Integrated Global Services Inc.
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PROBLEMA
La oxidación de las superficies externas de los tubos es responsable de la pérdida de metal de alrededor de 0,25 mm/año, lo que limita la vida útil del tubo. El crecimiento de incrustaciones produce una capa aislante que restringe la transferencia de calor por conducción al fluido del proceso y eventualmente limita la producción.
Además, la formación de incrustaciones severas también impide el monitoreo preciso en línea de las temperaturas de la piel del tubo, utilizando termografía IR. Luego de un análisis detallado de la causa raíz, se recomendó aplicar Cetek Ceramic Coating a los tubos radiantes. Además, se aplicaron revestimientos cerámicos de alta emisividad de Cetek a las superficies refractarias para mejorar la eficiencia de transferencia de calor radiante.
SOLUCIÓN Y RESULTADOS
La aplicación de Recubrimientos Cerámicos de Alta Emisividad de Cetek detuvo la oxidación. Las unidades ya no están limitadas y funcionan a la capacidad de diseño o superior. La recuperación de la inversión fue en 6 meses.
La aplicación de recubrimientos cerámicos de alta emisividad a las superficies refractarias y de los tubos radiantes crea un recinto casi de cuerpo negro, que maximiza la eficiencia de la transferencia de calor radiante.
Además, prevenir la oxidación de las superficies de los tubos radiantes elimina la pérdida de metal y prolonga la vida útil del tubo.
La Planta de Aromáticos se puso en marcha en noviembre de 2009. Consiste en una unidad de reformado de nafta basada en un sistema de regeneración continua de catalizadores (CCR) diseñado para producir una corriente rica en aromáticos junto con hidrógeno de alta pureza como subproducto. La planta típicamente experimenta una composición de alimentación variada (mayor contenido nafténico, etc.) dependiendo de la calidad de la nafta importada.
El alto rendimiento del proceso autorizado se debe en gran medida a la operación a baja presión junto con las altas temperaturas, lo que, en los reactores de lecho fijo convencionales, daría lugar a ciclos de duración muy cortos.
La regeneración continua elimina la necesidad de una parada para la regeneración de los reformadores de lecho fijo anteriores. También minimiza la cantidad de catalizador en la unidad, al tiempo que permite un alto rendimiento y calidad de aromáticos. Se requiere una temperatura alta (en el rango de 545°C) para promover las reacciones químicas que mejoran la producción de compuestos aromáticos. De ahí la necesidad de recalentar la alimentación.
Para este propósito, se proporcionan 4 calentadores (1 precalentador y 3 intercalentadores) con el objetivo principal de proporcionar el calor necesario para las reacciones en los reactores. Los calentadores son de tipo eje con tubos radiantes verticales tipo «U» invertida (Figura 5), que se usan típicamente para unidades de flujo de vapor de baja presión como CCR. Los tubos radiantes de un solo paso tienen una especificación de material de ASTM 335 Gr P9 (9Cr-1Mo) con dimensiones de DE 114,3 x 6,02 mm de espesor de pared y margen de corrosión de 1,5 mm. Los calentadores están diseñados según API (2) 530 con una vida útil de diseño de 100 000 horas.
La vida útil de los tubos radiantes en los hornos se rige por la combinación de varios posibles mecanismos de degradación dependientes del tiempo y por las temperaturas y la carga de la pared del tubo. Los principales mecanismos de degradación en el servicio de reformado son la oxidación junto al fuego, la degradación microestructural térmica y la fluencia. Aparte de esto, también se ha informado de carburación y formación de polvo de metal en muchos tubos de calefacción de reformado catalítico, aunque no es muy común debido a la inyección de sulfuro que forma una capa protectora y evita la difusión de carbono.
Los materiales de los tubos en los calentadores de CCR suelen ser 9Cr-1Mo. El diseño de la dimensión del tubo y la tolerancia a la corrosión generalmente siguen el estándar API 530. Con el tiempo, estos materiales Cr-Mo experimentan degradación térmica, y su estructura típica normalizada y templada (perlita o bainita dependiendo del tratamiento térmico de normalización) y los granos de ferrita degenerarán a granos de ferrita con carburos intra e intergranulares. La resistencia a la tracción y a la fluencia del material se reducen durante este proceso.
Oxidación
Se espera una severa formación de incrustaciones debido a la oxidación en estos calentadores debido a las altas temperaturas de funcionamiento. Por encima de aproximadamente 500 °C, los materiales 9Cr-1Mo tienden a oxidarse y pueden incrustarse muy rápidamente a medida que aumentan las temperaturas. La tasa de corrosión basada en el material y la temperatura es de alrededor de 0,25 mm/año.
Carburación
Es la difusión de carbono en la matriz metálica a altas temperaturas >600°C formando una estructura dura y quebradiza. La extensión de la carburación se puede determinar mediante metalografía y provoca un aumento sustancial de la dureza y una pérdida de ductilidad. Donde las temperaturas de operación resultan en altas temperaturas del metal de alrededor de 650°C o más, el carbono en la superficie tiene una mayor tendencia a difundirse en el metal y tienden a formarse capas carburizadas más gruesas. Este fenómeno inicialmente fortalece la pared del tubo, pero en última instancia conduce a la iniciación de grietas, la propagación de grietas a través de la pared y, por lo tanto, tasas mejoradas de consumo de vida.
Polvo de metal
Es una forma catastrófica de carburación en el rango de temperatura de 480°C a 816°C. En general, da como resultado un desperdicio rápido de metal en forma de erosión en las áreas más calientes de los tubos o pequeños pozos llenos de óxidos y carburos metálicos. En forma leve, la formación de polvo de metal da como resultado picaduras discretas, pero en un extremo, puede producir efectivamente un mecanismo rápido de adelgazamiento de la pared interna.
Arrastrarse
Otros mecanismos de daño destacados incluyen Creep y su susceptibilidad aumenta con el aumento de la temperatura y la reducción del espesor. En los calentadores en cuestión, hasta la fecha, solo se ha encontrado oxidación externa y no se han detectado carburación interna o polvo de metal o signos de daño por fluencia.
La planta de compuestos aromáticos es una importante unidad petroquímica aguas abajo que produce varios hidrocarburos aromáticos como xilenos, benceno y tolueno, que son los componentes básicos para la producción de poliéster y polímeros que dan como resultado diferentes bienes de consumo.
El corazón de la planta de aromáticos es una unidad de reformado de nafta de alto rendimiento con licencia que opera a baja presión y altas temperaturas requeridas para promover las reacciones químicas que mejoran la producción de aromáticos.
Para lograr el calor requerido, hay cuatro calentadores encendidos con una configuración de serpentín tipo eje que elevan la temperatura de la nafta de alimentación a alrededor de 545°C. Los tubos radiantes de los calentadores son de metalurgia 9Cr-1Mo (ASTM(1) A335 Gr P9) con una temperatura máxima en la pared del tubo de 652°C. Los tubos son propensos a una incrustación excesiva debido a la oxidación a alta temperatura y se encontró un espesor de incrustación de hasta 1-2 mm en los tubos. El problema que surge debido a la incrustación afecta no solo a la integridad mecánica de los tubos radiantes, sino que también genera múltiples restricciones operativas.
La oxidación de las superficies externas de los tubos es responsable de la pérdida de metal de alrededor de 0,25 mm/año, lo que limita la vida útil del tubo. El crecimiento de incrustaciones produce una capa aislante que restringe la transferencia de calor por conducción al fluido del proceso y eventualmente limita la producción.
Además, la formación de incrustaciones severas también impide el monitoreo preciso en línea de las temperaturas de la piel del tubo, utilizando termografía IR.
Luego de un análisis detallado de la causa raíz, se recomendó aplicar un recubrimiento cerámico en el tubo radiante y extenderlo al refractario en la caja del horno para mejorar la eficiencia operativa y térmica, manteniendo la integridad y confiabilidad metalúrgica.
La aplicación de recubrimientos cerámicos de alta emisividad a las superficies refractarias y de los tubos radiantes crea un recinto casi de cuerpo negro, que maximiza la eficiencia de la transferencia de calor radiante. Además, la prevención de la oxidación de las superficies de los tubos radiantes elimina la pérdida de metal y prolonga la vida útil del tubo.
La unidad funciona con un mayor rendimiento independientemente de las variaciones de alimentación. La carga unitaria antes del revestimiento cerámico fue de alrededor del 97-98%. Además, al procesar alimentación con alto contenido de nafténicos, la carga unitaria se redujo aún más al 96 %. Sin embargo, la unidad de recubrimiento posterior está operando al 103 %, independientemente de la composición de la alimentación, e incluso con una alimentación con alto contenido de nafténicos, se obtiene el rendimiento deseado con la misma combustión de combustible.
Con el revestimiento cerámico de los tubos y el refractario, la pérdida de calor radiante se ha reducido considerablemente, lo que aumenta la eficiencia de la transferencia de calor radiante y reduce las temperaturas de las paredes del puente en un promedio de 30 a 50 °C. Por lo tanto, incluso operando con cargas más altas, las temperaturas del arco se han reducido relativamente, evitando la generación excesiva de vapor y altas cargas de calor en los serpentines de vapor de convección.
Con la puesta en marcha de una nueva refinería, el gas combustible rico en hidrógeno procedente de la planta de aromáticos se envía a la sección de recuperación de Off-Gas y los calentadores funcionan íntegramente con gas natural. La cantidad de combustible quemado en MMBTU/hr posterior al recubrimiento para mantener una carga del 103% es menor que el combustible requerido para mantener una carga del 96-99% antes del recubrimiento.
El costo total del proyecto fue de alrededor de 2,5 millones de dólares, con un Retorno de la Inversión (ROI) esperado dentro de los 11 meses de operación con una Tasa Interna de Retorno (TIR) del 111%. Sin embargo, considerando todos los factores y el mercado favorable, el ROI se logró dentro de los 6 meses de operación. La Tabla 6 a continuación proporciona los beneficios de costos obtenidos debido a la operación con cargas unitarias más altas y ahorros de gas combustible.
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