tube est déterminée par des facteurs mécaniques. Au-dessus du seuil, le taux de dégradation augmente de façon exponentielle et la durée de vie du tube diminue rapidement avec l'augmentation de la température.
La température du mur doit être sélectionnée en fonction des exigences de durée de vie et du coût total de possession. Une température de paroi plus basse nécessite une plus grande surface ou un matériau de tube à conductivité plus élevée, ce qui augmente le coût d'investissement. Mais la température de paroi plus basse prolonge la durée de vie du tube et réduit les coûts de maintenance.
Pour les installations de service d'acide sulfurique évaluant les options d'échangeur de chaleur en PTFE, la température des parois doit être spécifiée dans les documents d'approvisionnement et vérifiée lors de la mise en service. La configuration par défaut fournie par le fabricant peut être optimisée pour la compacité plutôt que pour la durée de vie, et la température des parois qui en résulte peut dépasser le seuil de dégradation.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes en approvisionnement évaluant les spécifications de l'échangeur thermique en PTFE pour l'acide sulfurique ou tout autre service corrosif peuvent demander une revue de conception couvrant la concentration d'acide, les contaminants oxydants, la température de fonctionnement, le flux thermique, l'épaisseur de la paroi du tube et le matériau du tube pour confirmer que l'unité est adaptée aux conditions de service réelles et aux exigences de durée de vie de l'installation.
