Soluciones de gases industriales para plantas químicas

Por qué las plantas químicas no pueden permitirse tratar el suministro de gas como un producto básico

La fabricación química depende de materias primas, y para una parte significativa de la industria, esas materias primas son gases. Hidrógeno para la hidrotratamiento. Nitrógeno para inertización y cubrimiento. Oxígeno para reacciones de oxidación. Gas de síntesis (syngas) para la producción de metanol y amoníaco. La lista continúa. Estos no son servicios auxiliares que se puedan activar o desactivar como la electricidad. Son insumos del proceso con requisitos específicos de pureza, especificaciones de presión y cronogramas de entrega que afectan directamente las tasas de producción y la calidad del producto.

Una planta química que trata su suministro de gases industriales como una mercancía —algo que se adquiere del proveedor que ofrezca el precio más bajo este trimestre— está jugando un juego peligroso. El costo de una interrupción no planificada del suministro de gas no se mide en precio por metro cúbico. Se mide en tiempo de inactividad del reactor, producto fuera de especificación, degradación del catalizador y costos laborales asociados al reinicio de un proceso que nunca fue diseñado para detenerse.

El panorama de los gases industriales ha cambiado considerablemente en los últimos años. Los productores enfrentan presión para reducir sus emisiones, mejorar la eficiencia energética y mantener la fiabilidad pese a la obsolescencia de su infraestructura y a la mayor rigurosidad de las regulaciones ambientales. Las soluciones que funcionaban hace una década ya no son suficientes hoy en día. Los operadores de plantas químicas deben replantearse cómo aseguran y gestionan su suministro de gases.

La opción de generación in situ frente al suministro comercial

La primera decisión importante para cualquier planta química es si genera gases industriales in situ o los adquiere de un proveedor comercial. Ambos enfoques tienen su lugar, y la opción adecuada depende de la escala, del patrón de consumo y de los gases específicos requeridos.

La generación in situ otorga al operador de la planta un control directo sobre la producción. No existe dependencia de la integridad de la tubería ni del cronograma de entrega de un tercero. Para consumidores grandes —por ejemplo, una planta de amoniaco que requiere cientos de toneladas diarias de hidrógeno o un craqueador de etileno que consume cantidades masivas de oxígeno— la economía generalmente favorece la generación in situ. El costo de capital es mayor inicialmente, pero el costo operativo por unidad de gas es menor y la confiabilidad depende totalmente de la propia planta.

Por el contrario, el suministro comercial resulta adecuado para consumidores pequeños o para gases que solo se necesitan de forma intermitente. Por ejemplo, el nitrógeno líquido entregado por camión constituye una solución práctica para una instalación que únicamente requiere gas inertizante durante las paradas programadas para mantenimiento. La inversión de capital es mínima y la planta no tiene que contratar personal ni mantener una unidad de separación de aire que funcione a carga parcial la mayor parte del tiempo.

Pero el suministro de los comerciantes conlleva sus propios riesgos. Un evento meteorológico severo que cierre las autopistas puede interrumpir las entregas de gas licuado durante varios días. Un problema de producción del proveedor en su instalación central puede tener efectos en cadena sobre múltiples clientes. Y en regiones donde la infraestructura industrial de gases está sobrecargada, la competencia por el suministro puede elevar los precios durante los períodos de demanda máxima.

Una planta química en la costa del golfo de Estados Unidos aprendió esta lección a la fuerza durante una temporada de huracanes hace unos años. La instalación dependía del nitrógeno líquido entregado por camión para sus necesidades de gases inertes y de purga. Cuando llegó la tormenta, las entregas se detuvieron durante casi una semana. La planta tuvo que detener varias unidades e incurrió en costos significativos para su reinicio, sin mencionar la producción perdida durante la interrupción. Posteriormente, el operador instaló una pequeña unidad de generación de nitrógeno in situ como respaldo, pero el costo de capital de esa adición fue mucho mayor que si se hubiera incluido en el diseño original.

Ajustar la pureza del gas a los requisitos del proceso

No todos los gases industriales son iguales, y los requisitos de pureza varían ampliamente según el proceso químico específico. Especificar el nivel adecuado de pureza implica equilibrar las necesidades del proceso con los costos.

Para la mayoría de las aplicaciones de inertización y recubrimiento, el nitrógeno con una pureza del 95-99 % es perfectamente adecuado. El contenido residual de oxígeno es lo suficientemente bajo como para no sostener la combustión ni provocar la oxidación de materiales sensibles. Optar por una pureza del 99,999 % en estas aplicaciones es innecesario: incrementa los costos sin aportar beneficios significativos.

Sin embargo, para ciertos procesos químicos especializados, los requisitos de pureza son mucho más estrictos. Por ejemplo, el nitrógeno de grado semiconductor requiere niveles de humedad y oxígeno en partes por billón. La síntesis de amoníaco exige hidrógeno con concentraciones muy bajas de compuestos de azufre, que de lo contrario envenenarían el catalizador. El costo de la purificación aumenta exponencialmente a medida que se endurecen las especificaciones de pureza, por lo que existe un fuerte incentivo para especificar únicamente lo que el proceso realmente necesita.

La especificación de pureza también afecta la elección de la tecnología de generación. La adsorción por oscilación de presión (PSA) puede producir nitrógeno con una pureza del 95-99,5 % con un costo de capital relativamente bajo. Los sistemas de membrana ofrecen rangos de pureza similares con costos operativos aún más bajos, pero pueden no alcanzar el extremo superior de ese rango. La separación criogénica del aire es la única opción para nitrógeno de pureza muy alta (99,999 % y superior) y para volúmenes grandes, donde entran en juego las economías de escala. Cada tecnología tiene su punto óptimo, y un contratista que comprenda los compromisos puede ayudar al operador de la planta a evitar especificar una calidad de gas excesiva o insuficiente.

Ingeniería de confiabilidad para sistemas críticos de gases

Los sistemas industriales de gases en plantas químicas no son instalaciones de tipo 'instalar y olvidar'. Requieren atención continua para mantener su confiabilidad, y las consecuencias de un fallo pueden ser graves.

Una parada del suministro de hidrógeno a un hidrotratador, por ejemplo, no solo detiene esa unidad, sino que afecta en cascada a toda la refinería. Las unidades aguas abajo que dependen de alimentaciones hidrotratadas también deben reducir sus tasas o detenerse. Reiniciar un hidrotratador tras una parada no planificada lleva varios días e implica rampas controladas de temperatura y procedimientos de regeneración del catalizador. Las pérdidas de producción se acumulan rápidamente.

La ingeniería de confiabilidad para sistemas industriales de gases comienza con la redundancia. Los consumidores críticos deben tener al menos dos fuentes independientes de suministro, ya sea mediante dos generadores en el sitio, una unidad en el sitio más una reserva comercial o varios tanques de almacenamiento con inventario suficiente para cubrir la interrupción de suministro más larga prevista.

Pero la redundancia por sí sola no es suficiente. La transición entre fuentes debe ser perfectamente fluida, y los operadores deben recibir capacitación sobre los procedimientos correspondientes. Un sistema de respaldo que requiera cuatro horas de manipulación manual de válvulas para entrar en funcionamiento no es un sistema de respaldo: es un placebo.

El otro aspecto de la confiabilidad es el mantenimiento predictivo. Los compresores, las turbinas de expansión y los recipientes de purificación cuentan todos con componentes sometidos a desgaste que se deterioran con el tiempo. La monitorización del estado —por ejemplo, el análisis de vibraciones, el análisis de aceite o el seguimiento de temperaturas— permite detectar problemas antes de que se conviertan en fallas. Un sistema industrial de gases bien gestionado no espera a que algo falle para repararlo. El programa de mantenimiento se basa en datos, no en fechas del calendario ni en averías ocurridas.

Durante una auditoría en el sitio de un complejo químico del Medio Oeste hace un par de años, el equipo de ingeniería observó que el compresor de aire principal de la unidad de generación de nitrógeno presentaba niveles elevados de vibración en el cojinete del extremo motriz. Los datos habían mostrado una tendencia ascendente durante semanas, pero nadie lo había señalado. El equipo recomendó el reemplazo del cojinete durante la próxima parada programada. Al abrirse el compresor, se descubrió que la jaula del cojinete estaba agrietada y a punto de fallar. El reemplazo tuvo un costo de varios miles de dólares y un día de inactividad ya previsto. Una falla en servicio habría supuesto decenas de miles de dólares en reparaciones de emergencia, además de días de pérdida de producción no planificada.

El papel del contratista EPC en la integración de gases industriales

Incorporar soluciones de gases industriales en una planta química no se trata únicamente de seleccionar el generador adecuado o firmar un contrato de suministro. Se trata de integrar el sistema de gas con el resto de las utilidades y los procesos de la planta.

Un contratista de EPC con experiencia en proyectos de gas industrial comprende las interfaces que importan. El sistema de gas necesita aire comprimido, agua de refrigeración y energía eléctrica que provienen de los sistemas de servicios públicos de la planta. Los puntos de unión deben diseñarse de modo que el sistema de gas no imponga cargas inaceptables a los sistemas de servicios públicos durante las condiciones de arranque o alteración. Los controles deben integrarse en el sistema de control distribuido de la planta para que los operadores puedan controlar y gestionar el suministro de gas desde la misma consola que utilizan para todo lo demás.

El contratista también debe considerar la posibilidad de expansión futura. Las plantas químicas rara vez mantienen la misma tasa de producción durante toda su vida útil operativa. Los proyectos de eliminación de cuellos de botella, las ampliaciones de capacidad y los cambios en la gama de productos afectan todos al perfil de demanda de gas. Un sistema de gas diseñado sin margen para crecimiento se convertirá con el tiempo en una limitación. En cambio, uno diseñado con modularidad y capacidad de reserva podrá adaptarse a necesidades cambiantes sin requerir una reconstrucción completa.

También surge la cuestión de cómo interactúa el sistema de gas con el desempeño ambiental de la planta. Las corrientes de venteo procedentes de los procesos de purificación, las descargas de seguridad (blowdown) de los compresores y los gases de purga durante el arranque y la parada deben gestionarse cumpliendo los permisos atmosféricos. Un contratista que trata el cumplimiento ambiental como una simple casilla de verificación, en lugar de un factor impulsor del diseño, está condenando a la planta a problemas operativos —y posibles multas—.

Realizar la inversión adecuada en infraestructura de gas

Las soluciones de gases industriales para plantas químicas representan una inversión significativa de capital, y las decisiones tomadas durante la fase de diseño tienen consecuencias de larga duración. La tentación de recortar costos en el sistema de gases —optar por el generador más económico, por un esquema de control más sencillo o por el proveedor con el precio inicial más bajo— es comprensible. Sin embargo, con frecuencia se trata de una falsa economía.

El costo total de propiedad de un sistema de gases industriales incluye no solo el costo de capital, sino también el costo operativo, el costo de mantenimiento, el costo de los tiempos de inactividad y el costo derivado de problemas de calidad del producto causados por un suministro de gas inconsistente. Un sistema que cuesta un 10 % menos construir, pero que consume un 15 % más de energía y falla el doble de veces, no representa una ventaja. Constituye una responsabilidad.

Los operadores de plantas químicas deben evaluar las soluciones de gases industriales no solo en función del costo inicial, sino también del costo total durante el ciclo de vida, la trayectoria comprobada de fiabilidad y la capacidad demostrada del proveedor o contratista para entregarlas. Las referencias de otras plantas químicas que operan en condiciones similares valen más que folletos llamativos. Las visitas in situ a instalaciones existentes revelan más sobre el rendimiento real que cualquier propuesta.

Para plantas químicas donde la pureza del gas, la fiabilidad del suministro y la integración con los sistemas existentes son requisitos ineludibles, Greenfir ofrece soluciones diseñadas técnicamente respaldadas por las certificaciones ISO 9001, ISO 14001 y OHSAS 18001, con especial énfasis en tecnologías de separación, purificación y licuefacción de gases multicomponente que responden a las exigentes demandas del procesamiento químico. .