Problemet med pumpkostnaden i urlakningskretsar
Hydrometallurgiska lakningskretsar flyttar aggressiva syralösningar genom kilometer av rör, reaktorer och värmeväxlare. Pumpkostnaderna utgör en stor driftskostnad. Varje tryckfall över en värmeväxlare ökar energiräkningen.
Metalliska värmeväxlare utvecklar inre ytråhet när korrosion fortskrider. Det som börjar som en slät tubinredning försämras till en gropig, skalad yta med friktionsfaktorer som är multiplar högre än designvärdena. Pumpens utloppstryck stiger för att bibehålla flödet. Energiförbrukningen stiger. Så småningom kan kretsen inte uppnå designflödeshastigheter utan pumpuppgraderingar.
Problemet förvärras med tiden. Korrosion ruggar upp ytorna. Grova ytor ökar friktionen. Högre friktion kräver mer pumpenergi. Återkopplingsslingan accelererar tills underhållsingrepp ersätter växlaren.
Ytjämnhet och friktionsfaktor
Tryckfallet i värmeväxlarrören följer Darcy-Weisbach-relationen. För turbulent flöde beror friktionsfaktorn på ytjämnhet i förhållande till rördiameter. Ett nytt rostfritt stålrör med 0,0015 mm grovhet har en Darcy-friktionsfaktor på cirka 0,019. Efter två år i syralakningstjänst ökar ytgropningen ojämnheten till 0,05 mm, vilket nästan fördubblar friktionsfaktorn.
Följden nedströms är ökat pumptrycksbehov. En krets konstruerad för 3 bars tryckfall genom värmeväxlaren vid installation kan kräva 5 bar efter att korrosion gjort ytan ruggig. Pumpen måste arbeta hårdare och förbruka 60-70 % mer energi för samma flöde.
Tabell 1: Jämförelse av ytjämnhet och tryckfall i värmeväxlare för lakkrets
| Rörmaterial | Initial grovhet (mm) | Grovhet efter 2 år (mm) | Relativt tryckfall ökar |
|---|---|---|---|
| SS 316L i HCl läckage | 0.0015 | 0.05 - 0.10 | 60 - 90% |
| Titan i H₂SO4 urlakning | 0.0015 | 0.02 - 0.04 | 30 - 50% |
| PTFE (jungfrulig) | 0.0013 | 0.0013 | 0% |
Data från publicerade rörfriktionstabeller och fältmätningar i koppar- och nickellakningsoperationer.
PTFE Smooth-Bore-fördelen
PTFE-rör har en initial ytjämnhet på cirka 0,0013 mm, jämförbart med dragna metallrör. Den kritiska skillnaden är att denna grovhet aldrig ökar. PTFE korroderar inte, gropar eller kalkar inte. Den inre ytan efter fem års syraservice är identisk med ytan dag ett.
Den låga ytenergin hos PTFE ger en ytterligare driftsfördel. Avlagringar-bildande föreningar som fäster på metallytor tenderar att smälta av PTFE. Kalciumsulfat, metallhydroxider och andra fällningar finner färre kärnbildningsställen på fluorpolymerytan.
Tryckfallet över en PTFE-värmeväxlare förblir stabilt under hela dess livslängd. Beräkningar av pumpstorlek som gjorts vid installationen gäller år senare. Energiförbrukningen för pumpning glider inte uppåt. Kretsflödet förblir vid designvärden utan ökade pumphastighetsökningar.
Layoutflexibilitet minskar systemets tryckfall
Långa-lakningskretsar kräver ofta värmeväxlare på platser som begränsas av befintliga strukturer, tankarrangemang och rördragningar. Metalliska växlare med fast skal-och-rörskonfigurationer tvingar fram rörledningskompromisser som ger böjar, krökar och extra längd.
Flexibla PTFE-doppslingor kan konfigureras för att passa direkt i befintliga tankar eller kanaler, vilket eliminerar externa skal-och-rörväxlare och deras tillhörande rörtrycksfall helt. Spolen sänks helt enkelt ner i laklösningen. Det enda tryckfallet är den interna ång- eller varmvattenkretsen, som är minimal.
När externa PTFE-värmeväxlare krävs, förenklar lätta fluorpolymerbuntar stödstrukturer och minskar behovet av tunga rörstativ och expansionsslingor som är vanliga med metallväxlare i långa körningar.
Fältobservationer från en kopparläckageoperation
En anläggning för extraktion av lösningsmedelsextraktion av kopparhög ersatte två värmeväxlare av rostfritt stål med skal-och-rör med PTFE-doppslingor placerade direkt i tankarna för urlakningslösning. De rostfria växlarna hade utvecklat inre grovhet under tre år, vilket ökade kretsens tryckfall från 2,8 bar till 4,6 bar.
Pumpenergiförbrukningen hade ökat med 55 % under samma period. Efter-byte återgick kretsens tryckfall till 2,7 bar med PTFE-spolar. Pumpens energiförbrukning sjönk tillbaka till nära-originalnivåer. Enbart årliga besparingar av pumpelektricitet återvann 40 % av PTFE-spolens kapitalkostnad under det första året.
Sammanfattning
Korroderade metalliska värmeväxlare ökar tryckfallet i lakningskretsarna genom progressiv ytuppruggning. Högre friktion kräver mer pumpenergi, vilket höjer driftskostnaderna kontinuerligt fram till utbyte.
PTFE värmeväxlare bibehåller sin initiala släta yta på obestämd tid. Tryckfallet förblir konstant. Pumpens energiförbrukning avviker inte. Flexibiliteten i konfigurationer av doppslingor kan eliminera externa växlartryckfall helt genom att placera värmeöverföringsytan direkt i processtankar.
För lakningsoperationer som utvärderar utbyte av värmeväxlare finns teknisk analys tillgänglig vid inlämnande av aktuella kretstryckfallsdata, flödeshastigheter, laklösningskemi och tillgängliga värmemediumspecifikationer.
