Échangeur de chaleur spécial pour la production de sulfate de nickel(II)

Pour une fonderie de cuivre en Pologne, nous avons conçu et fabriqué un échangeur de chaleur à calandre et tubes spécialement destiné à une installation de production de sulfate de nickel(II). L’appareil chauffe un fluide de procédé contenant de l’acide sulfurique et des composés métalliques, en utilisant de la vapeur d’eau comme fluide chauffant. L’échangeur a été développé pour remplacer l’équipement en graphite précédemment utilisé.

Une nouvelle solution pour un procédé chimique exigeant

Les installations utilisées dans les industries métallurgique et chimique fonctionnent souvent avec des fluides chimiquement agressifs, à des températures élevées et dans des conditions de procédé variables. Dans de telles applications, un échangeur de chaleur doit garantir non seulement les performances thermiques requises, mais également la stabilité du procédé, l’étanchéité de la construction et la sécurité d’exploitation.

Dans l’installation décrite, l’appareil sert à chauffer un fluide de procédé contenant de l’acide sulfurique et des composés métalliques. L’énergie thermique est fournie par de la vapeur d’eau.

Le projet couvrait l’ensemble du processus de réalisation : depuis l’élaboration du concept technique et la sélection des matériaux, en passant par les calculs et la fabrication, jusqu’aux essais, à la livraison et à la validation des performances de l’appareil dans les conditions réelles d’exploitation.

Défi technologique

L’échangeur de chaleur devait être intégré dans une installation existante utilisée pour la production de sulfate de nickel(II). L’appareil devait être adapté aussi bien aux paramètres thermiques requis qu’à l’espace disponible et à la configuration existante des raccordements.

Les principales exigences du projet comprenaient :

le fonctionnement avec un fluide de procédé acide contenant des composés métalliques ;
le chauffage stable du fluide de procédé à l’aide de vapeur d’eau ;
le maintien de la température de procédé requise ;
la possibilité de faire fonctionner le côté calandre sous vide total ;
l’adaptation de l’échangeur de chaleur aux infrastructures existantes ;
la garantie de l’étanchéité et de la sécurité d’exploitation ;
la livraison de l’appareil dans les délais permettant son installation pendant l’arrêt de maintenance programmé de l’usine.

La validation des performances thermiques réelles de l’échangeur après sa mise en service constituait également un élément essentiel du projet.

Échangeur de chaleur à calandre et tubes conçu sur mesure

Hexonic a conçu un échangeur de chaleur vertical à calandre et tubes, dont les tubes et la calandre ont été fabriqués en acier inoxydable de nuance 1.4571. Le matériau a été sélectionné en fonction des paramètres et des conditions de fonctionnement propres à cette installation de procédé.

La conception de l’appareil a été adaptée aux éléments suivants :

les propriétés du fluide de procédé ;
la puissance thermique requise ;
l’espace d’installation disponible ;
les raccordements de procédé existants ;
le fonctionnement sous vide côté calandre ;
les exigences relatives au transport et au montage.

La fourniture de Hexonic comprenait la conception technique, les calculs thermiques et hydrauliques, les calculs de résistance mécanique, la sélection des matériaux, la préparation de la documentation de fabrication, la production, le contrôle qualité, les essais requis ainsi que la livraison de l’appareil complet.

Paramètres techniques de l’échangeur de chaleur

Type d’appareil : échangeur de chaleur vertical à calandre et tubes
Surface d’échange thermique : 76,5 m²
Matériau des tubes : 1.4571
Matériau de la calandre : 1.4571
Température maximale admissible : 180 °C
Pression maximale admissible : 10 bar
Conditions de vide côté calandre : vide total jusqu’à –1 bar(g)
Fluide de procédé : fluide contenant de l’acide sulfurique et des composés métalliques
Fluide chauffant : vapeur d’eau
Poids à vide : 5 360 kg
Poids en fonctionnement, appareil rempli : 9 078 kg
Année de réalisation : 2026

Mise en service contrôlée de l’installation

La mise en service a commencé par le remplissage du système avec le fluide de procédé et par le chauffage progressif des équipements. De la vapeur d’eau a ensuite été introduite dans l’échangeur de chaleur.

Lors de la première phase, le débit massique de vapeur a été porté à environ 3 Mg/h. Après stabilisation des conditions de fonctionnement, il a été progressivement augmenté jusqu’à environ 6 Mg/h. Au cours de cette période, la température du fluide de procédé est passée d’environ 90 °C à 120 °C.

Les résultats ont confirmé que l’échangeur de chaleur réagissait correctement à l’augmentation de la charge thermique et permettait d’atteindre la température de procédé requise.

Essai de validation des performances garanties

L’essai proprement dit de validation des performances garanties a été réalisé en continu pendant 24 heures. Durant l’essai, le débit massique de vapeur a été maintenu à environ 6 Mg/h.

La température du fluide de procédé en sortie de l’échangeur est restée stable, entre 118 °C et 119,8 °C. La plage de température de procédé requise était comprise entre 116 °C et 124 °C.

Résultats de l’essai

Durée de fonctionnement continu : 24 heures
Débit massique de vapeur : environ 6 Mg/h
Température de sortie du fluide de procédé : 118–119,8 °C
Plage de température requise : 116–124 °C
Résultat de l’essai : positif

Résultat du projet

L’essai a confirmé que l’échangeur de chaleur :

satisfait aux exigences en matière de performances thermiques ;
garantit une température de procédé stable ;
peut fonctionner en continu avec le débit de vapeur requis ;
dispose d’une marge de puissance thermique suffisante ;
fonctionne correctement avec l’installation de procédé existante ;
respecte les paramètres de procédé définis par le client.

Le résultat positif de l’essai a confirmé que l’échangeur de chaleur à calandre et tubes conçu sur mesure pouvait remplacer efficacement la solution précédemment utilisée dans cette installation.

Échangeurs de chaleur pour fluides de procédé agressifs

La sélection d’un échangeur de chaleur destiné à un fluide contenant de l’acide sulfurique nécessite toujours une analyse individuelle de la composition chimique, de la concentration, de la température, de la pression, du débit ainsi que de la présence éventuelle d’autres composés ou de matières en suspension.

Hexonic conçoit des échangeurs de chaleur industriels adaptés aux conditions de fonctionnement spécifiques de chaque installation. Le processus de réalisation peut comprendre l’analyse de l’application, les calculs thermiques et mécaniques, la sélection des matériaux, la préparation de la documentation technique, la fabrication, les essais ainsi que la validation des performances lors de la mise en service.

Quel type d’échangeur de chaleur peut être utilisé avec un fluide contenant de l’acide sulfurique ?

Le type d’échangeur de chaleur et le matériau de construction doivent être sélectionnés en fonction de la concentration de l’acide, de la température, de la pression, du débit ainsi que de la présence d’autres composés chimiques. Dans l’installation décrite, un échangeur de chaleur à calandre et tubes conçu sur mesure, fabriqué en acier inoxydable de nuance 1.4571, a été utilisé.

Quel fluide chauffant a été utilisé dans l’échangeur de chaleur ?

La vapeur d’eau est utilisée comme fluide chauffant. Lors de l’essai de validation des performances garanties, le débit massique de vapeur était d’environ 6 Mg/h.

L’échangeur de chaleur peut-il fonctionner sous vide ?

Oui. Le côté calandre de l’échangeur de chaleur a été conçu pour fonctionner sous vide total, jusqu’à –1 bar(g).

Comment les performances thermiques de l’appareil ont-elles été confirmées ?

Les performances thermiques ont été confirmées au cours d’un essai continu de 24 heures réalisé dans les conditions réelles de production. La température du fluide de procédé en sortie de l’échangeur est restée dans la plage de fonctionnement requise.

Un échangeur de chaleur à calandre et tubes peut-il remplacer un échangeur en graphite ?

Dans l’application décrite, l’échangeur de chaleur à calandre et tubes a été conçu pour remplacer l’échangeur en graphite précédemment utilisé. Toutefois, toute modernisation de ce type nécessite une analyse individuelle des conditions de procédé et de la compatibilité des matériaux.

Avez-vous besoin d’un échangeur de chaleur pour un procédé exigeant ?

Transmettez-nous les informations relatives au fluide, aux températures, aux débits, à la pression et aux conditions d’installation. Sur la base de ces données, nous développerons une solution adaptée aux exigences technologiques et à l’installation existante.