Soluzioni per i gas industriali per impianti chimici

Perché gli impianti chimici non possono permettersi di considerare la fornitura di gas un bene di consumo

La produzione chimica dipende da materie prime, e per una parte significativa del settore queste materie prime sono gas. Idrogeno per l’idrotrattamento. Azoto per l’inerzia e il copertura. Ossigeno per le reazioni di ossidazione. Syngas per la produzione di metanolo e ammoniaca. L’elenco prosegue. Questi non sono servizi ausiliari che possono essere attivati o disattivati come l’elettricità. Sono input di processo con requisiti specifici di purezza, specifiche di pressione e programmi di consegna che influenzano direttamente i tassi di produzione e la qualità del prodotto.

Uno stabilimento chimico che considera la propria fornitura di gas industriali una merce — qualcosa da acquistare dal fornitore che offre il prezzo più basso nel trimestre corrente — sta giocando un gioco pericoloso. Il costo di un’interruzione imprevista della fornitura di gas non si misura in euro al metro cubo. Si misura in fermo reattore, prodotto fuori specifica, degrado del catalizzatore e costo del lavoro necessario per riavviare un processo mai progettato per fermarsi.

Il panorama dei gas industriali è cambiato notevolmente negli ultimi anni. I produttori sono sotto pressione per ridurre le emissioni, migliorare l’efficienza energetica e mantenere l’affidabilità nonostante infrastrutture invecchiate e normative ambientali sempre più stringenti. Le soluzioni che funzionavano dieci anni fa potrebbero non essere più adeguate oggi. Gli operatori degli impianti chimici devono adottare un approccio diverso nella gestione e nell’approvvigionamento dei propri gas.

L’opzione della generazione in loco rispetto alla fornitura da parte di un fornitore commerciale

La prima decisione fondamentale per qualsiasi impianto chimico riguarda la scelta tra la generazione in loco dei gas industriali o l’acquisto da un fornitore commerciale. Entrambe le modalità hanno il proprio ruolo, e la scelta ottimale dipende dalla scala operativa, dal profilo di consumo e dai gas specifici richiesti.

La produzione in loco offre all'operatore dell'impianto un controllo diretto sulla produzione. Non vi è alcuna dipendenza dall'integrità della rete di un terzo soggetto né dal suo calendario di consegne. Per i grandi consumatori — ad esempio un impianto per la produzione di ammoniaca che necessita di centinaia di tonnellate al giorno di idrogeno o uno stabilimento per la cracking dell'etilene che consuma ingenti quantità di ossigeno — la convenienza economica favorisce generalmente la produzione in loco. Il costo iniziale di investimento è più elevato, ma il costo operativo per unità di gas è inferiore e l'affidabilità è interamente sotto il controllo diretto dell'impianto.

L'approvvigionamento da fornitore commerciale, al contrario, risulta più vantaggioso per i consumatori di minori dimensioni o per i gas necessari solo in modo intermittente. Ad esempio, l'azoto liquido consegnato su autocisterna rappresenta una soluzione pratica per un impianto che ha bisogno di gas inertizzanti soltanto durante le fermate programmate per manutenzione. L'investimento iniziale è minimo e l'impianto non deve dotarsi di personale né gestire un'impianto di separazione dell'aria che funzionerebbe per la maggior parte del tempo a carico parziale.

Tuttavia, l’approvvigionamento da parte dei fornitori comporta rischi specifici. Un evento meteorologico estremo che chiude le autostrade può interrompere le consegne di gas liquido per giorni. Un problema produttivo presso l’impianto centrale di un fornitore può avere ripercussioni su più clienti. Inoltre, nelle regioni in cui le infrastrutture per i gas industriali sono sotto pressione, la concorrenza per l’approvvigionamento può far salire i prezzi nei periodi di domanda massima.

Un impianto chimico sulla costa del Golfo degli Stati Uniti ha appreso questa lezione a proprie spese durante una stagione degli uragani alcuni anni fa. L’impianto dipendeva da consegne su camion di azoto liquido per le proprie esigenze di gas di inertizzazione e spurgo. Quando si è abbattuta la tempesta, le consegne si sono interrotte per quasi una settimana. L’impianto ha dovuto fermare diverse unità e ha sostenuto costi significativi per il riavvio — senza contare la produzione persa durante l’interruzione. Successivamente, l’operatore ha installato un piccolo impianto di generazione di azoto in loco come sistema di riserva, ma il costo iniziale di tale integrazione è stato molto superiore rispetto a quanto sarebbe stato se fosse stato previsto fin dalla progettazione originale.

Adattare la purezza del gas alle esigenze del processo

Non tutti i gas industriali sono uguali, e i requisiti di purezza variano notevolmente tra diversi processi chimici. Specificare il livello di purezza corretto rappresenta un equilibrio tra le esigenze del processo e i costi.

Per la maggior parte delle applicazioni di inertizzazione e di copertura, l’azoto con purezza compresa tra il 95% e il 99% è perfettamente adeguato. Il contenuto residuo di ossigeno è così basso da non poter sostenere la combustione né causare l’ossidazione di materiali sensibili. Ricorrere a una purezza del 99,999% per queste applicazioni è eccessivo: comporta costi aggiuntivi senza offrire alcun beneficio significativo.

Per alcuni processi chimici specializzati, tuttavia, i requisiti di purezza sono molto più stringenti. L'azoto di grado semiconduttore, ad esempio, richiede livelli di umidità e ossigeno nell'ordine delle parti per miliardo. La sintesi dell'ammoniaca richiede idrogeno con concentrazioni molto basse di composti solforosi, che altrimenti avvelenerebbero il catalizzatore. Il costo della purificazione aumenta in modo esponenziale all'aumentare della severità delle specifiche di purezza, quindi esiste un forte incentivo a specificare soltanto quanto effettivamente necessario al processo.

La specifica di purezza influisce anche sulla scelta della tecnologia di generazione. L’adsorbimento a scambio di pressione (PSA) consente di produrre azoto con una purezza compresa tra il 95% e il 99,5%, con costi di investimento relativamente contenuti. I sistemi a membrana offrono intervalli di purezza simili, con costi operativi ancora più bassi, ma potrebbero non raggiungere l’estremità superiore di tale intervallo. La separazione criogenica dell’aria è l’unica opzione per azoto di purezza molto elevata (99,999% e superiore) e per volumi elevati, dove entrano in gioco i vantaggi economici derivanti dalla scala. Ogni tecnologia ha il proprio campo di applicazione ottimale, e un appaltatore che comprenda tali compromessi può aiutare l’operatore dell’impianto a evitare sia la sovraspecifica sia la sottospecifica della qualità del gas.

Ingegneria della affidabilità per sistemi critici di gas

I sistemi industriali di gas negli impianti chimici non sono installazioni ‘configura-e-dimentica’. Richiedono attenzione continua per mantenere l’affidabilità, e le conseguenze di un guasto possono essere gravi.

L’arresto dell’erogazione di idrogeno a un idrotrattatore, ad esempio, non ferma soltanto quell’unità: provoca un effetto a catena su tutta la raffineria. Anche le unità a valle, che dipendono da alimentazioni idrotrattate, devono ridurre la portata o arrestarsi completamente. Il riavvio di un idrotrattatore dopo un fermo non programmato richiede diversi giorni e prevede aumenti controllati della temperatura e procedure di rigenerazione del catalizzatore. Le perdite di produzione si accumulano rapidamente.

L’ingegneria della affidabilità per i sistemi industriali di gas parte dalla ridondanza. I consumatori critici devono disporre di almeno due fonti di approvvigionamento indipendenti, che possono essere due generatori in loco, un’unità in loco abbinata a un fornitore esterno di riserva oppure più serbatoi di stoccaggio con scorte sufficienti a coprire l’interruzione di fornitura più lunga prevista.

Tuttavia, la ridondanza da sola non è sufficiente. Il passaggio da una fonte all'altra deve avvenire in modo trasparente e gli operatori devono essere adeguatamente formati sulle procedure. Un sistema di riserva che richiede quattro ore di manipolazione manuale delle valvole per entrare in funzione non è un sistema di riserva: è un placebo.

L'altro aspetto dell'affidabilità è la manutenzione predittiva. Compressori, espansori e vasche di purificazione contengono tutti componenti soggetti a usura che si degradano nel tempo. Il monitoraggio delle condizioni — analisi delle vibrazioni, analisi dell'olio, andamento della temperatura — consente di rilevare problemi prima che si trasformino in guasti. Un sistema industriale per i gas ben gestito non attende il guasto di un componente per intervenire: il programma di manutenzione è basato sui dati, non su date calendariali né su interventi successivi a un guasto.

Durante un audit sul campo presso un complesso chimico del Midwest alcuni anni fa, il team di ingegneria ha notato che il principale compressore d'aria per l'unità di generazione di azoto presentava livelli di vibrazione elevati sul cuscinetto dell'estremità motrice. I dati mostravano un andamento in crescita da settimane, ma nessuno li aveva segnalati. Il team ha raccomandato la sostituzione del cuscinetto durante la prossima fermata programmata. All'apertura del compressore, si è scoperto che la gabbia del cuscinetto era incrinata e sul punto di cedere. La sostituzione è costata qualche migliaio di dollari e un giorno di fermo già pianificato. Un guasto in esercizio avrebbe comportato costi di riparazione d'emergenza pari a decine di migliaia di dollari, oltre a giorni di perdita produttiva non programmata.

Il ruolo dell'impresa di ingegneria, approvvigionamento e costruzione (EPC) nell'integrazione dei gas industriali

Introdurre soluzioni per i gas industriali in uno stabilimento chimico non significa semplicemente selezionare il generatore appropriato o sottoscrivere un contratto di fornitura. Significa integrare il sistema di gas con le altre utenze e i processi dell'impianto.

Un appaltatore EPC con esperienza in progetti industriali per gas comprende le interfacce rilevanti. Il sistema gas richiede aria compressa, acqua di raffreddamento e potenza elettrica — tutte fornite dai sistemi ausiliari dell’impianto. I punti di collegamento devono essere progettati in modo che il sistema gas non imponga carichi inaccettabili sui sistemi ausiliari durante l’avviamento o in condizioni anomale. I sistemi di controllo devono essere integrati nel sistema di controllo distribuito dell’impianto, affinché gli operatori possano monitorare e gestire l’erogazione del gas dalla stessa consolle utilizzata per tutti gli altri processi.

L'appaltatore deve inoltre considerare l'espandibilità futura. Gli impianti chimici raramente mantengono costante la propria portata produttiva per tutta la durata operativa. Progetti di debottlenecking, ampliamenti di capacità e modifiche nella gamma di prodotti influenzano tutti il profilo della domanda di gas. Un sistema gas progettato senza margine di crescita diventerà un vincolo nel tempo. Uno progettato con modularità e capacità residua potrà invece adattarsi alle esigenze mutevoli senza richiedere una ricostruzione completa.

Sorge inoltre la questione di come il sistema gas interagisca con le prestazioni ambientali dell'impianto. Le correnti di scarico provenienti dai processi di purificazione, le scariche di sicurezza dai compressori e i gas di spurgo durante avviamento e arresto devono essere gestiti nel rispetto delle autorizzazioni per le emissioni atmosferiche. Un appaltatore che tratta la conformità ambientale come un semplice elemento da spuntare, anziché come un fattore guida nella progettazione, espone l'impianto a problemi operativi — e a potenziali sanzioni.

Effettuare l'investimento giusto nelle infrastrutture gas

Le soluzioni per i gas industriali destinate agli impianti chimici rappresentano un investimento significativo in capitale, e le decisioni prese nella fase di progettazione hanno conseguenze durature. È comprensibile la tentazione di tagliare sui costi del sistema per i gas — optando per il generatore più economico, per lo schema di controllo più semplice o per il fornitore con il prezzo iniziale più basso. Tuttavia, si tratta spesso di un’economia apparente.

Il costo totale di proprietà di un sistema per i gas industriali comprende non solo il costo iniziale, ma anche i costi operativi, di manutenzione, di fermo impianto e quelli legati ai problemi di qualità del prodotto causati da una fornitura di gas non costante. Un sistema che costa il 10% in meno da realizzare, ma che consuma il 15% in più di energia e si guasta due volte più spesso, non è un affare: è un rischio.

Gli operatori degli impianti chimici dovrebbero valutare le soluzioni per i gas industriali non solo in base al costo iniziale, ma anche al costo complessivo nel ciclo di vita, alla comprovata affidabilità e alla capacità dimostrata del fornitore o dell’appaltatore di consegnare quanto concordato. I riferimenti provenienti da altri impianti chimici che operano in condizioni analoghe hanno un valore superiore a qualsiasi dépliant illustrativo. Le visite in loco presso installazioni esistenti rivelano molto di più sulle prestazioni reali rispetto a qualsiasi proposta commerciale.

Per gli impianti chimici in cui purezza dei gas, affidabilità della fornitura e integrazione con i sistemi esistenti sono requisiti imprescindibili, Greenfir fornisce soluzioni progettuali certificate ISO 9001, ISO 14001 e OHSAS 18001, con particolare attenzione alle tecnologie per la separazione, la purificazione e la liquefazione di gas multicomponente, conformi alle esigenze rigorose dei processi chimici. .