Duurzaamheid van Petrochemische Installaties Verbeteren met Corrosievaste FRP Harsen

Composietmaterialen zijn bekend om hun duurzaamheid in sterk corrosieve omgevingen, maar voor optimale prestaties is het essentieel om de juiste hars voor elke toepassing te selecteren. De petrochemische complex van SABIC (Riyad, Saoedi-Arabië) dochter Petrokemya in Jubail, Saoedi-Arabië, produceert diverse grondstofchemicaliën zoals ethyleen, styreen, chloor, ruwe industriële ethanol en meer. Voor het productieproces had het complex een verbrandingsunit nodig met diverse grote componenten en buizen die zoutzuur moeten weerstaan zonder te corroderen.

Ontwerp en fabricage van de verbrandingsunit quench tank, scrubber, uitlaattank en bijbehorende vaten en buizen werd opgedragen aan een team bestaande uit corrosievaste apparatenfabrikant Ollearis (Martorelles, Spanje), aannemer China Tianchen Engineering Corp. (TCC, Tianjin, China) en ingenieursbureau John Zink Hamworthy Combustion (Tulsa, Oklahoma, VS). Deze componenten moesten contact met zoutzuur weerstaan, aan diverse ontwerpuitdagingen voldoen en een kosteneffectieve oplossing zijn.

Glasvezel-versterkte composieten werden gekozen als materiaal dat in staat is de sterk corrosieve chemicaliën te weerstaan, terwijl het een meer kosteneffectieve oplossing biedt dan gespecialiseerde metalenlegeringen. Alle hoofcomponenten werden geconstrueerd uit vezel-versterkt plastic (FRP), met een paar kleine uitzonderingen waaronder tillen en vasthoudende lasplaatjes (roestvrij staal), spuitmondingen (thermoplastisch of metaal) en scrubber vulling.

Om de meest economische oplossing te bieden terwijl aan prestatievereisten wordt voldaan, keek Ollearis naar drie AOC (Collierville, Tennessee, VS) Atlac harsen. "We selecteerden de harstypen met behulp van de AOC Chemical Resistance Guide alsook de expertise van AOC's technische serviceteam, rekening houdend met de verwerkte vloeistoffen en de ontwerptemperaturen gedetailleerd door de klant. Het was noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de voorgestelde harsen goed zouden presteren onder [de vereiste] omstandigheden," legt Adriano Ureña, technisch manager bij Ollearis, uit.

Ollearis selecteerde Atlac 590 epoxynovolaakhars voor de quench tank, wat de eerste fase is van het gasreinigingsproces. De tank meet 11,8 meter hoog met een binnen diameter (ID) van 3 meter. De uitdaging is dat tijdens bedrijf, uitlaatgas van de verbrandingsunit deze quench tank binnenkomt bij een temperatuur van ongeveer 300°C, en daarna heel snel afgekoeld wordt door water gespoten vanuit mondingen nabij de gasinlaat. Atlac 590 werd gekozen om weerstand te bieden tegen zoutzuuroplossing en behoud van sterkte bij de vereiste verhoogde temperaturen.

Voor de 14,10 meter hoge scrubber, de 39,7 meter hoge uitlaatstak waaruit het gereinigde gas wordt vrijgegeven en de 1,45 meter lange kanaal die de scrubber en de quench tank verbindt, werd Atlac 430 bisfenol A epoxivinylesterhars gekozen. Dit is een veelzijdig, standaard product dat past bij de relatief minder uitdagende temperaturomstandigheden voor deze componenten – de ontwerptemperaturen van de scrubber en uitlaatstak bereiken maximaal 85°C. De scrubber wordt blootgesteld aan zoutzuuroplossing afkomstig uit de quench tank alsook natriumhydroxide oplossing aanwezig in het scrubberwater dat gebruikt wordt om het zuur te neutraliseren. De uitlaatstak is ook blootgesteld aan lucht met een kleine hoeveelheid zoutzuur en nat chloor.

Voor het buizensysteem geïnstalleerd rond de scrubber en quench tank, werd Atlac 383 onverzadigde bisfenol A polyesters gekozen voor zijn chemische resistentie tegen zuur en kaustische vloeistoffen tegen lagere kosten dan standaard vinylesterharsen.

De quench tank, scrubber en cilindrische delen van de stak werden gefabriceerd via een hybride productieproces, combinatie van nat filament winding met een exterieure laag bidirectionele geweven stoffen die simultaan aangebracht werden. Deze combinatie produceerde onderdelen met betere mechanische eigenschappen in zowel de hooprichting (van filament winding) als axiale richting (van de stoffen, die uitgelijnd zijn met de as van het onderdeel). De toevoeging van geweven stof verlaagde ook het gewichtspercentage glasvezel per onderdeel, van 70% voor een volledig filament-gewonden onderdeel tot 55%. Dit verhoogt de hoeveelheid corrosievaste hars per onderdeel. Overige componenten werden geproduceerd via hand lamineren.

Ontwerpuitdagingen oplossen

Ollearis stond diverse uitdagingen tegenover bij het ontwerpen van de apparatuur voor dit project. Een uitdaging kwam door de noodzaak om een harsrijke corrosiebarrièrelaag op de binnenkant van de quench tank op te nemen, wat risico's van krakelel – of barstvorming – opleverde door thermische schok tijdens bedrijf. Het team verbeterde de weerstand van het onderdeel tegen thermische schok door de corrosiebarrière te versterken met een koolstofvezel oppervlakte voering.

Een tweede uitdaging was dat Ollearis een manier moest vinden om het gewicht van de vulling in de scrubber te ondersteunen – de vulling is het materiaal dat de gassen uit de door de scrubber passende lucht verwijdert. Om dit op te lossen, installeerde Ollearis een composiet rooster onder de vulling, ondersteund door een composiet plank en twee composiet balken. De plank en balken hebben een hol, rechthoekig dwarsdoorsnede, en de plank is gevuld met polyurethaanschuim. De plank werd direct in de filament-gewonden cilindrische scrubber als één stuk gefabriceerd; lijmen na fabricage zou een risico op ontlijming vormen door belasting van het vullingsgewicht. De balken worden ondersteund door speciaal ontworpen composiet mondingen die aan de scrubbermantel gelijmd zijn.

Een derde ontwerpuitdaging kwam doordat de quench tank en scrubber onder vacuüm werken maar platte bodems hebben – platte composietpanelen hebben slechte weerstand tegen druk en vacuüm en moeten meestal erg dik zijn om dergelijke belasting te weerstaan, wat ze duur maakt om te fabriceren. Om de projectdoelen te halen, ontwikkelde Ollearis een minder kostbare oplossing door een zandwichconstructie te gebruiken bestaande uit een kern van harsgeïmpregneerd 3D glasvezeldoek met composiet huidlagen, om de kosten en het gewicht van een massief composietonderdeel te reduceren.

Voor dit project werden de composietcomponenten in 2016 ontworpen en geleverd, met definitieve installatie voltooid in 2017.