El desafío de la exposición al aire libre
Las plantas hidrometalúrgicas instalan intercambiadores de calor al aire libre. Los circuitos de extracción por solventes de cobre, lixiviación de laterita de níquel y circuitos CIP de oro operan bajo refugios abiertos-o completamente expuestos al sol, la lluvia y los cambios de temperatura. Los cabezales del intercambiador de calor-los colectores que conectan los haces de tubos con las tuberías de proceso-enfrentan las condiciones más duras.
La luz del sol emite radiación ultravioleta que degrada los polímeros. Los ciclos diarios de temperatura, desde noches casi-congeladas hasta tardes de 40 grados, crean tensiones de expansión térmica. El viento-lluvia y el polvo arrastrados erosionan las superficies. Las actividades de mantenimiento exponen el equipo a impactos accidentales de herramientas y equipos móviles.
El diseño del cabezal debe proteger las uniones del tubo-con-el cabezal y al mismo tiempo sobrevivir a estas condiciones durante décadas. Compiten tres enfoques de diseño: todos los-cabezales de PTFE, cabezales de PVDF y cabezales de PTFE-con armadura metálica. Cada uno maneja el ambiente exterior de manera diferente.
Opciones de diseño de cabeza
Todos los-cabezales de PTFE utilizan el mismo fluoropolímero que el tubo. La compatibilidad química es idéntica. Toda la superficie mojada resiste los ácidos del proceso. Pero el PTFE tiene una rigidez mecánica baja. Las grandes estructuras de cabeza sin soporte pueden deslizarse o deformarse bajo cargas sostenidas. Las conexiones de brida atornilladas requieren una gestión cuidadosa del par para evitar fugas a medida que el PTFE fluye en frío-.
Los cabezales de PVDF ofrecen mayor rigidez y resistencia que el PTFE. El material se mecaniza fácilmente en formas complejas de cabezales. La resistencia química es buena, pero no universal.-El PVDF es atacado por cáusticos fuertes, ciertos solventes y ácidos humeantes por encima de los 120 grados. Para aplicaciones hidrometalúrgicas que involucran ácido sulfúrico a temperaturas moderadas, el PVDF proporciona una resistencia química adecuada con propiedades mecánicas superiores.
Los cabezales blindados-de metal encierran un revestimiento de PTFE dentro de una carcasa estructural de acero o FRP. El revestimiento proporciona resistencia química. La carcasa proporciona resistencia mecánica. Este diseño híbrido combina lo mejor de ambos materiales. La penalización es un mayor costo y una fabricación más compleja.
Tabla 1: Comparación de diseños de cabezales para instalaciones de intercambiadores de calor de PTFE para exteriores
| Diseño de cabeza | Resistencia a los rayos UV | Tolerancia al ciclo térmico | Resistencia al impacto | Compatibilidad química | Costo relativo |
|---|---|---|---|---|---|
| Todo-PTFE | Excelente (sin degradación) | Bueno (flexible, poco estrés) | Pobre (fácilmente dañado) | Universal | Moderado |
| PVDF | Bueno (se requieren estabilizadores UV) | Moderado (más rígido, mayor estrés térmico) | Bien | Limitado (evitar cáusticos y disolventes fuertes) | Bajo-Moderado |
| Metal-blindado (acero/PTFE) | Excelente (protectores metálicos UV) | Excelente (el acero controla el estrés) | Excelente | Universal (revestimiento de PTFE) | Alto |
| Blindado-metálico (FRP/PTFE) | Excelente (el FRP protege los rayos UV) | Bueno (la expansión térmica del FRP coincide mejor con el PTFE) | Bien | Universal (revestimiento de PTFE) | Alto |
El mecanismo de degradación UV
Los polímeros desprotegidos se degradan bajo la luz ultravioleta solar mediante foto-oxidación. Las cadenas de polímero se rompen, provocando fragilidad, decoloración y eventual agrietamiento. El PTFE es excepcionalmente resistente. El enlace carbono-flúor es más fuerte que la energía de los fotones ultravioleta en el espectro solar terrestre. El PTFE no requiere estabilizadores UV y no se degrada después de décadas de exposición total-al sol.
El PVDF absorbe algunos rayos UV y requiere negro de humo u otros aditivos estabilizadores. El PVDF adecuadamente estabilizado dura años al aire libre, pero se produce tiza en la superficie y pérdida gradual de propiedades. El PVDF no estabilizado puede volverse quebradizo en unos meses.
Los cabezales blindados-de metal eliminan por completo la exposición a los rayos UV del revestimiento interno de polímero. La carcasa de acero o FRP absorbe todos los rayos UV. El revestimiento sólo ve fluido de proceso.
Ciclos térmicos e impacto mecánico
Las instalaciones exteriores experimentan ciclos térmicos diarios. El PTFE tiene un alto coeficiente de expansión térmica-aproximadamente 10 veces mayor que el del acero. Todas las-cabezas de PTFE se expanden y contraen significativamente. La flexibilidad del PTFE se adapta a este movimiento si las conexiones de las tuberías incluyen funciones de expansión. Todos los-cabezales de PTFE montados rígidamente desarrollan tensión en las conexiones.
PVDF tiene un coeficiente de expansión más bajo, más cercano al acero. Las tensiones térmicas son menores. Las conexiones atornilladas mantienen mejor el torque a través de los ciclos de temperatura.
Los cabezales blindados-de metal utilizan la carcasa de acero para gestionar la expansión térmica. El revestimiento de PTFE flota en el interior, aislado de las cargas estructurales. Las conexiones bridadas son de acero-a-acero, lo que elimina los problemas de fluencia del polímero.
La resistencia al impacto es importante durante el mantenimiento. Una llave que se cae puede romper una cabeza totalmente de-PTFE. PVDF resiste mejor el impacto. Las cabezas blindadas de metal-son esencialmente indestructibles en el manejo industrial normal.
Resumen
El diseño del cabezal del intercambiador de calor de PTFE para servicios hidrometalúrgicos en exteriores equilibra la resistencia a los rayos UV, la tolerancia a los ciclos térmicos y la durabilidad mecánica. Todos los-cabezales de PTFE proporcionan compatibilidad química universal y excelente resistencia a los rayos UV, pero una robustez mecánica limitada. El PVDF ofrece mejor rigidez y resistencia al impacto con una compatibilidad química adecuada para la mayoría de los procesos basados en ácido sulfúrico-. Los diseños blindados de metal-proporcionan máxima durabilidad a un mayor costo.
Para instalaciones permanentes en exteriores con requisitos de alta confiabilidad, se prefieren los cabezales con blindaje metálico- o totalmente-PTFE. PVDF se adapta a aplicaciones menos críticas con exposición química moderada.
Las recomendaciones de ingeniería para la selección del diseño del cabezal del intercambiador de calor de PTFE están disponibles previa presentación de la química del proceso, el rango de temperatura ambiente, la exposición al sol, la evaluación de riesgos mecánicos y las especificaciones de conexión de tuberías.
