Solutions industrielles en gaz pour les usines chimiques

Pourquoi les usines chimiques ne peuvent pas se permettre de considérer l’approvisionnement en gaz comme un produit de base

La fabrication chimique repose sur des matières premières, et pour une part importante de ce secteur, ces matières premières sont des gaz. De l’hydrogène pour l’hydrotraitement. De l’azote pour l’inertage et le recouvrement. De l’oxygène pour les réactions d’oxydation. Du gaz de synthèse pour la production de méthanol et d’ammoniac. La liste est longue. Il ne s’agit pas de services auxiliaires que l’on peut activer ou désactiver comme l’électricité. Ce sont des intrants de procédé exigeant une pureté spécifique, des spécifications de pression précises et des échéances de livraison rigoureuses, qui influencent directement les taux de production et la qualité des produits.

Une usine chimique qui considère son approvisionnement en gaz industriels comme une simple marchandise — un élément à acheter au fournisseur proposant le prix le plus bas ce trimestre — joue un jeu dangereux. Le coût d’une interruption imprévue de l’approvisionnement en gaz ne se mesure pas en euros par mètre cube. Il se mesure en temps d’arrêt des réacteurs, en produits hors spécification, en dégradation des catalyseurs et en coûts de main-d’œuvre liés au redémarrage d’un procédé jamais conçu pour être arrêté.

Le paysage des gaz industriels a considérablement évolué ces dernières années. Les producteurs sont soumis à une pression accrue pour réduire leurs émissions, améliorer leur efficacité énergétique et maintenir leur fiabilité face au vieillissement des infrastructures et à l’application de réglementations environnementales plus strictes. Les solutions qui fonctionnaient il y a dix ans ne sont plus adaptées aujourd’hui. Les exploitants d’usines chimiques doivent repenser la manière dont ils assurent et gèrent leur approvisionnement en gaz.

L’option de production sur site contre l’approvisionnement par un fournisseur externe

La première décision majeure à prendre pour toute usine chimique consiste à déterminer si les gaz industriels doivent être produits sur site ou achetés auprès d’un fournisseur externe. Chaque approche présente des avantages spécifiques, et le choix optimal dépend de l’échelle d’opération, du profil de consommation et des gaz spécifiques requis.

La production sur site donne à l'exploitant de l'usine un contrôle direct sur la fabrication. Il n'y a aucune dépendance vis-à-vis de l'intégrité du réseau d'un tiers ni de son calendrier de livraison. Pour les grands consommateurs — par exemple, une usine d'ammoniac nécessitant des centaines de tonnes par jour d'hydrogène ou un craqueur d'éthylène consommant d'importantes quantités d'oxygène — la rentabilité penche généralement en faveur de la production sur site. Le coût en capital est plus élevé initialement, mais le coût d'exploitation par unité de gaz est inférieur et la fiabilité dépend entièrement de l'usine elle-même.

L'approvisionnement marchand, en revanche, s'avère pertinent pour les petits consommateurs ou pour les gaz dont la demande est intermittente. Par exemple, l'azote liquide livré par camion constitue une solution pratique pour une installation qui n'a besoin de gaz inertes que pendant les arrêts programmés pour maintenance. L'investissement en capital est minimal, et l'usine n'est pas tenue d'embaucher du personnel ni d'entretenir une unité de séparation de l'air fonctionnant la plupart du temps à charge partielle.

Mais l’approvisionnement par des fournisseurs externes comporte ses propres risques. Un événement météorologique extrême fermant les autoroutes peut interrompre les livraisons de gaz liquide pendant plusieurs jours. Un problème de production survenu dans l’usine centrale d’un fournisseur peut avoir des répercussions sur plusieurs clients. Et, dans les régions où les infrastructures industrielles pour les gaz sont fortement sollicitées, la concurrence pour l’approvisionnement peut faire grimper les prix durant les périodes de forte demande.

Une usine chimique située sur la côte du golfe du Mexique aux États-Unis a appris cette leçon à ses dépens lors d’une saison d’ouragans il y a quelques années. L’installation dépendait de l’azote liquide livré par camion pour ses besoins en gaz d’inertage et de purge. Lorsque la tempête s’est abattue, les livraisons se sont arrêtées pendant près d’une semaine. L’usine a dû arrêter plusieurs unités et a supporté des coûts importants liés au redémarrage — sans compter la production perdue pendant l’arrêt. L’exploitant a ensuite installé une petite unité de génération d’azote sur site afin d’assurer une solution de secours, mais le coût d’investissement de cette installation s’est avéré nettement supérieur à ce qu’il aurait été si elle avait été intégrée dès la conception initiale.

Adapter la pureté du gaz aux exigences du procédé

Tous les gaz industriels ne se valent pas, et les exigences en matière de pureté varient considérablement d’un procédé chimique à l’autre. Définir le bon niveau de pureté consiste à trouver un équilibre entre les besoins du procédé et le coût.

Pour la plupart des applications d’inertage et de protection, un azote de pureté comprise entre 95 % et 99 % est tout à fait suffisant. La teneur résiduelle en oxygène est si faible qu’elle ne permet ni la combustion ni l’oxydation de matériaux sensibles. Recourir à une pureté de 99,999 % pour ces applications est superflu : cela augmente les coûts sans apporter de bénéfice significatif.

Pour certains procédés chimiques spécialisés, toutefois, les exigences en matière de pureté sont nettement plus strictes. Par exemple, l’azote de qualité semi-conducteur exige des niveaux d’humidité et d’oxygène exprimés en parties par milliard. La synthèse de l’ammoniac nécessite de l’hydrogène contenant très peu de composés soufrés, qui, autrement, empoisonneraient le catalyseur. Le coût de la purification augmente de façon exponentielle à mesure que la spécification de pureté se resserre, ce qui crée une forte incitation à ne spécifier que ce dont le procédé a réellement besoin.

La spécification de pureté influence également le choix de la technologie de production. L’adsorption à variation de pression (PSA) permet de produire de l’azote avec une pureté de 95 à 99,5 % à un coût d’investissement relativement faible. Les systèmes membranaires offrent des plages de pureté similaires, avec des coûts d’exploitation encore plus bas, mais ils peuvent ne pas atteindre l’extrémité supérieure de cette plage. La séparation cryogénique de l’air constitue la seule option pour obtenir un azote de très haute pureté (99,999 % et plus) ou pour des volumes importants, où les économies d’échelle deviennent pertinentes. Chaque technologie possède son domaine d’application optimal, et un entrepreneur maîtrisant ces compromis peut aider l’exploitant de l’usine à éviter à la fois une sur-spécification et une sous-spécification de la qualité du gaz.

Ingénierie de la fiabilité pour les systèmes gazeux critiques

Les systèmes industriels de gaz dans les usines chimiques ne sont pas des installations « installées et oubliées ». Ils nécessitent une surveillance continue afin de maintenir leur fiabilité, et les conséquences d’une défaillance peuvent être graves.

Un arrêt de la fourniture d’hydrogène à un hydrotraitement, par exemple, ne provoque pas seulement l’arrêt de cette unité — il entraîne une réaction en chaîne dans toute la raffinerie. Les unités aval qui dépendent de charges traitées par hydrotraitement doivent réduire leur débit ou s’arrêter également. Le redémarrage d’un hydrotraitement après un arrêt non planifié prend plusieurs jours et implique des augmentations contrôlées de température ainsi que des procédures régénératives du catalyseur. Les pertes de production s’accumulent rapidement.

L’ingénierie de la fiabilité des systèmes de gaz industriels commence par la redondance. Les consommateurs critiques doivent disposer d’au moins deux sources d’approvisionnement indépendantes, qu’il s’agisse de deux générateurs sur site, d’une unité sur site couplée à une source commerciale de secours, ou de plusieurs réservoirs de stockage contenant suffisamment de gaz pour couvrir la plus longue interruption d’approvisionnement prévue.

Mais la simple redondance ne suffit pas. Le basculement entre les sources doit être transparent, et les opérateurs doivent être formés aux procédures. Un système de secours qui nécessite quatre heures de manipulation manuelle des vannes pour être mis en service n’est pas un système de secours — c’est un placebo.

L’autre aspect de la fiabilité est la maintenance prédictive. Les compresseurs, les détendeurs et les cuves de purification comportent tous des composants soumis à l’usure, qui se dégradent avec le temps. La surveillance de l’état — analyse des vibrations, analyse de l’huile, suivi des tendances de température — permet de détecter les problèmes avant qu’ils ne deviennent des pannes. Un système industriel de gaz bien géré n’attend pas qu’un équipement tombe en panne pour le réparer. Le calendrier de maintenance est déterminé par des données, et non par des dates calendaire ou par des pannes survenues a posteriori.

Lors d’un audit sur site dans un complexe chimique du Midwest il y a quelques années, l’équipe d’ingénierie a remarqué que le compresseur d’air principal de l’unité de génération d’azote présentait des niveaux de vibration accrus au niveau du roulement côté entraînement. Les données indiquaient une tendance à la hausse depuis plusieurs semaines, mais personne n’avait signalé ce phénomène. L’équipe a recommandé le remplacement du roulement lors de l’arrêt planifié suivant. Lors de l’ouverture du compresseur, on a découvert que la cage du roulement était fissurée et sur le point de céder. Le remplacement a coûté quelques milliers de dollars et un jour d’arrêt déjà prévu. Une défaillance en service aurait entraîné des coûts de réparation d’urgence s’élevant à plusieurs dizaines de milliers de dollars, ainsi que plusieurs jours de perte de production non planifiée.

Le rôle de l’entrepreneur EPC dans l’intégration des gaz industriels

Intégrer des solutions de gaz industriels dans une usine chimique ne consiste pas uniquement à choisir le bon générateur ou à signer un contrat d’approvisionnement. Il s’agit d’intégrer le système de gaz aux autres équipements et procédés utilitaires de l’usine.

Un entrepreneur EPC expérimenté dans les projets de gaz industriels comprend les interfaces essentielles. Le système de gaz nécessite de l’air comprimé, de l’eau de refroidissement et de l’énergie électrique — tous fournis par les systèmes auxiliaires de l’usine. Les points de raccordement doivent être conçus de façon à ce que le système de gaz n’impose pas de charges inacceptables sur les systèmes auxiliaires lors de la mise en service ou en cas de perturbation. Les systèmes de commande doivent être intégrés au système de contrôle distribué de l’usine afin que les opérateurs puissent surveiller et gérer l’approvisionnement en gaz depuis la même console qu’ils utilisent pour toutes les autres fonctions.

L’entrepreneur doit également envisager l’extensibilité future. Les usines chimiques modifient rarement leur débit de production au cours de toute leur durée de fonctionnement. Les projets de déblocage, les extensions de capacité et les changements dans la gamme de produits influencent tous le profil de demande en gaz. Un système gazier conçu sans marge pour la croissance deviendra une contrainte à l’avenir. En revanche, un système conçu de façon modulaire et doté de capacité excédentaire pourra s’adapter aux besoins changeants sans nécessiter une reconstruction complète.

Il faut aussi examiner la manière dont le système gazier interagit avec les performances environnementales de l’usine. Les rejets vers l’atmosphère provenant des procédés de purification, les purges des compresseurs et les gaz de purge lors des démarrages et arrêts doivent tous être gérés conformément aux autorisations d’émissions atmosphériques. Un entrepreneur qui considère la conformité environnementale comme une simple case à cocher, plutôt que comme un facteur déterminant de la conception, expose l’usine à des difficultés opérationnelles — et à des amendes potentielles.

Effectuer le bon investissement dans les infrastructures gazières

Les solutions industrielles de gaz pour les usines chimiques représentent un investissement en capital important et les décisions prises au cours de la phase de conception ont des conséquences durables. La tentation de réduire les coûts du système de gaz pour opter pour le générateur le moins cher, le système de commande le plus simple ou le fournisseur avec le prix initial le plus bas est compréhensible. Mais c'est souvent une fausse économie.

Le coût total de possession d'un système de gaz industriel comprend non seulement le coût d'investissement, mais aussi le coût d'exploitation, le coût de maintenance, le coût des temps d'arrêt et le coût des problèmes de qualité des produits causés par une incohérence de l'approvisionnement en gaz Un système qui coûte 10% de moins à construire mais consomme 15% d'énergie en plus et qui tombe en panne deux fois plus souvent n'est pas une bonne affaire. C'est un risque.

Les exploitants d'installations chimiques devraient évaluer les solutions de gaz industriels non pas uniquement sur le coût initial, mais sur le coût du cycle de vie, les résultats de fiabilité et la capacité démontrée du fournisseur ou de l'entrepreneur à fournir. Les références d'autres usines chimiques dans un service similaire valent mieux que les brochures brillantes. Les visites sur place des installations existantes révèlent plus sur les performances réelles que n'importe quelle proposition.

Pour les usines chimiques où la pureté du gaz, la fiabilité de l'approvisionnement et l'intégration avec les systèmes existants ne sont pas négociables, Greenfir fournit des solutions techniques étayées par les certifications ISO 9001, ISO 14001 et OHSAS 18001, en mettant l'accent sur les .