Bouchons à bulles en PVDF pour colonnes de distillation

1 juin 2023 | Par Sachin Upadhye, Arkema ; et Himanshu Mistry, Sangir Plastics

Les composants polymères dans les plateaux de colonne peuvent éviter les problèmes associés à la corrosion des équipements métalliques

Gujarat Alkalies & Chemicals Ltd. (GACL) – un important producteur de produits chimiques dans l'État du Gujarat, dans l'ouest de l'Inde – était confronté à des problèmes de corrosion avec ses colonnes de distillation. Dans les applications de traitement chimique, les colonnes de distillation sont souvent utilisées pour séparer et récupérer les solvants et les acides. Bien que ces produits chimiques varient, de nombreux systèmes de distillation rencontrent des problèmes de corrosion s'ils ne sont pas conçus correctement pour des applications à long terme. Ces colonnes utilisent généralement des composants métalliques, mais les conditions acides sévères requises pour cette application n'étaient pas adaptées aux métaux. Et bien que les métaux puissent supporter des températures élevées et avoir une bonne résistance physique, ils peuvent être sensibles aux attaques rapides des conditions acides et aux changements rapides de concentration d'acide. Dans les cas où des acides forts sont présents et lorsque les concentrations d'acide peuvent changer dans le système, les composants polymères peuvent être une option viable pour prévenir la corrosion et éviter la rouille. Cette étude de cas décrit un projet où les bouchons à bulles métalliques dans les plateaux de colonne de distillation ont été remplacés par des bouchons à bulles fabriqués à partir de résine de fluorure de polyvinylidène (PVDF) (Figure 1) dans le but de résoudre les problèmes de corrosion avec les bouchons métalliques dans une usine d'acide phosphorique.

FIGURE 1. Les bouchons à bulles des plateaux de distillation fabriqués à partir de résine de fluorure de polyvinylidène (PVDF) peuvent être une option viable dans les cas où les composants métalliques sont soumis à une attaque acide

L'objectif principal de la colonne de distillation est de séparer, récupérer et éliminer les composés organiques volatils (COV), les solvants et autres substances plus légères que l'eau, qui peuvent être présentes dans le flux. Pendant de nombreuses années, les colonnes de distillation ont utilisé des calottes à bulles en acier inoxydable SS-304 et SS-316, mais les calottes à bulles en acier inoxydable se corrodent en présence de certains produits chimiques, tels que les amines, les chlorures et les cétones, car les zones affectées par la chaleur ont tendance à subir une fissuration par corrosion sous contrainte amine ou une fissuration par corrosion sous contrainte chlorure, même à des températures plus basses. De plus, les bouchons à bulles en acier inoxydable sont plus volumineux (en poids). Pour cette raison, la colonne de distillation doit être surdimensionnée et les coûts d'investissement sont élevés. Une autre option pour éviter la corrosion consiste à utiliser des bouchons à bulles en polymère renforcé de fibres (FRP). Il s'agit d'une solution peu coûteuse, mais ils doivent être fréquemment remplacés en raison du délaminage, ce qui entraîne une fragilisation et une défaillance.

La décision de passer d'une construction métallique au PVDF a été motivée par l'utilisation d'acide phosphorique dans les usines. Les systèmes de distillation précédents utilisant des composants métalliques avaient subi de la corrosion, et la résolution du problème est devenue essentielle pour GACL afin de maintenir l'usine en marche. Lorsque GACL a cherché à résoudre les problèmes liés à la corrosion dans les colonnes de distillation de son usine d'acide phosphorique de qualité alimentaire, le consultant du projet Worley India a recommandé de remplacer les bouchons à bulles métalliques conventionnels dans les plateaux de colonne par des bouchons à bulles en Kynar PVDF. Sangir Plastics Pvt. est l'un des principaux utilisateurs de la matière première Kynar PVDF et est également l'un des principaux producteurs de produits thermoplastiques personnalisés. Ils ont pu fabriquer avec succès des bouchons à bulles en utilisant des résines PVDF Kynar. Le fabricant auquel les produits ont été fournis était Dolf Industries Pvt. Ltd Vadodara Gujarat.

FIGURE 2. Les composants en PVDF peuvent résister à une large gamme de conditions de pH

Le Kynar PVDF est connu pour sa résistance à une large gamme de solvants et d'acides. Les homopolymères Kynar PVDF sont connus pour résister à des valeurs de pH <1 à 12, tandis que les copolymères Kynar Flex PVDF gèrent une plage de pH plus large, de <<1 à 13,5. Les paramètres de fonctionnement dictent l'utilisation de thermoplastiques techniques, tels que le PVDF, et sur la base des conditions de service et des caractéristiques chimiques, le Kynar PVDF a été sélectionné pour ce projet comme le matériau de construction le plus approprié et le plus compatible. GACL a réalisé des économies grâce au poids plus léger des matériaux PVDF et a également pu optimiser les conditions critiques du procédé en utilisant des températures et des pressions plus basses.

Les calottes à bulles en PVDF Kynar ont été fabriquées à partir de la matière première Kynar fournie par Arkema. Le processus de fabrication impliquait l'extrusion, le moulage par injection et la fabrication. Le processus de fabrication impliquait également un haut degré de précision, d'exactitude, de finition et de travail dans des tolérances dimensionnelles très étroites. Les colonnes de distillation nécessitent une telle précision pour dissoudre uniformément les fumées et les liquides. Arkema a non seulement fourni son expertise dans la fabrication du bouchon à bulles en PVDF Kynar, mais a également répondu à ces exigences strictes et a formulé des recommandations détaillées sur les processus de fabrication pour garantir que les bouchons répondent aux exigences de qualité élevées du projet. Ce projet était la première fois qu'un tel produit était fabriqué et fourni par moulage par injection, fabrication et fusion bout à bout pour produire un produit hautement sophistiqué. Un grand nombre de bouchons à bulles ont été fournis avec succès dans des conditions de contrôle de qualité strictes.

Les polymères de haute valeur sont légers et peuvent être facilement fabriqués avec des outils de coupe et de soudage à chaud. Cela facilite à la fois le processus et les coûts d'installation.

Les bouchons à bulles en PVDF Kynar font partie des assemblages de plateaux à bouchons à bulles (Figure 3) utilisés dans une colonne de distillation pour les applications à basse température et basse pression (P/T). Dans les plateaux à bouchons à bulles, la vapeur s'écoulant à travers la tour entre en contact avec le liquide en passant à travers les bouchons à bulles. Chaque ensemble bubble-cap se compose d'une colonne montante et d'un capuchon. La vapeur qui monte à travers la colonne passe par la colonne montante dans le fond du plateau, puis est dirigée vers le bas pour bouillonner dans le liquide entourant le bouchon. En raison de leur conception, les plateaux à bouchons à bulles ne peuvent pas suinter ni fuir de liquide distillé. Cette conception convient au rendement dans des conditions de basse pression et de basse température. Cependant, le bouchon à bulles doit être conçu et fabriqué avec un soin extrême pour s'assurer que chaque bouchon à bulles fonctionne avec le même facteur d'efficacité. Ainsi, les calottes à bulles doivent être exactement identiques, avec les mêmes tolérances dimensionnelles.

FIGURE 3. Dans les plateaux à bouchons à bulles, la vapeur montant à travers la colonne est tournée vers le bas pour faire des bulles à travers le liquide entourant le bouchon

Les calottes à bulles Kynar PVDF sont utilisées dans les colonnes de distillation fonctionnant à basse pression et température, car elles constituent une bonne alternative aux calottes à bulles en acier inoxydable ou FRP. Les bouchons à bulles en PVDF offrent une longue durée de vie car le produit peut résister à des températures allant jusqu'à 130°C (266°F) et sont inertes à la majorité des solvants et catalyseurs trouvés dans les colonnes de distillation.

Edité par Scott Jenkins

Sachin Upadhye est business manager au sein de l'unité Polymères Haute Performance d'Arkema en Inde (Email : [email protected]). Il détient des diplômes d'études supérieures en chimie et en technologie de la peinture. Upadhye a 29 ans d'expérience dans les applications industrielles et la sélection de matériaux.

Himanshu Mistry est responsable du développement commercial et du marketing chez Sangir Plastics en Inde (Email : [email protected]). Il a plus de 20 ans d'expérience en ingénierie dans le secteur de la chimie industrielle, à la tête de nombreuses sociétés d'ingénierie multinationales indiennes.