Mejorando la durabilidad de plantas petroquímicas con resinas FRP resistentes a la corrosión

Los materiales compuestos son conocidos por su durabilidad en entornos altamente corrosivos, pero para un rendimiento óptimo es esencial seleccionar la resina adecuada para cada aplicación. El complejo petroquímico de Petrokemya, filial de SABIC (Riyadh, Arabia Saudita), en Jubail, Arabia Saudita, produce una variedad de químicos de materia prima como etileno, estireno, cloro, etanol industrial crudo y más. Para el proceso de producción, el complejo requería una unidad de combustión con varios componentes y tuberías grandes que deben resistir ácido clorhídrico sin corroerse.

El diseño y fabricación del tanque de enfriamiento (quench), lavador (scrubber), tanque de escape y vasijas y tuberías asociadas fue encomendado a un equipo que incluía al fabricante de equipos resistentes a la corrosión Ollearis (Martorelles, España), el contratista China Tianchen Engineering Corp. (TCC, Tianjin, China) y la firma de ingeniería John Zink Hamworthy Combustion (Tulsa, Oklahoma, EE. UU.). Estos componentes debían resistir el contacto con ácido clorhídrico, cumplir varios retos de diseño y ser una solución rentable.

Se eligieron compuestos reforzados con fibra de vidrio como material capaz de soportar químicos altamente corrosivos, ofreciendo una solución más rentable que aleaciones metálicas especializadas. Todos los componentes principales se construyeron con plástico reforzado con fibra (FRP), con algunas excepciones menores incluyendo orejetas de elevación y sujeción (acero inoxidable), boquillas de pulverización (termoplástico o metálicas) y relleno del lavador.

Para proporcionar la solución más económica mientras se satisfacían los requisitos de rendimiento, Ollearis recurrió a tres resinas Atlac de AOC (Collierville, Tennessee, EE. UU.). "Seleccionamos los tipos de resina usando la Guía de Resistencia Química de AOC así como la experiencia del equipo de servicio técnico de AOC, considerando los fluidos manejados y las temperaturas de diseño detalladas por el cliente. Era necesario asegurar que las resinas propuestas funcionaran bien bajo [las condiciones requeridas]", explica Adriano Ureña, gerente técnico en Ollearis.

Selección de resinas por componente

Ollearis seleccionó resina epoxi Novolac Atlac 590 para el tanque de enfriamiento, que es la primera fase del proceso de limpieza de gases. El tanque mide 11,8 metros de alto con un diámetro interior (DI) de 3 metros. El reto es que, cuando está operativo, el gas de escape de la unidad de combustión entra en este tanque de enfriamiento a una temperatura de aproximadamente 300 °C, y luego se enfría muy rápidamente por agua pulverizada desde boquillas cerca de la entrada de gas. Atlac 590 fue elegido para proporcionar resistencia a la solución de ácido clorhídrico y retención de resistencia a las temperaturas elevadas requeridas.

Para el lavador de 14,10 metros de alto, la chimenea de escape de 39,7 metros de alto desde la que se libera el gas limpio y el conducto de 1,45 metros de largo que conecta el lavador y el tanque de enfriamiento, se eligió la resina éster vinílico epoxi bisfenol A Atlac 430. Se dice que es un producto versátil y estándar que coincide con las condiciones de temperatura comparativamente menos exigentes para estos componentes – las temperaturas de diseño del lavador y la chimenea alcanzan hasta 85 °C. El lavador está expuesto a solución de ácido clorhídrico que entra desde el tanque de enfriamiento, así como a solución de hidróxido de sodio presente en el agua de lavado que se usa para neutralizar el ácido. La chimenea de escape también está expuesta a aire que contiene una pequeña cantidad de ácido clorhídrico y cloro húmedo.

Para el sistema de tuberías instalado alrededor del lavador y el tanque de enfriamiento, se eligió el poliéster insaturado bisfenol A Atlac 383 por su resistencia química contra fluidos ácidos y cáusticos a un coste menor que las resinas éster vinílico estándar.

El tanque de enfriamiento, el lavador y las partes cilíndricas de la chimenea se fabricaron mediante un proceso de fabricación híbrido, combinando bobinado por filamentado en húmedo con una capa exterior de tejidos bidireccionales tejidos aplicados simultáneamente. Esta combinación produjo piezas con mejores propiedades mecánicas tanto en dirección circunferencial (desde el bobinado por filamentado) como axial (desde los tejidos, que se alinean con el eje de la pieza). La adición de tejido también redujo el porcentaje en peso de fibra de vidrio por pieza, del 70% para una pieza totalmente bobinada al 55%. Esto aumenta la cantidad de resina resistente a la corrosión por pieza. Otros componentes se produjeron mediante estratificación manual.

Resolviendo retos de diseño

Ollearis enfrentó varios retos al diseñar el equipo para este proyecto. Uno vino de la necesidad de incluir una capa de barrera contra corrosión rica en resina en la superficie interior del tanque de enfriamiento, lo que planteaba riesgos de agrietamiento – o craquelado – debido a choque térmico durante la operación. El equipo mejoró la resistencia del componente al choque térmico reforzando la barrera contra corrosión con un velo de superficie de fibra de carbono.

Un segundo reto fue que Ollearis necesitaba encontrar una forma de soportar el peso del relleno dentro del lavador – el relleno es el material que elimina los gases del aire que pasa a través del lavador. Para resolver esto, Ollearis instaló una rejilla compuesta debajo del relleno, soportada por un voladizo compuesto y dos vigas compuestas. El voladizo y las vigas tienen una sección transversal rectangular hueca, y el voladizo está relleno de espuma de poliuretano. El voladizo se fabricó directamente en el lavador cilíndrico bobinado por filamentado como una sola pieza; el encolado después de la fabricación supondría un riesgo de despegue debido a las cargas del peso del relleno. Las vigas están soportadas por boquillas compuestas especialmente diseñadas unidas al casco del lavador.

Un tercer reto de diseño vino del hecho de que el tanque de enfriamiento y el lavador operan bajo vacío pero tienen fondos planos – los paneles compuestos planos tienen poca resistencia a la presión y al vacío y generalmente necesitan ser muy gruesos para soportar tales cargas, lo que los hace caros de fabricar. Para cumplir los objetivos del proyecto, Ollearis desarrolló una solución menos costosa usando una construcción sándwich que comprende un núcleo de tejido de fibra de vidrio 3D impregnado de resina enfrentado con capas de piel compuestas, para reducir el coste y peso de una pieza compuesta sólida.

Para este proyecto, los componentes compuestos se diseñaron y entregaron en 2016, con la instalación final completada en 2017.