Severo

Guardar para leer la lista Publicado por Callum O'Reilly, editor sénior Ingeniería de hidrocarburos, lunes 16 de agosto de 2021 11:50

Según el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), el reformado de gas natural o reformado de metano con vapor (SMR) representa actualmente el 95 % del hidrógeno producido en EE. UU.; Podría decirse que es uno de los métodos más rentables y energéticamente eficientes, si no el más, para fabricar hidrógeno.

Figura 1. Descripción general de un proceso típico de SMR.

La Figura 1 muestra una descripción general de un proceso típico de SMR. SMR se considera un proceso de producción maduro en el que una fuente de metano (es decir, gas natural, biogás, gas de síntesis, etc.) reacciona endotérmicamente con vapor a alta temperatura en presencia de un catalizador para producir hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono:

CH4 + H2O (+ calor) → CO + 3H2

Posteriormente, el monóxido de carbono y el vapor reaccionan en presencia de un catalizador para producir hidrógeno y dióxido de carbono adicionales con respecto a la reacción de 'desplazamiento agua-gas':

CO + H2O → CO2 + H2 (+ calor)

Finalmente, el gas hidrógeno se purifica mediante adsorción por oscilación de presión (PSA), que elimina el dióxido de carbono y otras impurezas. A menudo, existirá una planta de amoníaco aguas abajo de la planta de hidrógeno, en la que el hidrógeno reacciona con nitrógeno para producir amoníaco.

La combinación de altas temperaturas y presiones da como resultado un entorno de servicio severo que presenta desafíos significativos para los requisitos de aislamiento de fluidos. En el reformador y el generador de vapor, las temperaturas y presiones pueden alcanzar o superar los 1500°F y 1500 psig respectivamente. Estas temperaturas y presiones elevadas prevalecen en varios módulos y aplicaciones dentro del proceso SMR, incluido el reformador, el agua de alimentación de la caldera, las líneas de gas de alimentación, las bridas del tambor de vapor, las aplicaciones de purga y las aplicaciones de purga.

Más allá de la isla SMR y en la sección de amoníaco de la planta, estos desafíos de temperatura y presión también persisten en las aplicaciones de nitrógeno; por ejemplo, las válvulas de suministro de nitrógeno a los compresores y los cabezales de antorcha pueden alcanzar o superar los 4000 psig a 400 °F.

A medida que el mundo avanza en iniciativas de energías renovables, el hidrógeno ha cobrado un gran impulso como un "pilar estratégico" para la transición energética, ya que es una molécula de combustión limpia y un sustituto potencial de los combustibles fósiles. Combinado con las tecnologías de captura y secuestro de carbono (CCS), el proceso SMR permite la conversión de la producción de hidrógeno convencional, denominada "hidrógeno gris", a la producción de hidrógeno bajo en carbono, también conocido como "hidrógeno azul". Para que el hidrógeno azul sea económicamente viable como fuente de energía primaria, los costos en toda la cadena de valor del hidrógeno, incluida la producción, el almacenamiento, la distribución, etc., deben reducirse para cumplir con los objetivos de costos del DOE para futuros automóviles y otras aplicaciones. Con respecto a la producción de hidrógeno, el proceso SMR sigue siendo el método más rentable en comparación con otros, como la electrólisis. Aunque el proceso SMR se considera una tecnología madura, existen oportunidades de optimización tanto comercial como ambiental y se están realizando a través de temperaturas y presiones más altas sostenidas en áreas particulares del proceso. Por ejemplo, el Hydrogen Council y McKinsey & Co. afirman que: "realizar ATR [reformado autotérmico] a temperaturas más altas también puede aumentar las tasas de conversión de metano a hidrógeno, lo que da como resultado un menor contenido de metano en el gas producto, lo que reduce aún más las emisiones. "1 Como resultado, las plantas nuevas están diseñadas para funcionar mucho más calientes y a presiones más altas en aplicaciones y módulos específicos en comparación con las instalaciones existentes. Además, la eficacia de un verdadero sistema de circuito cerrado sin fugas a la atmósfera adquiere una importancia crítica, tanto desde una perspectiva comercial como ambiental. Como tal, el aislamiento confiable con cierre positivo se vuelve no solo mucho más desafiante para las válvulas en estas aplicaciones, sino que también es de vital importancia para todo el proceso de producción.

A temperaturas y presiones más bajas, las válvulas de compuerta con asiento de torsión, a menudo equipadas con internos Stellite® sólidos o superpuestos soldados con Stellite, pueden ser suficientes para aplicaciones que no requieren un cierre hermético. Los diseños de válvulas con asiento de torsión implican la aplicación de fuerzas sustanciales a los componentes de la válvula para sellar adecuadamente contra la presión de la línea. Con el tiempo, estas fuerzas desgastan los componentes de sellado críticos de este tipo de válvulas, lo que da como resultado una vida útil más corta del producto en comparación con los diseños de válvula con asiento de posición.

A medida que aumentan las temperaturas y las presiones, las válvulas de compuerta a menudo se reemplazan por válvulas de globo con patrón en Y, equipadas de manera similar con internos de superposición de estelita sólida o soldada con estelita, para lograr un mejor rendimiento de cierre en la instalación inicial. Desafortunadamente, el rendimiento de cierre mejorado de la válvula de globo se ve contrarrestado por una caída de presión sustancial en la válvula y una vida útil corta del producto.

El diseño de una válvula de globo involucra una ruta de flujo tortuosa que resulta no solo en una caída de presión alta (Cv reducido), sino también en una erosión persistente de sus elementos de sellado. Además, las válvulas de globo, al igual que las válvulas de compuerta, también tienen un asiento de torsión, que se debe 'martillar hacia abajo' para sellar contra la presión de la línea, lo que genera un desgaste sostenido de los componentes internos de la válvula. En combinación con la mecánica de vástago ascendente y de varias vueltas, la eficacia de sellado de las válvulas de globo a menudo se ve comprometida por estos factores, lo que da como resultado fugas del empaque a la atmósfera a lo largo de la vida útil de la válvula. Además de las fugas del empaque, las fugas del asiento a menudo afectan el rendimiento de las válvulas de globo, ya que un diferencial de temperatura entre las secciones aguas arriba y aguas abajo de una válvula de globo cerrada da como resultado la expansión térmica del lado de entrada de la válvula frente a la contracción térmica de la parte de salida de la válvula. la válvula, que contiene el tapón. Como tal, la eficacia de sellado del tapón y el asiento se ve comprometida, y la válvula de globo tendrá fugas aguas abajo...

Escrito por Robert Hsia, UnionTech, EE. UU.

Este artículo se publicó originalmente en la edición de agosto de 2021 de la revista Hydrocarbon Engineering. Para leer el artículo completo, inicie sesión aquí o regístrese para obtener una suscripción de prueba gratuita.

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