Industriële gasoplossingen voor chemische fabrieken

Waarom chemische fabrieken zich niet kunnen veroorloven om gassupply te beschouwen als een grondstof

De chemische productie is afhankelijk van grondstoffen, en voor een aanzienlijk deel van de industrie zijn dat gassen. Waterstof voor hydrotreating. Stikstof voor inerting en blanketing. Zuurstof voor oxidatiereacties. Synthesegas voor de productie van methanol en ammoniak. De lijst gaat door. Dit zijn geen nutsvoorzieningen die eenvoudig aan- of uitgezet kunnen worden, zoals elektriciteit. Het zijn procesinvoerstromen met specifieke zuiverheidseisen, drukeisen en leveringschema’s die direct van invloed zijn op productiesnelheden en productkwaliteit.

Een chemisch bedrijf dat zijn industriële gasvoorziening beschouwt als een commodity – iets wat bij wie dan ook gekocht kan worden tegen de laagste prijs van dit kwartaal – speelt een gevaarlijk spel. De kosten van een ongeplande onderbreking van de gasvoorziening worden niet gemeten in prijs per kubieke meter. Ze worden gemeten in reactorstilstand, product buiten specificatie, verslechtering van katalysatoren en de arbeidskosten voor het opnieuw opstarten van een proces dat nooit ontworpen was om te stoppen.

Het industriële gaslandschap is de afgelopen jaren aanzienlijk veranderd. Producenten staan onder druk om emissies te verminderen, energie-efficiëntie te verbeteren en betrouwbaarheid te behouden ondanks verouderde infrastructuur en strengere milieuvoorschriften. Oplossingen die tien jaar geleden werkten, zijn vandaag de dag misschien niet meer toereikend. Exploitanten van chemische installaties moeten anders nadenken over hoe zij hun gasvoorziening veiligstellen en beheren.

De optie voor on-site productie versus merchantlevering

De eerste belangrijke beslissing voor elke chemische installatie is of industriële gassen ter plaatse worden geproduceerd of worden aangekocht bij een merchantleverancier. Beide benaderingen hebben hun plaats, en het juiste antwoord hangt af van de schaal, het verbruikspatroon en de specifieke gassen die nodig zijn.

Lokale productie geeft de installatiebeheerder directe controle over de productie. Er is geen afhankelijkheid van de pijpleidingintegriteit of het leveringschema van een derde partij. Voor grote afnemers — bijvoorbeeld een ammoniakfabriek die honderden tonnen waterstof per dag nodig heeft of een ethyleencracker die enorme hoeveelheden zuurstof verbruikt — zijn de economische voordelen meestal gunstig voor lokale productie. De initiële investeringskosten zijn hoger, maar de exploitatiekosten per eenheid gas zijn lager en de betrouwbaarheid ligt volledig in handen van de installatie zelf.

Commerciële levering daarentegen is zinvol voor kleinere afnemers of voor gassen die slechts incidenteel nodig zijn. Vloeibare stikstof die per vrachtwagen wordt geleverd, bijvoorbeeld, is een praktische oplossing voor een installatie die inertgas alleen tijdens onderhoudspauzes nodig heeft. De kapitaalinvestering is minimaal en de installatie hoeft geen luchtscheidingsinstallatie te bezetten en te onderhouden die het grootste deel van de tijd met gedeeltelijke belasting draait.

Maar de levering door handelaars brengt eigen risico’s met zich mee. Een zwaar weerfenomeen dat snelwegen sluit, kan de levering van vloeibaar gas gedurende dagen verhinderen. Een productieprobleem bij een leverancier op diens centrale locatie kan zich uitstrekken tot meerdere klanten. En in regio’s waar de industriële gasinfrastructuur onder grote druk staat, kan de concurrentie om het aanbod de prijzen doen stijgen tijdens piekbelastingsperioden.

Een chemische fabriek aan de Golfkust van de Verenigde Staten leerde dit op de harde manier tijdens een orkaanseizoen enkele jaren geleden. De installatie was afhankelijk van vrachtwagenleveringen van vloeibare stikstof voor haar behoeften aan inertgas en spoelgas. Toen de storm toesloeg, stopten de leveringen bijna een week lang. De fabriek moest meerdere units stilleggen en maakte aanzienlijke kosten voor de herstart — om nog maar te zwijgen over de gemiste productie tijdens de stilstand. De exploitant installeerde daarna een kleine, eigen stikstofproductie-installatie als reservevoorziening, maar de kapitaalkosten van die aanvulling waren veel hoger dan wanneer deze al in het oorspronkelijke ontwerp was opgenomen.

Gelijkstelling van de zuiverheid van het gas aan de vereisten van het proces

Niet alle industriële gassen zijn gelijk geschapen en de zuiverheidsvereisten verschillen sterk tussen verschillende chemische processen. Het specificeren van het juiste zuiverheidsniveau is een evenwicht tussen de vereisten van het proces en de kosten.

Voor de meeste inert- en dekbed-toepassingen is stikstof met een zuiverheid van 95-99% volkomen voldoende. Het resterende zuurstofgehalte is laag genoeg dat het geen verbranding ondersteunt of oxidatie van gevoelige materialen veroorzaakt. Het is overdreven om voor deze toepassingen naar 99,999% zuiverheid te gaan het voegt kosten toe zonder enig zinvol voordeel te leveren.

Voor bepaalde speciale chemische processen zijn echter veel strengere zuiverheidseisen van kracht. Stikstof van halfgeleiderkwaliteit vereist bijvoorbeeld vocht- en zuurstofgehalten op parts-per-billion-niveau. Voor ammoniaksynthese is waterstof met zeer lage concentraties zwavelverbindingen nodig, aangezien deze anders de katalysator zouden vergiftigen. De zuiveringskosten stijgen exponentieel naarmate de zuiverheidseis strenger wordt, waardoor er een sterke prikkel is om uitsluitend de zuiverheid te specificeren die het proces daadwerkelijk vereist.

De zuiverheidsspecificatie beïnvloedt ook de keuze van de productietechnologie. Drukzwaaik-adsorptie (PSA) kan stikstof produceren met een zuiverheid van 95–99,5 % tegen relatief lage kapitaalkosten. Membraansystemen bieden vergelijkbare zuiverheidsbereiken met nog lagere bedrijfskosten, maar halen mogelijk niet het hogere uiteinde van dat bereik. Cryogene luchtscheiding is de enige optie voor zeer hoge zuiverheid van stikstof (99,999 % en hoger) en voor grote volumes, waarbij de voordelen van schaalvergroting van toepassing zijn. Elke technologie heeft haar eigen optimale toepassingsgebied, en een aannemer die de afwegingen begrijpt, kan de installatiebeheerder helpen om de gaskwaliteit niet te hoog of te laag te specificeren.

Betrouwbaarheidsengineering voor kritieke gassystemen

Industriële gassystemen in chemische fabrieken zijn geen ‘instellen-en-vergeten’-installaties. Zij vereisen voortdurende aandacht om betrouwbaarheid te behouden, en de gevolgen van een storing kunnen ernstig zijn.

Een stillegging van de waterstoftoevoer naar een hydrotraktor leidt niet alleen tot stilstand van die unit, maar heeft ook gevolgen voor de gehele raffinaderij. De downstreamunits die afhankelijk zijn van gehydrotrakteed voedingsstoffen moeten hun capaciteit verlagen of eveneens stilgelegd worden. Het opnieuw opstarten van een hydrotraktor na een ongeplande stillegging duurt meerdere dagen en vereist zorgvuldig gecontroleerde temperatuurverhogingen en katalysatorregeneratieprocedures. De productieverliezen nemen snel toe.

Betrouwbaarheidstechniek voor industriële gassystemen begint met redundantie. Kritieke afnemers moeten minstens twee onafhankelijke toeleveringsbronnen hebben, bijvoorbeeld dubbele on-sitegeneratoren, een on-siteunit in combinatie met een commerciële back-up of meerdere opslagtanks met voldoende voorraad om de langst verwachte onderbreking van de levering te kunnen opvangen.

Maar redundantie alleen is niet voldoende. De overschakeling tussen bronnen moet naadloos verlopen, en de operators moeten zijn opgeleid in de procedures. Een back-upsystem dat vier uur handmatige klepbediening vereist om online te gaan, is geen back-up — het is een placebo.

Het andere aspect van betrouwbaarheid is voorspellend onderhoud. Compressoren, expanders en zuiveringsvaten hebben allemaal slijtageonderdelen die met de tijd verslechteren. Toestandsbewaking — trillinganalyse, olieanalyse, temperatuurtrends — kan problemen opsporen voordat ze uitgroeien tot storingen. Een goed beheerd industrieel gasysteem wacht niet tot er iets stukgaat voordat het wordt gerepareerd. Het onderhoudsplan wordt gestuurd door gegevens, niet door kalenderdata of ná-de-feit-storingen.

Tijdens een site-audit op een chemisch complex in het Midden-Westen een paar jaar geleden merkte het engineeringteam op dat de hoofdluchtcompressor van de stikstofproductie-unit verhoogde trillingsniveaus vertoonde op het aandrijfzijde-lager. De gegevens wezen al wekenlang op een stijgende trend, maar niemand had dit gemeld. Het team adviseerde vervanging van het lager tijdens de volgende geplande stilstand. Toen de compressor werd geopend, bleek de lagerkooi gebarsten te zijn en bijna te falen. De vervanging kostte enkele duizenden dollar en een dag stilstand die al was ingepland. Een storing tijdens bedrijf zou tienduizenden dollar hebben gekost aan spoedreparatie, plus dagen ongeplande productieverlies.

De rol van de EPC-aannemer bij integratie van industriële gassen

Industriële gasoplossingen in een chemisch bedrijf introduceren gaat niet alleen over het kiezen van de juiste generator of het ondertekenen van een leveringscontract. Het gaat erom het gas-systeem naadloos te integreren met de overige nutsvoorzieningen en processen van de fabriek.

Een EPC-aannemer met ervaring in industriële gasprojecten begrijpt de interfaces die van belang zijn. Het gassysteem heeft perslucht, koelwater en elektrische energie nodig — allemaal geleverd door de hulpsystemen van de installatie. De aansluitpunten moeten zo worden ontworpen dat het gassysteem tijdens opstarten of storingen geen onaanvaardbare belasting oplegt aan de hulpsystemen. De besturing moet worden geïntegreerd met het gedistribueerd besturingssysteem van de installatie, zodat operators de gasvoorziening kunnen bewaken en beheren vanaf hetzelfde bedieningspaneel dat zij voor alle andere processen gebruiken.

De aannemer moet ook denken aan toekomstige uitbreidbaarheid. Chemische installaties blijven zelden gedurende hun gehele levensduur op hetzelfde productieniveau werken. Debottleneckingprojecten, capaciteitsuitbreidingen en wijzigingen in het productassortiment beïnvloeden allemaal het gasvraagprofiel. Een gassysteem dat is ontworpen zonder ruimte voor groei, wordt op termijn een beperkende factor. Een systeem dat is ontworpen met modulariteit en reservecapaciteit kan zich aanpassen aan veranderende behoeften zonder dat een volledige herbouw nodig is.

Er is ook de vraag hoe het gassysteem samenwerkt met de milieuprestaties van de installatie. Afvoerstromen van zuiveringsprocessen, blowdown van compressoren en spoelgas tijdens opstart en stillegging moeten allemaal worden afgehandeld in overeenstemming met luchtvergunningen. Een aannemer die milieuconformiteit behandelt als een simpele checklist in plaats van als een ontwerpvereiste, zet de installatie op weg naar operationele problemen — en mogelijke boetes.

De juiste investering doen in gasinfrastructuur

Industriële gasoplossingen voor chemische installaties vormen een aanzienlijke kapitaalinvestering, en de beslissingen die tijdens de ontwerpfase worden genomen, hebben langdurige gevolgen. De verleiding om te bezuinigen op het gassysteem — bijvoorbeeld door te kiezen voor de goedkoper generator, het eenvoudiger regelsysteem of de leverancier met de laagste initiële prijs — is begrijpelijk. Maar het is vaak een schijnbare voordeligheid.

De totale eigendomskosten van een industrieel gassysteem omvatten niet alleen de kapitaalkosten, maar ook de bedrijfskosten, onderhoudskosten, kosten van stilstand en kosten van productkwaliteitsproblemen als gevolg van een onstabiele gasvoorziening. Een systeem dat 10% goedkoper is om te bouwen, maar 15% meer energie verbruikt en tweemaal zo vaak uitvalt, is geen koopje. Het is een risico.

Chemische fabrieksoperators moeten industriële gasoplossingen beoordelen niet alleen op basis van de initiële kosten, maar ook op levenscycluskosten, betrouwbaarheidshistorie en het aangetoonde vermogen van de leverancier of aannemer om te leveren. Referenties van andere chemische fabrieken met vergelijkbare dienstverlening wegen zwaarder dan glanzende brochures. Bezoeken aan bestaande installaties onthullen meer over de werkelijke prestaties dan welke offerte ook.

Voor chemische fabrieken waar gaszuiverheid, leverbetrouwbaarheid en integratie met bestaande systemen niet onderhandelbaar zijn, biedt Greenfir technisch ontworpen oplossingen ondersteund door ISO 9001-, ISO 14001- en OHSAS 18001-certificaten — met nadruk op veelcomponentengasscheiding, zuivering en liquefactietechnologieën die aansluiten bij de strenge eisen van chemische verwerking .