La question de l’évaluation de la pression
Un système de cuivrage acide à recirculation pompe l'électrolyte à travers une coque externe en PTFE-et-un échangeur de chaleur à tubes à une pression du système de 3 bars. La pompe peut atteindre une pression morte à 5,5 bars. Le côté vapeur fonctionne à 4 barg. La question de l'ingénieur des procédés : quelle est la pression de service maximale sûre pour les tubes en PTFE et ce système est-il dans les limites ?
Les pressions nominales des tubes PTFE ne sont pas des chiffres simples. Ils dépendent de la température, de l'épaisseur de la paroi, du diamètre du tube et du fait que la pression soit constante ou cyclique. Une cote valable à 25 degrés n'est pas valable à 80 degrés. Une évaluation de la pression statique peut ne pas s'appliquer au débit pulsé d'une pompe volumétrique.
Pression d'éclatement et pression de service
Les fabricants publient des données sur la pression d'éclatement des tubes en PTFE à température ambiante. La pression d'éclatement est la pression interne provoquant une défaillance catastrophique immédiate. La pression de service est une fraction de la pression d'éclatement, intégrant des facteurs de sécurité pour le déclassement en température, la fatigue cyclique et le fluage à long-terme.
Pour un tube en PTFE de 8 mm de diamètre extérieur × 1 mm à 25 degrés, la pression d'éclatement typique est de 40 à 50 bars. La pression de service recommandée avec un facteur de sécurité standard de 3:1 est de 13 à 16 bars à température ambiante. Cela semble suffisant pour un système à 3 barres.
La température change l’image. À 80 degrés, la résistance à la traction du PTFE diminue à environ 60 % de la valeur à température ambiante. La pression d'éclatement chute proportionnellement à 24-30 bars. La pression de service avec un facteur de sécurité de 3:1 devient 8 à 10 bars.
À 120 degrés, la résistance à la traction est d'environ 40 % de la température ambiante. La pression d'éclatement chute à 16-20 bars. La pression de service devient 5-7 bars. Un système de vapeur de 4 barg à 143 degrés se rapproche de cette limite.
Tableau 1 : Pressions nominales des tubes en PTFE par rapport à la température (diamètre extérieur de 8 mm × paroi de 1 mm)
| Température de fonctionnement (degré) | Env. Pression d'éclatement (bar) | Pression de service recommandée (bar, 3:1 SF) | Pression de vapeur appropriée (barg) |
|---|---|---|---|
| 25 | 45 | 15 | Jusqu'à 10 |
| 60 | 34 | 11 | Jusqu'à 6 |
| 80 | 27 | 9 | Jusqu'à 5 |
| 100 | 22 | 7 | Jusqu'à 4 |
| 120 | 18 | 6 | Jusqu'à 3 |
| 140 | 15 | 5 | Jusqu'à 2 |
Valeurs pour les tubes en PTFE vierge. Les notes réelles dépendent de la qualité spécifique de la résine et de la qualité de fabrication. Facteurs de déclassement basés sur les propriétés mécaniques du PTFE publiées en fonction des courbes de température.
Considérations sur la pression cyclique
Les systèmes de recirculation équipés de pompes volumétriques génèrent des pulsations de pression. Chaque pulsation est un cycle de fatigue miniature. Le PTFE présente une excellente résistance à la fatigue par flexion, mais une pression interne pulsée crée des cycles de contrainte circulaire qui diffèrent de la fatigue par flexion.
Pour les systèmes présentant des pulsations de pression importantes, un facteur de sécurité supplémentaire de 1,5 à 2,0 sur la pression de service est prudent. Un système à 3 bars avec une pulsation de ±1 bar doit être évalué par rapport au déclassement en fatigue, et pas seulement aux limites de pression statique.
Les serpentins flexibles en PTFE dans la boucle de recirculation subissent également une pression externe provenant du fluide pompé. La paroi du tube subit une pression différentielle entre l’intérieur et l’extérieur. Pendant le démarrage et l'arrêt de la pompe, les transitoires de pression peuvent brièvement dépasser les valeurs d'état stable-. La pression de service maximale recommandée doit s'adapter à ces transitoires sans approcher la limite de fatigue.
Limites de pression de conception du système
Le système de recirculation de cuivre acide décrit -fonctionnement à 3 bars, pression morte à 5,5 bars et vapeur à 4 barg - nécessite de vérifier les deux côtés de la paroi du tube en PTFE.
Côté process, la pression maximale est de 5,5 bars au point mort de la pompe. Le tube PTFE à une température de processus de 80 degrés (le cuivre acide fonctionne généralement à une température de 25 à 35 degrés, mais un chauffage localisé près de l'entrée de vapeur peut atteindre une température plus élevée) a une pression de service nominale de 9 bars. Le maximum de 5,5 bars est dans les limites.
Du côté de la vapeur, 4 barg à une température de saturation de 152 degrés poussent la température de la paroi du tube PTFE près de 140 degrés. La pression nominale de service à cette température est d'environ 5 bars. La pression de vapeur de 4 barg est dans les limites mais avec une marge de sécurité réduite.
La recommandation prudente : réduisez la pression de vapeur à 3 barg là où la marge de pression de service est plus confortable, ou spécifiez un tube à paroi de 1,2 mm pour une pression nominale accrue à température élevée.
Résumé
La pression de service maximale recommandée pour les échangeurs de chaleur flexibles en PTFE dépend de la température, de l'épaisseur de la paroi et du fait que la pression soit stable ou cyclique. Les températures ambiantes sont trompeuses pour le service chauffé. À 120-140 degrés, la pression nominale de service chute à 5-6 bars pour un tube à paroi de 1 mm.
Les systèmes de recirculation de cuivre acide fonctionnent généralement dans les limites de pression du PTFE, mais la sélection de la pression de vapeur doit tenir compte du déclassement en température. Le débit pulsé des pompes volumétriques garantit une marge de sécurité supplémentaire.
L'analyse technique de la pression nominale de l'échangeur de chaleur en PTFE dans des conditions de système spécifiques est disponible sur soumission des températures de fonctionnement, des pressions du procédé et du fluide caloporteur, du type de pompe, des spécifications des tubes et de toute donnée transitoire de pression.
