« Solutions WGPHE pour les milieux à haute viscosité et chargés de particules »

Les échangeurs de chaleur conventionnels échouent fréquemment lors du traitement de fluides à haute viscosité, de boues à haute teneur en solides et de milieux corrosifs en raison d'un encrassement et d'un blocage rapides. L'échangeur de chaleur à plaques soudées à large écart (WGPHE) présente des avantages techniques importants tels qu'une excellente performance anti-colmatage, une efficacité de transfert de chaleur élevée, une faible perte de pression, une résistance à la corrosion et une résistance à l'usure. Cet article analyse l'application du WGPHE dans les industries de l'aluminium, du sucre, des pâtes et papiers et du traitement des eaux usées chimiques, expliquant comment la structure à large canal sert de support essentiel pour assurer la continuité des processus et l'efficacité du transfert de chaleur.

1. Industrie de l'alumine: lutter contre l'érosion et l'entartrage dans le procédé Bayer

La production d'alumine est la pierre angulaire de l'industrie métallurgique moderne, et son procédé principal, le procédé Bayer, est un procédé chimique complexe impliquant une température élevée, une pression élevée, un alcali fort et un grand nombre de particules solides en suspension. Parmi eux, le processus de précipitation est le maillon essentiel qui détermine la qualité et le rendement du produit, et c'est également l'un des domaines présentant les défis les plus graves en matière d'exploitation et de maintenance des équipements d'échange thermique.

1.1 Caractéristiques du processus de l'étape de précipitation

Dans les réservoirs de précipitation, une liqueur d'aluminate de sodium diluée est nécessaire pour précipiter les cristaux de gibbsite sous température contrôlée. Ce processus s'accompagne d'un dégagement de chaleur important et nécessite un contrôle précis de la température pour réguler le taux de croissance des cristaux.

• Tartare: La liqueur d'aluminate de sodium est dans un état métastable sursaturé. Lorsque la vitesse du fluide près de la surface de transfert de chaleur diminue, formant des zones mortes, ou lorsque la différence de température est excessive, l'aluminate de sodium et le silicate de sodium se nucléent spontanément sur la paroi et se transforment en incrustation dure. Cette couche de tartre a une conductivité thermique extrêmement faible, ce qui non seulement entrave gravement le transfert de chaleur, mais continue également de s'épaissir, bloquant éventuellement les canaux d'écoulement.
• Érosion: Pour supprimer le tartre et la sédimentation des particules, le lisier doit maintenir une vitesse d'écoulement relativement élevée. Cependant, la boue met en suspension des germes de cristaux d’hydroxyde d’aluminium de haute dureté et des résidus de bauxite. Dans les échangeurs de chaleur traditionnels, le flux biphasique solide-liquide à grande vitesse agit comme un sablage liquide, récurant et impactant continuellement l'entrée, les courbures et les zones de contact des plaques des canaux de transfert de chaleur, entraînant une réduction rapide de l'épaisseur de paroi et même une perforation et une fuite de l'équipement.

1.2 Solution par SHPHE

Compte tenu des caractéristiques ci-dessus, Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. (SHPHE) a développé un WGPHE dédié aux boues de précipitation, sur la base de recherches en mécanique des fluides multiphasiques.

1.2.1 Avantages structurels de l'échangeur de chaleur à plaques vertical à grand écart

• Le lisier s'écoule verticalement, utilisant sa propre énergie cinétique et sa propre flottabilité pour maintenir les particules solides en suspension, formant ainsi un flux homogène.
• Les plaques sont situées de part et d'autre des canaux verticaux, ce qui réduit l'accumulation de phase solide dans les ondulations inférieures des plaques et rend moins probable l'entartrage.
• Associé à un système de nettoyage par ébullition alcaline, il réduit la fréquence de démontage et de nettoyage de l'échangeur thermique.

1.2.2 Avantages structurels de l'échangeur de chaleur à plaques horizontales à grand écart

• Un contrôle précis de la vitesse d'écoulement garantit que la vitesse inférieure est supérieure à la vitesse critique de suspension.
• La conception améliorée de l'ondulation des plaques favorise non seulement la formation de turbulences au fond du fluide, mais réduit également les zones stagnantes sur les plaques. -Démontage, nettoyage et entretien faciles.

1.2.3 Conception unique du distributeur d'entrée

Pour résoudre les problèmes d'érosion à l'entrée, SHPHE a développé un distributeur de fluide unique à l'entrée du lisier.

• Dissipation d'énergie et rectification du débit: ce dispositif tamponne le jet à grande vitesse du tuyau d'alimentation, éliminant les tourbillons locaux et les zones à haute pression.
• Distribution uniforme: il garantit un débit et une vitesse uniformes dans chaque canal le long de la largeur du paquet de plaques lorsque le lisier entre, empêchant ainsi la coexistence d'une érosion locale à grande vitesse et d'un tartre local à basse vitesse provoqué par une répartition inégale du débit.

1.2.4 Dossier de candidature

Dans le cadre d'un projet de rénovation technique d'une usine d'alumine à grande échelle, les refroidisseurs à calandre et tubes d'origine devaient être arrêtés pour un nettoyage à l'eau à haute pression toutes les 2 à 3 semaines, et la durée de vie des faisceaux de tubes était inférieure à un an. Après avoir été remplacé par le refroidisseur de boues à précipitation à grand espacement de SHPHE, le cycle de nettoyage a été prolongé jusqu'à 3 à 6 mois, réduisant considérablement les temps d'arrêt et la génération de déchets de nettoyage. En raison du taux de tartre considérablement réduit, le coefficient de transfert de chaleur moyen (valeur K) de l'équipement est resté élevé pendant le cycle de fonctionnement, ce qui a permis un contrôle plus précis de la température des réservoirs de précipitation et a amélioré directement la qualité de distribution granulométrique du produit d'alumine.

Comparaison des performances opérationnelles: WGPHE par rapport aux échangeurs tubulaires

2. Industrie du sucre et de la fermentation: manipulation de fibres à haute viscosité et de biomasse

Le traitement de la biomasse présente un double défi: les fibres biologiques qui obstruent les points de contact et la viscosité qui augmente de façon exponentielle lors de la concentration.

2.1 Industrie sucrière: les défis du bagacillo et des sirops à haute viscosité

Dans le processus de production du sucre de canne, le jus mélangé pressé contient une grande quantité de bagacillo, ce qui peut provoquer:

• Encrassement des fibres / blocage des fibres: Les points de contact ondulés des échangeurs thermiques à plaques conventionnels agissent comme des pièges à fibres. Une fois capturées, les fibres s’accumulent rapidement et forment un tapis de fibres dense, bloquant l’écoulement des fluides.
• Flux laminaire à haute viscosité: Le jus de sucre étant concentré en sirop ou en mélasse dans des évaporateurs multi-effets, sa viscosité peut atteindre des milliers de centipoises. Dans les échangeurs de chaleur tubulaires, ces fluides à haute viscosité ont tendance à former un écoulement laminaire, créant une couche limite thermique extrêmement épaisse près de la paroi du tube et réduisant considérablement l'efficacité du transfert de chaleur.

Solutions par SHPHE

• Canal d'écoulement libre de type S: Le WGPHE de SHPHE présente une conception de plaque spéciale avec une section transversale de canal lisse et ondulée, exempte de saillies pointues et de zones mortes. L'espace extra-large de 20 à 30 mm permet aux fibres longues de passer en douceur.
• Turbulence à faible nombre de Reynolds: le motif en écailles de poisson sur la surface de la plaque génère des flux secondaires tels que des vortex de Dean dans le sirop, même à une faible vitesse de seulement 0,2 à 0,3 m/s. Un tel mélange intense de fluides améliore le transfert de chaleur et empêche la caramélisation du sucre causée par une surchauffe locale.
• Utilisation de la cascade de chaleur résiduelle: grâce à son efficacité thermique élevée, l'équipement SHPHE peut utiliser de la vapeur résiduelle à basse température, seulement 60-70 °C, provenant de l'évaporateur à effet final pour préchauffer le jus brut, récupérant ainsi entièrement la chaleur résiduelle qui serait autrement évacuée et réduisant considérablement la consommation de vapeur fraîche.

2.2 Éthanol carburant: refroidissement de la purée et bio-encrassement

La purée de fermentation éthanolique est une bouillie complexe contenant des résidus de céréales, des cellules de levure, des protéines et de l'amidon non fermenté.

• Bio-encrassement: La matière organique forme facilement des biofilms sur les surfaces de transfert de chaleur à des températures appropriées. Ce film présente une résistance thermique extrêmement élevée, est très difficile à nettoyer et provoque même la corrosion de l'acier inoxydable.
• Caractéristiques des fluides non newtoniens: Mash se comporte généralement comme un fluide rhéofluidifiant. Dans les équipements conventionnels, une répartition inégale de la vitesse entraîne une viscosité locale excessive et une stagnation, formant des zones mortes.

Solutions par SHPHE

• Aucune zone morte pour le nettoyage: La construction entièrement soudée offre des surfaces internes lisses. Les liquides de nettoyage acides et alcalins à grande vitesse du système Clean-in-Place (CIP) peuvent récurer toutes les surfaces sans zones mortes, éliminant complètement les biofilms et empêchant la croissance bactérienne.
• Optimisation rhéologique: La conception des canaux est modifiée pour les fluides non newtoniens afin d'assurer une répartition uniforme du taux de cisaillement à l'intérieur des canaux d'écoulement, évitant les zones locales de forte viscosité et garantissant un refroidissement uniforme du moût.

3. Industrie des pâtes et papiers: Récupération de chaleur des eaux blanches

L’industrie papetière est généralement gourmande en énergie et en eau. La clé pour réduire la consommation d’énergie par tonne de papier réside dans la récupération de chaleur des eaux blanches et des liqueurs noires générées lors de la production.

3.1 Eau blanche de machine à papier: un mélange de fibres et de charges

L'eau blanche est évacuée de la section métallique de la machine à papier, contenant de fines fibres de cellulose, des charges et des additifs chimiques. Les échangeurs de chaleur conventionnels sont très sujets au dépôt de fibres et à l'encrassement, de sorte que les usines de papier n'osent généralement pas récupérer la chaleur de faible qualité, entre 45 et 55 °C, de l'eau blanche.

3.2 Solution par SHPHE

L'échangeur de chaleur à plaques à coussinets est formé par soudage au laser de deux tôles suivi d'un hydroformage, créant des saillies régulières en forme de coussin sur la surface avec des sections transversales d'écoulement qui se dilatent et se contractent périodiquement. Lorsque le fluide traverse les canaux à section variable, sa vitesse change périodiquement, générant une accélération et une décélération locales, entraînant un effet d'écoulement auto-turbulent. La structure à canaux larges offre un espace physique dégagé pour les fibres, tandis que les fluctuations de vitesse et le mélange turbulent provoqués par la section transversale variable maintiennent les fibres en suspension et culbutent à tout moment, rendant l'adhésion et le dépôt presque impossibles.

3.3 Dossier de candidature

Dans une usine de papier à grande échelle, les échangeurs de chaleur à plaques à coussinets de SHPHE sont installés à la sortie du réservoir d'eau blanche pour récupérer directement la chaleur de l'eau blanche pour chauffer de l'eau propre. L'équipement fonctionne en continu depuis un an sans blocage, réalisant avec succès une récupération de chaleur perdue.

4. Applications d'ingénierie environnementale

Les eaux usées chimiques, provenant par exemple des pesticides, des colorants et des produits pharmaceutiques, sont généralement caractérisées par une salinité élevée (TDS), une DCO (demande chimique en oxygène) élevée et une forte corrosivité.

• Anti-cristallisation et anti-sédimentation: Les sels cristallins ont tendance à précipiter lors de l'évaporation et de la concentration des eaux usées à forte salinité. Les larges canaux du WGPHE permettent aux particules cristallines de passer, tandis que le récurage à haut débit empêche le blocage des canaux. Pour les eaux usées contenant des boues huileuses, le large espace évite le pontage et l’accumulation de boues.
• Efficacité économique: comparé aux échangeurs de chaleur en graphite ou aux échangeurs à calandre en matériaux spéciaux, le WGPHE a un coefficient de transfert de chaleur plus élevé et nécessite moins de surface de transfert de chaleur. Par conséquent, lors de l’utilisation d’Hastelloy (C-276) ou d’un alliage titane-palladium, le coût global du matériau est inférieur et le rapport coût/performance est plus élevé.

Analyse comparative