Estudi de corrosió i selecció de material d‘un reactor per a la producció de SAF
Abstract
En aquest treball, s’estudia el disseny d’un reactor que forma part d’una planta de producció de biocombustibles per a l'aviació o SAF (sustainable aviation fuel) a partir de greixos. Aquest reactor és una part essencial del procés, ja que en ell passem de tenir els greixos, d’origen vegetal o animal dels quals s’alimenta, a compostos químics que poden ser tractats, com les parafines. Els greixos dels quals s’alimenta el reactor avui en dia no tenen gaire sortida i són vistos com un residu, d’aquesta manera se li podrà donar sortida a greixos residuals comuns, com ara olis, i aprofitar-se per a poder reduir l’ús de combustibles fòssils. Així doncs, en aquesta memòria s’estudia el disseny del reactor que du a terme el procés anteriorment mencionat. S’estudiaran les condicions de treball a les que l’equip està exposat, ja que per aconseguir els productes que volem s’ha d’operar a altes temperatures i pressions, a més a més, gran part del procés utilitza hidrogen, que en contacte amb els acers pot ocasionar problemes greus de corrosió. Al llarg de la memòria es detallen com funcionen els diferents mecanismes de corrosió que podrien afectar el reactor i posteriorment s’analitza quins són realment una amenaça per a la seva integritat estructural. Posteriorment, es farà una recerca per determinar quina és la millor elecció de material possible per fer cada part del reactor, i seguit d’això, es portarà a terme un seguiment complet del procés de construcció per tal d’assegurar que no hi haurà risc de fallades, tot analitzant el reactor amb estris especialitzats sense danyar l’estructura. Per acabar, s'inclou la planificació seguida durant el projecte, així com el pressupost d'aquest. A més a més, es realitza un estudi ambiental per avaluar l’impacte ambiental que aquest procés comporta, i es compararà el resultat final de l’estimació de contaminació amb una predicció dels possibles avantatges que aquest reactor proporcionarà al llarg d’uns anys en referent a l’estalvi de combustibles fòssils, per tal de determinar si la seva implementació és bona o perjudicial per al medi ambient. En resum, aquesta memòria escrita demostra que el projecte s'ha dut a terme de manera satisfactòria. S'han seguit totes les fases necessàries per a l'execució del projecte i s'han aconseguit tots els objectius marcats inicialment, tant tècnics i professionals com personals.
Full text
Treball de Fi de Grau Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials Estudi de corrosió i selecció de material d‘un reactor per a la producció de SAF MEMÒRIA Autor: Aleix Alejandre Tarragó Director: Jose Luis Martin Godoy Convocatòria: Gener 2025 Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona
Pàg. 2 Memòria
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 3 Resum En aquest treball, s’estudia el disseny d’un reactor que forma part d’una planta de producció de biocombustibles per a l'aviació o SAF (sustainable aviation fuel) a partir de greixos. Aquest reactor és una part essencial del procés, ja que en ell passem de tenir els greixos, d’origen vegetal o animal dels quals s’alimenta, a compostos químics que poden ser tractats, com les parafines. Els greixos dels quals s’alimenta el reactor avui en dia no tenen gaire sortida i són vistos com un residu, d’aquesta manera se li podrà donar sortida a greixos residuals comuns, com ara olis, i aprofitar-se per a poder reduir l’ús de combustibles fòssils. Així doncs, en aquesta memòria s’estudia el disseny del reactor que du a terme el procés anteriorment mencionat. S’estudiaran les condicions de treball a les que l’equip està exposat, ja que per aconseguir els productes que volem s’ha d’operar a altes temperatures i pressions, a més a més, gran part del procés utilitza hidrogen, que en contacte amb els acers pot ocasionar problemes greus de corrosió. Al llarg de la memòria es detallen com funcionen els diferents mecanismes de corrosió que podrien afectar el reactor i posteriorment s’analitza quins són realment una amenaça per a la seva integritat estructural. Posteriorment, es farà una recerca per determinar quina és la millor elecció de material possible per fer cada part del reactor, i seguit d’això, es portarà a terme un seguiment complet del procés de construcció per tal d’assegurar que no hi haurà risc de fallades, tot analitzant el reactor amb estris especialitzats sense danyar l’estructura. Per acabar, s'inclou la planificació seguida durant el projecte, així com el pressupost d'aquest. A més a més, es realitza un estudi ambiental per avaluar l’impacte ambiental que aquest procés comporta, i es compararà el resultat final de l’estimació de contaminació amb una predicció dels possibles avantatges que aquest reactor proporcionarà al llarg d’uns anys en referent a l’estalvi de combustibles fòssils, per tal de determinar si la seva implementació és bona o perjudicial per al medi ambient. En resum, aquesta memòria escrita demostra que el projecte s'ha dut a terme de manera satisfactòria. S'han seguit totes les fases necessàries per a l'execució del projecte i s'han aconseguit tots els objectius marcats inicialment, tant tècnics i professionals com personals.
Pàg. 4 Memòria Resumen En este trabajo, se estudia el diseño de un reactor que forma parte de una planta de producción de biocombustibles para la aviación o SAF (sustainable aviation fuel) a partir de grasas. Este reactor es una parte esencial del proceso, ya que en él se transforma las grasas, de origen vegetal o animal, en compuestos químicos que pueden ser tratados, como las parafinas. Las grasas utilizadas por el reactor hoy en día tienen poca salida y se consideran un residuo, por lo que se podrá dar salida a grasas residuales comunes, como aceites, y aprovecharlas para reducir el uso de combustibles fósiles. Así pues, en este informe se estudia el diseño del reactor que lleva a cabo el proceso mencionado anteriormente. Se analizarán las condiciones de trabajo a las que el equipo está expuesto, ya que para obtener los productos deseados se debe operar a altas temperaturas y presiones, además de que gran parte del proceso utiliza hidrógeno, lo que puede causar problemas graves de corrosión al entrar en contacto con los aceros. A lo largo del informe se detallan los diferentes mecanismos de corrosión que podrían afectar al reactor y, posteriormente, se analiza cuáles realmente representan una amenaza para su integridad estructural. A continuación, se llevará a cabo una investigación para determinar la mejor elección de material posible para fabricar cada parte del reactor, y luego se realizará un seguimiento completo del proceso de construcción para asegurar que no haya riesgo de fallos, todo ello analizando el reactor con herramientas especializadas sin dañar la estructura. Finalmente, se incluye la planificación seguida durante el proyecto, así como el presupuesto de este. Además, se realiza un estudio ambiental para evaluar el impacto ambiental de este proceso, y se comparará el resultado final de la estimación de contaminación con una predicción de los posibles beneficios que este reactor proporcionará a lo largo de los años en términos de ahorro de combustibles fósiles, con el fin de determinar si su implementación es beneficiosa o perjudicial para el medio ambiente. En resumen, este informe demuestra que el proyecto se ha llevado a cabo de manera satisfactoria. Se han seguido todas las fases necesarias para la ejecución del proyecto y se han alcanzado todos los objetivos establecidos inicialmente, tanto técnicos y profesionales como personales.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 5 Abstract In this work, the design of a reactor that is part of a biofuel production plant for aviation or SAF (sustainable aviation fuel) from fats is studied. This reactor is an essential part of the process, as it transforms fats, of either vegetable or animal origin, into chemical compounds that can be processed, such as paraffins. The fats used by the reactor today have little demand and are considered waste, thus enabling the use of common residual fats, such as oils, and making it possible to reduce the use of fossil fuels. Therefore, this report studies the design of the reactor that carries out the aforementioned process. The operating conditions to which the equipment is exposed will be analyzed, as to obtain the desired products, it must operate at high temperatures and pressures, and also, much of the process uses hydrogen, which can cause serious corrosion issues when in contact with steels. Throughout the report, the various corrosion mechanisms that could affect the reactor are detailed, and subsequently, it is analyzed which ones truly represent a threat to its structural integrity. Next, research will be carried out to determine the best material choice for manufacturing each part of the reactor, followed by a thorough monitoring of the construction process to ensure that there will be no risk of failures, analyzing the reactor with specialized tools without damaging the structure. Finally, the planning followed during the project is included, as well as the project’s budget. In addition, an environmental study is conducted to assess the environmental impact of this process, and the final result of the pollution estimate is compared with a prediction of the potential benefits this reactor will provide over the years in terms of fossil fuel savings, to determine whether its implementation is beneficial or harmful to the environment. In summary, this written report demonstrates that the project has been carried out satisfactorily. All the necessary phases for the execution of the project have been followed, and all the objectives initially set, both technical and professional as well as personal, have been achieved.
Pàg. 6 Memòria Contingut RESUM ____________________________________________________ 3 RESUMEN _________________________________________________ 4 ABSTRACT ________________________________________________ 5 CONTINGUT________________________________________________ 6 GLOSSARI I NOMENCLATURA ________________________________ 8 LLISTAT DE FIGURES ______________________________________ 11 LLISTAT DE TAULES _______________________________________ 13 1. PREFACI _____________________________________________ 14 2. INTRODUCCIÓ ________________________________________ 15 2.1. Motivació .......................................................................................................... 15 2.2. Abast del treball .............................................................................................. 16 2.3. Requeriments previs ...................................................................................... 16 2.4. Objectius del treball ........................................................................................ 17 3. PART TEÒRICA ________________________________________ 18 3.1. Descripció de corrosió.................................................................................... 18 3.2. Fonaments bàsics de la corrosió .................................................................. 19 3.3. Termodinàmica de la corrosió ....................................................................... 20 3.4. Cinètica de la corrosió:................................................................................... 24 3.5. Mecanismes de corrosió ................................................................................ 26 3.5.1. Mecanismes de corrosió a baixes temperatures ............................................. 27 3.5.1.1. Corrosió galvànica ............................................................................ 27 3.5.1.2. Corrosió per picadures o ‘pitting’..................................................... 27 3.5.1.3. Corrosió per clevills .......................................................................... 28 3.5.1.4. Corrosió intergranular ....................................................................... 29 3.5.1.5. Erosió-corrosió .................................................................................. 30 3.5.1.6. Corrosió per estrès ........................................................................... 30 3.5.1.7. Corrosió per hidrogen....................................................................... 31 3.5.2. Mecanismes de corrosió a altes temperatures ................................................ 32 3.5.2.1. Oxidació a alta temperatura ............................................................ 32 3.5.2.2. Sulfitació ............................................................................................ 33
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 7 3.5.2.3. High temperature hidrogen attack (HTHA) .................................... 34 4. DESCRIPCIÓ DEL PROCÉS DE PRODUCCIÓ DE SAF ________ 36 5. ANÀLISI I RESULTATS __________________________________ 38 5.1. Procés de selecció de materials ................................................................... 38 5.1.1. Anàlisi mecànica ................................................................................................. 38 5.1.2. Contemplació de possibles corrosions ............................................................. 39 5.1.3. Anàlisi d’exposició ambiental ............................................................................. 47 5.1.4. Determinació del material .................................................................................. 48 5.1.5. Selecció final del material................................................................................... 52 5.2. Validació de l’equip dissenyat ....................................................................... 53 5.2.1. Test PMI ............................................................................................................... 53 5.2.2. Test ultrasònic de les soldadures ...................................................................... 55 5.2.3. Test magnètic de partícules ............................................................................... 56 5.2.4. Anàlisi de difracció ultrasònica de temps de vol (TOFD) ................................ 58 5.3. Pressupost del projecte ................................................................................. 60 6. PLANIFICACIÓ ________________________________________ 62 7. ESTUDI ECONÒMIC ____________________________________ 63 8. ESTUDI AMBIENTAL ___________________________________ 66 9. ESTUDI SOCIAL I D’IGUALTAT DE GÈNERE________________ 68 10. CONCLUSIONS ________________________________________ 69 11. AGRAÏMENTS _________________________________________ 71 12. BIBLIOGRAFIA ________________________________________ 72 13. ANNEXES_____________________________________________ 75
Pàg. 8 Memòria Glossari i Nomenclatura TFG: Treball fi de grau SAF: Sustainable aviation fuel (combustibles sostenibles per a l’aviació) HTHA: High temperature hidrogen attack (atac d’hidrogen a alta temperatura) API: American petroleum institute (institut americà del petroli) ANSI: American national standards institute (institut americà nacional d’estàndards) AWS: American welding society (societat americana de soldadura) WRC: Welding research council (consell de recerca de soldadura) ASME: American society of mechanical engineers (associació americana d’enginyers mecànics) ASTM: American society for testing and materials (associació americana de test i materials) IUPAC: Unió internacional de química pura aplicada (sigles en anglès) ∆𝐺°: Energia lliure de Gibbs (J) ∆𝐻°: Entalpia (J/kg) ∆𝑆°: Entropia (J/K) 𝑇: Temperatura absoluta (K) 𝑅: Constant dels gasos ideals (8,314472 J/(K·mol)) 𝐾: Constant d’equilibri (mol/L) 𝐸: Potencial corretgit de l’elèctrode (mV, tot i que en SI les unitats són V) 𝐸0: Potencial en condicions estàndard (mV, tot i que en SI les unitats són V) 𝑛: Nombre de mols d’electrons que participen a la reacció (mol) 𝐹: Constant de Faraday (96.500 C/mol) 𝑄: Quocient de reacció corresponent (adimensional) 𝑟𝑟𝑒𝑑: Ràtio de reducció
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 9 𝑟𝑜𝑥𝑖𝑑: Ràtio d’oxidació 𝑖0: Densitat de corrent intercanviada (A/𝑐𝑚2) 𝜂𝑎: Polarització d’activació (V) 𝑖: Densitat de corrent (A/𝑐𝑚2) 𝛽: Constant de Tafel (V) 𝛼: Coeficient de simetria 𝑖𝐿: Densitat limit de corrent de difusió (A/𝑐𝑚2) 𝐷: Coeficient de difusió (𝑐𝑚2/𝑠) 𝐶𝐵: Concentració de reactius en solució (mol/cm) 𝑥: Gruix de la capa de difusió (cm) 𝜂𝑐: Polarització per concentració (V) 𝜂𝑇: Polarització total (V) CR: ‘Corrosion rate’ o taxa de corrosió (mm/y) W: Massa perduda (g) A: Superfície inicial de material exposat (mm) T: temps d’exposició (d) D: Densitat del metall (g/mm3) PREN: Pitting resistance equivalent number (numero equivalent de resistència a pitting) 𝐶𝑟: % de Crom 𝑀𝑜: % de Molibdè 𝑊: % de Wolframi o Tungstè 𝑁: % de Nitrogen SCC: Stress corrosion cracking (corrosió per estrès) HCP: Hexagonal close packing (empaquetament hexagonal tancat)
Pàg. 16 Memòria 2.2. Abast del treball El treball té com a objectiu el disseny i selecció de material d’un reactor d’una planta de producció de biocarburants (SAF). És un treball amb un enfocament industrial, que analitza els aspectes de cada material en funció de les especificacions mecàniques de disseny de l’equip i el pressupost optimitzat pel i fabricació, disseny d’aquest, i d’aquesta manera elegir-ne el millor material per a cada component. El projecte se centrarà inicialment en l’estudi bibliogràfic de tots els factors que cal tenir en compte pel que fa a la corrosió i deterioració dels materials que posteriorment s’analitzaran. Ens centrarem en els mecanismes de corrosió que afecten certs tipus de materials, i l’evolució que tenen aquests, per tal de saber com actuen de ràpid i perquè succeeixen aquests fenòmens. Posteriorment, s’avaluaran els paràmetres mecànics del reactor per tal d’estimar els valors de resistència que haurà de suportar i es tindran en compte els elements amb els quals el reactor estarà en contacte, i des d’aquest punt, fer un llistat de possibles materials a utilitzar. Finalment, s’avaluarà la construcció del reactor i comprovarà que els processos de conformat del material s’han fet adequadament per tal d’evitar fallades per defectes o irregularitats durant la fase de construcció. Addicionalment, també es farà tant un estudi econòmic com un estudi d’impacte ambiental, en tractar-se d’un projecte d’enginyeria. 2.3. Requeriments previs Com en qualsevol projecte d’enginyeria, existeix un marc normatiu (normes legals i codis de disseny) que s’ha de respectar per tal que tot l’equip dissenyat i construït pugui ser instal·lat de forma correcta i segura. En el sector petroquímic i de refinament per la de selecció de materials existeixen diferents estàndards referents que les empreses segueixen per tal de guiar-se a l’hora de fer els projectes com l’API, l’ANSI, l’ASME, el WRC, l’AWS o l’ASTM, entre d’altres. L’estàndard API en empreses relacionades amb la petroquímica és referent arreu del món, aporten referències en moltíssims àmbits de disseny en condicions molt diverses, variant la pressió, la temperatura d’operació o els elements i compostos tractats, entre d’altres. D’altra banda, l’estàndard ASTM és molt més general, i en l’àmbit d’enginyeria en conjunt és dels més referents, té més de 13.000 estàndards relacionats amb moltes disciplines. Centrat en l’àmbit de ciència de materials dona molta idea sobre els diferents tipus de soldadura, tractaments tèrmics, requisits químics, requisits mecànics, d’estructura, etc.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 17 2.4. Objectius del treball L’objectiu general del treball és fer la millor selecció de material i un molt bon procés de seguiment del conformat d’un reactor d’una planta de producció de biocarburant, per a millorar la seva durabilitat i assegurar el seu bon funcionament. Portant a terme una extensa recerca sobre ciència de materials, mètodes de corrosió i sistemes de control de degradació dels equips per tal que en projectes, tant actuals com futurs, es sàpiguen aplicar els materials més adients i els procediments més adequats de seguiment de la fabricació de l’equip per poder treure la màxima rendibilitat a la instal·lació. Per assolir aquest resultat final s’han establert uns objectius particulars: • Recerca bibliogràfica de la naturalesa de la corrosió i dels materials més usats en la indústria pel disseny d’equips d’hidrogenació a altes temperatures i pressions. • Estudi dels diferents sistemes de corrosió que afecten principalment els materials anteriorment trobats, les seves causes, quins efectes tenen en els materials i de quina manera es poden prevenir. • Trobar els millors mètodes d’anàlisi no destructiu per a poder fer un seguiment de l’equip, tant durant la seva construcció així com durant la seva l'operació, per tal d’optimitzar les feines de manteniment pertinent. • Calcular l‘impacte mediambiental que té un projecte d’aquestes característiques en el nostre planeta. • Avaluar el cost econòmic d’una instal·lació en funció del material utilitzat per tal de tenir la menor despesa possible.
Pàg. 18 Memòria 3. Part teòrica Aquest capítol pretén donar a entendre el desenvolupament teòric del treball, es parlarà tant dels diferents principals mecanismes de corrosió que ataquen als metalls dels quals està composat el reactor, com dels fonaments fisicoquímics de la corrosió per tal d’entendre el seu funcionament. És un estudi bibliogràfic i de caràcter informatiu. 3.1. Descripció de corrosió En aquest TFG els tipus de mecanismes de corrosió estudiats seran sobretot els que afecten els materials metàl·lics, però no hem d’oblidar que la corrosió és un fenomen molt més ampli que afecta pràcticament a tots els materials existents (metalls, ceràmics, polímers...) i que es pot produir en ambients molt diversos, ja sigui en contacte amb l’aire de l’atmosfera, en mitjans aquosos o a altes i baixes temperatures, per exemple. La corrosió a en l’àmbit industrial és un problema greu, pel fet que acostuma a ser un dels principal responsable dels accidents que succeeixen, com el trencament de peces, i també perquè representa un cost important. Es calcula que aproximadament cada pocs segons es dissolen cinc tones d’acer al món, uns pocs nanòmetres o picòmetres invisibles en cada peça, però que multiplicat per la quantitat d’acer existent al món són realment una pèrdua greu de material [2]. Quan parlem de metalls la gran majoria de casos de corrosió es deuen a un fenomen electroquímic entre el material i l’ambient que l’envolta, explicat a la figura I. Perquè aquesta reacció succeeixi calen: • Un ànode, el pol negatiu que es corroeix (material) • Un càtode, on els electrons de l’ànode van a parar • Una continuïtat elèctrica entre l’ànode i el càtode (conductor intern) • Un medi electrolític que està en contacte tant amb l’ànode com el càtode per transportar els electrons de l’un a l’altre (conductor extern) Figura I. Triangle de la corrosió. (font: Technip Energies)
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 19 3.2. Fonaments bàsics de la corrosió La corrosió dels metalls és un fenomen de caràcter espontani vist des del punt termodinàmic, a la terra els elements estan presents de manera natural en forma d’òxids. Des del primer moment en el qual els humans vam començar a tractar amb metalls hem intentat reduir els seus òxids en forns per tal de poder-ne obtenir el metall pur, elemental. Quan un metall és corroeix comporta una pèrdua de propietats mecàniques, en perdre capacitats el material no complirà els requisits tècnics per als quals la peça va ser dissenyada, fet que pot ocasionar la fallida del material en si. Això s’ha d’evitar perquè comporta un cost econòmic en l'haver de substituir la peça, una perduda de temps de productivitat, una perduda de material que podria haver tingut una vida útil més llarga amb un bon manteniment, i un cost humà o mediambiental en cas que la fallida ocasioni una desgràcia. La corrosió dels metalls implica dues reaccions simultànies una d’oxidació i una de reducció, anomenat procés redox, que impliquen la circulació d’electrons i ions. En aquestes reaccions hi ha l’agent oxidant, que és l’element que capta els electrons transferits augmentant la seva càrrega negativa, sent el que es redueix, i d’altra banda tenim l’agent reductor, que perd els electrons transferits augmentant així la seva càrrega positiva, sent l’oxidat. En cada part del metall succeeixen les respectives reaccions: a l’ànode apareix la reacció anòdica o reacció d’oxidació, i al càtode apareix la reacció catòdica o reacció de reducció, això ho podrem apreciar a la figura II. En funció de l’ambient es poden distingir dos tipus diferents de corrosió, la humida i la seca: • Corrosió humida: l’ambient aquós actua d’electròlit, on els agents oxidants poden estar dissolts en aigua. Aquest tipus de corrosió es du a terme a una temperatura inferior a la seca i és el tipus més comú. Un exemple seria el ferro en contacte amb l’aire amb humitat. • Corrosió seca: També se’n diu corrosió a alta temperatura és menys comú que la humida ja que calen altes temperatures perquè succeeixin. Passen en absència de fase líquida perquè el mateix metall i la capa d’òxid que creix a sobre actuen de mitja de transport dels electrons i els ions. Aquest tipus de corrosió és dona en ambient àcid, quan hi ha ions com ara d’hidrogen, o en medi bàsic en presència d’ions hidròxid.
Pàg. 20 Memòria Figura II. Exemple de corrosió d’una barra de ferro en ambient aquós. (font: Technip Energies) 3.3. Termodinàmica de la corrosió Hi ha certs aspectes termodinàmics de la corrosió que cal explicar en detall per tal d’entendre que succeeix entre els metalls que reaccionen. El primer aspecte important a comentar es l’energia de Gibbs (∆𝐺°), segons la IUPAC, entalpia lliure, o simplement energia lliure. L’energia lliure és un potencial termodinàmic, és a dir, una funció d’estat extensiva amb unitats d’energia que dona la condició d’equilibri i d’espontaneïtat d’una reacció química a temperatura i a pressió constants. És la quantitat màxima de treball de no expansió que es pot extreure d’un sistema tancat termodinàmicament a pressió i temperatura constant, o sigui, que solament pot intercanviar calor o treball amb l’entorn però no matèria [3]. L’energia lliure té diferents expressions, si en parlem d’ella com un procés a temperatura i pressió constants es defineix com: ∆𝐺°=∆𝐻°−𝑇∆𝑆° (Eq. 01) Però també podem parlar de l’energia de Gibbs molar, que es pot relacionar de manera convenient amb la constant d’equilibri de la reacció segons: ∆𝐺°=−𝑅𝑇·ln(𝐾) (Eq. 02) La informació més important que ens dona l’energia lliure és sobre l’espontaneïtat d’una reacció, saber si una reacció es donarà o no de forma aleatòria, i per saber si una reacció serà espontània o no cal mirar si ∆𝐺° és: • ∆𝐺°>0, on la reacció no serà espontània. • ∆𝐺°=0, on la reacció està en equilibri i res succeirà. • ∆𝐺°<0, on la reacció compleix la condició d’espontaneïtat.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 21 El segon aspecte important és l’equació de Nernst [2], que ens ajuda a saber el potencial de reducció d’un elèctrode quan les condicions no són les estàndard (temperatura de 298K, 1 atm de pressió, concentració 1M). S’expressa amb la següent equació: 𝐸 =𝐸0−𝑅𝑇 𝑛𝐹 ·ln (𝑄) (Eq. 03) El potencial de reducció determina la tendència que tenen les espècies químiques a reduirse, és a dir, a prendre electrons en les reaccions que impliquen l’intercanvi d’aquests. En l’equació de Nernst, 𝐸0, que és el potencial en condicions estàndard, l’hem de buscar tabulat en les taules de potencials de reducció. Un exemple de taula amb potencials són els que apareixen a la taula I. Taula I. Diferents potencials de reducció tabulats. (font: Cathwell [4]) Aquests potencials s’obtenen utilitzant cel·les galvàniques, formades per dues semi-cel·les dotades dels elèctrodes apropiats, un elèctrode amb un potencial conegut i l’altre amb el potencial a determinar, tots dos units per un pont salí i connectant els elèctrodes amb un voltímetre per mesurar-ne així el seu potencial de reducció. I l’últim aspecte termodinàmic que cal recalcar són els diagrames de Pourbaix. Aquests diagrames representen l’espècie o fase més estable d’un element en solució aquosa en funció del potencial (eix Y) i el pH (eix X). Són molt útils per l’estudi de la corrosió donat que aquests diagrames inclouen espècies en fase de solució i sòlids insolubles o poc solubles (en alguns diagrames això apareix representat amb designadors (s), (l) i (aq) per indicar sòlid, líquid o aquos, respectivament). També ens són d’ajut a causa del fet que ens pot arribar a proporcionar estratègies de protecció pels metalls que necessitem. En aquests
Pàg. 22 Memòria diagrames hi ha tres tipus diferents de línies: les horitzontals són reaccions que solament depenen del potencial, les verticals són reaccions que solament depenen del pH, i les obliqües són reaccions que depenen tant del potencial com del pH. Totes les zones es poden distingir a la figura III. Figura III. Diagrama de Pourbaix del ferro. (font: Penn State University [5]) Els diagrames de Pourbaix són similars als diagrames de fase, però a diferència d’un diagrama de fases convencional, aquí podem dividir el diagrama en tres regions: • Regió d’immunitat: Zona on el metall és termodinàmicament estable. • Regió de corrosió: Zona on les espècies estables són els ions solubles del metall. • Regió de passivació: Zona on la que un compost poc soluble del metall forma una capa fina protectora (passivada) sobre la superfície, donant com a resultat una reacció molt lenta (zona d’estabilitat d’òxids i hidròxids). Cada regió representa les espècies dominants en lloc de les úniques espècies presents, sota un conjunt de condicions donat, i per a espècies en solució, les especies dominants no sol dependran del potencial i del pH, sinó també de la seva concentració. Alhora, hi ha diagrames de Pourbaix que mostren informació més detallada, un exemple d’això són que es mostren les línies d’equilibri de reducció de l’aigua. Aquestes línies són útils per molts aspectes, com és en els casos on l’oxidació i reducció de l’aigua és ràpida
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 23 en relació amb el fenomen electroquímic d’interès, gràcies a aquestes línies veurem sí els potencials d’oxidació i reducció de l’aigua limiten el potencial que pot experimentar l’element, és a dir, si una solució està exposada a un potencial més extrem en forma d’elèctrode o reductor químic fort aleshores aquella substància oxidarà o reduirà l’aigua en lloc de l’element representat al diagrama. També ens poden ajudar a veure l’equilibri de reducció de l’oxigen, ja que en ambients rics en oxigen, el seu potencial de reducció és dependent del pH. En la figura IV podem observar un diagrama de Pourbaix complet: Figura IV. Diagrama de Pourbaix del ferro amb línies d’equilibri de l’aigua. (font: Chemistrylibretext [6]) En el diagrama IV per exemple el potencial d’equilibri està per sobre de la regió d’estabilitat del ferro metàl·lic, això ens indica que el ferro metàl·lic no és termodinàmicament estable a les pressions parcials de l’oxigen del diagrama, a diferència del 𝐹𝑒3+, que sí que ho és. Les aplicacions dels diagrames de Pourbaix impliquen estimar com el potencial d’un sistema en equilibri canvia en diferents condicions.
Pàg. 24 Memòria 3.4. Cinètica de la corrosió: La cinètica de la corrosió es refereix al mesurament científic de l’estabilitat de les espècies químiques presents durant un procés de corrosió amb diferents substrats de materials. Aquesta examina la polarització dels reactants en termes de les seves tendències catòdiques i anòdiques i gràcies a això analitzem a quina ràtio el metall es corroeix. Sobretot s’enfoca en l’estudi dels factors que influeixen en la velocitat a la qual succeeix la reacció, els factors més determinants són: • Concentració d’oxigen: A major concentració d’oxigen en l’entorn afectarà a una major velocitat de corrosió. • pH: Tenir un pH baix en la corrosió pot augmentar la velocitat de corrosió, però tenir un pH alt pot arribar a disminuir-la. • Temperatura: Una temperatura alta en l’ambient de la reacció afavoreix a augmentar la seva velocitat. Com és d’esperar no tots els materials tenen cinètiques de corrosió iguals, o sigui que a part de les condicions anteriors, hem de saber que hi ha propietats intrínseques de cada material que entren en joc a l’hora de determinar la velocitat de corrosió. Les condicions d’equilibri dictaminen que la ràtio d’oxidació i reducció d’una reacció han de ser iguals. Si prenem un elèctrode d’hidrogen i representem el seu potencial versus la ràtio de reacció trobarem un punt que representa la ràtio particular d’intercanvi de la reacció, expressat en mols reaccionant per centímetre quadrat per segon. Aquesta ràtio particular d’intercanvi es pot expressar com densitat de corrent [3]. Podem expressar aquesta densitat de corrent a partir de la llei de Faraday: 𝑟𝑟𝑒𝑑 =𝑟𝑜𝑥𝑖𝑑 =𝑖0 𝑛𝐹 (Eq. 04) La densitat de corrent intercanviat és la ràtio d’oxidació i reducció d’una reacció en un elèctrode en equilibri expressat en termes de corrent intercanviat. El nom de densitat de corrent és solament una manera convenient de representar les ràtios d’oxidació i reducció atès que no hi ha flux d’electrons perquè l’elèctrode està en equilibri. La densitat de corrent d’intercanvi (𝑖0) és la velocitat de les reaccions d’oxidació i reducció en el punt d’equilibri i constitueix un indicador indirecte de la facilitat amb la qual poden ocorre les reaccions. La polarització electroquímica se centra principalment a estudiar la cinètica de la corrosió mitjançant la mesura del corrent i la tensió d’una cel·la electroquímica. La polarització es divideix en dos tipus, la d’activació i la de concentració. La polarització d’activació és el resultat de les etapes de la reacció en la interfase estructura/electròlit, incloent-hi aquella on té lloc la transferència de càrregues. La reacció de transferència de càrregues implica que un electró es mogui des de la superfície del
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 25 metall fins al reactiu, que es troba a l’altra banda de la interfase, a l’electròlit. Si la reacció de transferència de càrregues o qualsevol etapa de la mateixa reacció en la superfície metàl·lica és l’etapa més lenta dins del procés general de la reacció, diem que aquest procés està controlat per la polarització d’activació. 𝜂𝑎=𝛽 log (𝑖 𝑖0) (Eq. 05) Amb aquesta expressió anomenada equació de Tafel mesurem el overvoltage o el sobrevoltatge d’activació (polarització d’activació), on 𝛽 és la constant de Tafel, expressada com: 𝛽 =2.3 𝑅𝑇 𝛼𝑛𝐹 (Eq. 06) La constant de Tafel també és el pendent de polarització (el pendent d’una reacció catòdica és negatiu mentre que el d’una reacció anòdica és positiu) i és una funció de la reacció, la composició química de l’electròlit i la superfície de reacció. D’altra banda, la polarització per concentració és el resultat de les etapes de la reacció que involucren la difusió dels reactius fins a la superfície on succeeix la reacció. Qualsevol factor que produeixi l’esgotament dels reactius o l’acumulació dels productes d’una reacció, farà que disminueixi la velocitat de la reacció i que augmenti la polarització per concentració. Si l’etapa més lenta del procés de reacció és causada per l’espera en l’arribada de reactius o en la remoció de productes, direm que la reacció està controlada per la polarització per concentració [3]. Per a poder calcular la polarització per concentració hem de saber quina és la densitat límit de corrent de difusió. 𝑖𝐿=𝐷𝑛𝐹𝐶𝐵 𝑥 (Eq. 07) La densitat límit de corrent de difusió mesura la capacitat dels reactius d’arribar a la superfície reactiva i dels productes de la reacció per a abandonar aquesta superfície. Un cop tenim aquesta densitat de corrent definida podem definir la polarització per concentració: 𝜂𝑐=2.3𝑅𝑇 𝑛𝐹 log (1 − 𝑖 𝑖𝐿) (Eq. 08) La polarització total d’una estructura serà la suma de la polarització d’activació amb la polarització per concentració: 𝜂𝑇=𝜂𝑎+𝜂𝑐 (Eq. 09) Podem visualitzar aquestes reaccions en la figura V, i en funció del voltatge i la densitat de corrent veure com evoluciona.
Pàg. 32 Memòria El debilitament per hidrogen acostuma a estar relacionat amb els metalls comentats anteriorment, per exemple, en el titani els hidrògens dissolts dins la seva estructura reaccionen i formen hidrurs que alteren les propietats inicials del titani, debilitant-lo. El mateix succeeix en acers al carboni i altres metalls, i encara que no se sap que succeeix exactament, el resultat és un debilitament del material respecte a l’inici de la difusió de l’hidrogen. 3.5.2. Mecanismes de corrosió a altes temperatures 3.5.2.1. Oxidació a alta temperatura És un tipus de corrosió directa a la base del material, que es pot donar en absència d’aigua líquida, que està exposada a una concentració d’oxigen elevada, tant pot ser atmosfèric com provinent de vapor d’aigua o diòxid de carboni, entre d’altres. El límit de gra juga un paper important, tant la forma com la mida de gra afecten l’oxidació, ja que una reducció de la mida de gra implica una reducció de les ràtios de corrosió pel fet que afecta la difusió i transport d’oxigen [11]. D’altra banda, l’augment de temperatura acostuma a implicar un augment en les ràtios d’oxidació, com podem veure en la figura XII. Figura XII. Variació del ratis d’oxidació en funció de la temperatura (font: researchgate [12]) Molts equips en plates industrials sofreixen aquest tipus de corrosió i per poder intentar corregir-los els aliatges amb crom, níquel silici o alumini són molt bones opcions. Un altre opció que afecta la ràtio de corrosió són els canvis en l’estructura cristal·lina dels materials, on l’estructura HCP presenta la ràtio de corrosió més baix d’entre totes les estructures.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 33 3.5.2.2. Sulfitació La sulfitació, com el seu nom indica, és un tipus de corrosió que involucra la reacció del sofre amb metalls a alta temperatura, provocant la formació de sulfurs metàl·lics que acostumen a ser més fràgils que els metalls inicials, podent ocasionar la fallada del material. La major part del sofre que causa la sulfitació surt de processos de dessulfuració en forma de 𝑆2, 𝐻2𝑆 o 𝑆𝑂2 , entre d’altres [3]. Aquests compostos gasosos de sofre poden desencadenar ràpidament en una precipitació interna de sulfurs estables en les superfícies metàl·liques amb imperfeccions a les seves capes oxidades de protecció. Un exemple d’un aliatge que pateix de sulfitació són els aliatges amb gran percentatge de níquel, aquests són atacats bruscament per compostos gasosos de sofre com els anteriorment mencionats quan tenim altes temperatures, tenint una ràpida penetració intergranular del sulfur provocant la desintegració estructural inicial del metall. El crom és un element fonamental per tractar contra la sulfitació, essent molt útils les aliatges de crom i els acers inoxidables amb un 12% Cr com a mínim (sèries 405 i 410). Per a poder controlar de manera efectiva la sulfitació es van desenvolupar una sèrie de taules anomenades corbes de McConomy, com les de la figura XIII, que en funció de la temperatura, del %S i el metall, pots treure una aproximació de la ràtio de corrosió que tindrà. Figura XIII. Exemple de corbes de McConomy (font: corrosionpedia [13])
Pàg. 34 Memòria Per a tractar amb les ràtios de corrosió causats pel 𝐻2𝑆 no ens són útils les taules anteriors, aleshores se’n van dissenyar unes altres anomenades corbes de Couper-Gorman, exemple d’aquestes en la figura XVII, i que en funció de la temperatura, el % molar 𝐻2𝑆 i el material en podem treure la ràtio de corrosió. Figura XIV. Exemple de corbes de Couper-Gorman (font: Emerson Automation [14]) 3.5.2.3. High temperature hidrogen attack (HTHA) L’atac per hidrogen a alta temperatura (HTHA) és un mecanisme de corrosió que té una gran importància dins del món industrial. Aquest mecanisme de corrosió és capaç d’atacar els metalls de dues maneres [15]: La primera és la descarburització de la superfície del metall, és similar a altres formes de corrosió a alta temperatura on el metall està en contacte amb altres gasos com oxigen o diòxid de carboni. Aquest fenomen ocorre quan els àtoms d’hidrogen reaccionen amb els carburs de l’acer que són a la superfície o propers a ella, conseqüentment compostos gasosos de carboni són formats, deixant l’acer amb menys carboni i afectant les seves propietats. És a dir, el carboni és subministrat pels diferents carburs de l’acer i això provoca que la ràtio de descarburització de la superfície estigui directament relacionat amb l’estabilitat dels carburs de l’acer. Els efectes que això provoca són la disminució de la resistència i de la duresa del material i l’augment de la seva ductilitat en zones molt concretes de la superfície, provocant que el material sigui més deformable en aquelles zones. Com acostumen a ser defectes no gaire grans no s’acostuma a tenir la descarburització de la superfície tan present com la descarburització interna.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 35 La segona és la descarburització interna, la més comuna i perillosa. Aquesta succeeix en els acers exposats a altes pressions parcials d’hidrogen a elevades temperatures. Primerament, les molècules d’hidrogen en dissocien en hidrogen atòmic, que és capaç de penetrar a dins l’acer gràcies la seva petita mida. 𝐻2↔ 2𝐻 (Eq. 12) Els àtoms d’hidrogen es difonen per l’interior de l’estructura de l’acer on reaccionen amb els carburs de la microestructura formant molècules de metà que són massa grans per difondre cap a l’exterior, acumulant-se als espais de límit de gra [16]. 4𝐻+𝑀𝐶 ↔𝐶𝐻4+𝑀 (Eq. 13) Això dona com a resultat concentracions molt grans de tensions i estrès en zones internes del material que acaben produint fissures, esquerdes i deformacions en el metall. Aquests danys en metalls atacats per hidrogen comporten una deterioració substancial de les seves propietats mecàniques [17]. En la figura XV podem apreciar els danys en la microestructura. Figura XV. Danys microestructurals causats per HTHA (font: inspectioneering [17]) La corrosió per HTHA és un tema molt extens amb molts punts a tenir en compte que seran tractats i analitzats més a fons en els següents apartats donada la seva gran importància, sobretot en la indústria petroquímica i processos relacionats amb el tractament i refinament del petroli, entre d’altres.
Pàg. 36 Memòria 4. Descripció del procés de producció de SAF L’equip principal que s’analitzarà és un reactor d’una unitat de producció de SAF. El procés consisteix en la hidrogenació d’olis d’origen vegetal, olis residuals domèstics i grasses animals, entre d’altres, en presència d’hidrogen, per tal d’aconseguir produir biocombustibles (SAF). A la figura XVI podem veure la reacció principal que té lloc en el procés, en la figura XVII podem veure un disseny en 3D del reactor, i en la figura XVIII podem veure l’esquema del reactor. Els olis, prèviament filtrats i netejats d’impureses, han passat per una unitat de tractament prèvia que té com a finalitat fer arribar els lípids el més purs possibles. Un cop surten de la unitat de tractament a una certa pressió i temperatura, entren al reactor per la part superior (tub del corrent nº 219), on primerament es sotmetran a una reacció de descarbonització per a poder controlar els nivells de carburs que és produiran com a productes secundaris. Seguidament, succeeixen les reaccions de hidrodesoxigenació per tal d’eliminar l’oxigen no necessari, aquesta s’aconsegueix injectant hidrogen a alta pressió i temperatura a través de les injeccions laterals abans de cada llit de catalitzador (tubs dels corrents nº 265, 275 i 285), que reacciona totes les molècules d’oxigen formant aigua, evitant alhora que l’oxigen reaccioni amb els carbonis o amb les parets del reactor, prevenint que s’oxidin. D’igual manera passa amb les reaccions de desulfurització, desnitrogenació. A l’injectar hidrogen en les condicions exactes separarà les molècules de nitrogen i sofre de les cadenes dels triglicèrids, formant com a productes secundaris amoníac (𝑁𝐻3) i àcid sulfhídric (𝐻2𝑆). Aquest seguit de reaccions combinades amb processos catalítics produirà com productes principals propà i cadenes parafíniques, com es veu en la figura XX, que surten del reactor per la part inferior (tub del corrent nº 237) i que seran posteriorment tractades en altres parts del procés, i convertides en parafines sintètiques de querosè per a poder ser utilitzades com a combustibles sostenibles per a l’aviació. Els productes secundaris del procés, ara com l’aigua, l’amoníac o l’àcid sulfhídric, entre d’altres, són separats en les fases posteriors dels productes principals i aprofitats en altres sectors i processos diversos. Figura XVI. Reacció de descomposició dels triglicèrids (font: Technip Energies)
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 37 Figura XVII. Disseny 3D del reactor (font: pròpia) Figura XVIII. Esquema del reactor (font: pròpia)
Pàg. 38 Memòria 5. Anàlisi i resultats La degradació dels materials posa en perill la integritat dels components dels equips afectats, i un cop vists els mecanismes de corrosió més comuns realitzarem una anàlisi de corrosió d’un reactor que té un alt risc de patir degradació. Es tractarà des de com seleccionar els materials més adients, quins assajos realitzar durant la seva fabricació, fins a mètodes de manteniment i anàlisi per portar un seguiment de l’equip durant l’operació. 5.1. Procés de selecció de materials Per dur a terme una bona selecció del material per l’equip hem de tenir en consideració diferent paràmetres que ens ajudaran a trobar l’opció més adient. La selecció òptima busca que l’equip pugui complir les especificacions requerides dins d’un marge de seguretat, tenint en compte un pressupost concret i aconseguint la vida útil més llarga possible. 5.1.1. Anàlisi mecànica Per això primer de tot hem de saber a quins paràmetres físics de temperatura i pressió s’ha d’ajustar l’equip per a poder dur a terme les reaccions químiques pertinents amb seguretat. Els requisits mecànics en la industria venen detallats en els documents MDS, on cadascuna de les seccions del reactor ve acompanyada de la temperatura i pressió a la qual treballarà. A la taula III es recullen els valors de pressió i temperatura del mateix reactor i de totes les canonades que arriben i surten d’ell. Cal afegir que el reactor és un conjunt de peces que formen l’equip principal, així que podem simplificar totes aquestes peces en un conjunt reactor ja que totes elles treballen a les mateixes condicions de temperatura i pressió. Corrent/Equip Temperatura de disseny (ºC) Pressió de disseny (bar) Temperatura de servei (ºC) Pressió de servei (bar) Pressió parcial d’hidrogen (bar) Corrent 219 454 81 318 63 53.9 Corrent 237 454 72 399 59 39.6 Corrent 265 454 81 73 63.2 53.6 Corrent 275 454 81 73 62.5 53 Corrent 285 454 81 73 60.6 43.4 Reactor 454 81 382 (max) 70 (max) 68.93 Taula III. Temperatures i pressions de disseny i d’operació del reactor. (font: pròpia)
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 39 Per seguretat, qualsevol equip en servei d’hidrogen a més de 200 ºC de temperatura d’operació normal i pressió parcial d’hidrogen més gran de 5 bars ha de rebre un tractament d’alleujat de tensions internes, o sigui que el material que acabem seleccionant per aquest equip haurà rebre el tractament tèrmic [18]. A més a més, tenint perill de corrosió per HTHA és molt recomanable deixar, com a mínim, un marge entre temperatura de servei i de disseny de 28 ºC i un marge de pressió de servei i de disseny de 3.5 bars, requisit que s’han seguit amb molt més marge per assegurar la resistència de l’equip sense arribar a sobredimensionar les seves característiques. En la majoria d’equips quan s’analitzen els paràmetres físics que es tenen en compte són la pressió i la temperatura, tal com hem fet aquí, però també s’acostuma a considerar la dinàmica del fluid que hi circula per l’interior a causa del fet que la velocitat que aquests portin conjuntament amb la geometria de l’equip poden arribar a erosionar els equips en certs punts. En el nostre cas no l’hem tingut en consideració perquè els fluids tractats van a velocitats baixes que no posen en perill la integritat de l’estructura del reactor. 5.1.2. Contemplació de possibles corrosions Un cop sabem els requisits mecànics del reactor hem de saber amb quins elements i compostos treballarà, pel fet que la seva interacció amb el material dels components del reactor pot ocasionar degradació per corrosió. Tenim un reactor que treballarà a altes temperatures i altes pressions en presència d’hidrogen, sofre i carboni, entre d’altres, o sigui que el material utilitzat sabem serà un metall. L’ús d’aquests materials en els reactors pot posar en perill la seva integritat si s’usen els metalls convencionals que normalment s’usarien si només tinguéssim en conte els requisits mecànics. En el cas del HTHA es considera que l’equip està en risc de sofrir aquest tipus de corrosió si treballà a temperatures superiors a 220 ºC i pressions parcials d’hidrogen superiors a 5 bars. Per tal de saber com lluitar contra aquest mecanisme de degradació, després de dècades d’estudis, es van desenvolupar les corbes de Nelson, visibles en la figura XXI, una eina molt útil que avui en dia s’utilitza en multitud d’àmbits.
Pàg. 40 Memòria Figura XIX. Corbes de Nelson. (font: API941 [18]) En l’eix d’ordenades tenim la temperatura (ºF i ºC) mentre que en l’eix abscisses tenim la pressió parcial d’hidrogen (MPa i psi), fixant aquest dos paràmetres trobarem un punt que caurà en una zona determinada. En cada línia hi ha una indicació del material mínim que pot treballar en les condicions establertes per donar-nos una indicació sobre quins aliatges utilitzar per evitar la descarbonització interna (línies continues). Es pot veure també que hi han representats punts blancs i negres per tot el gràfic, on cada punt és un material diferent que s’ha assajat en aquelles condicions, sent els punts blancs assajos satisfactoris i sent els punts negres assajos on s’ha vist una evident corrosió per HTHA, en document oficial d’API apareixen referenciats cadascun d’aquests materials assajats [18]. Per determinar en quina zona està cada equip anirem avaluant cadascun d’ells a les corbes de Nelson per tal d’esbrinar quin acer s’ajusta millor a cadascun dels elements del reactor. Per a poder agilitzar el procés de recerca de cada equip en les corbes s’ha desenvolupat un fitxer d’Excel propi on introduint el valor de temperatura (ºF) i pressió parcial d’hidrogen (psi) et retorna la zona de material en la que es troba l’equip triat, a la figura XX en veiem un exemple. Per a utilitzar les corbes de Nelson hem de passar les temperatures de graus Celsius a graus Fahrenheit i la pressió de bars a psi usant les equacions 14 i 15. °𝐹 = (°𝐶×9 5 )+ 32 (Eq. 14) 1 𝑏𝑎𝑟=14.503773773 𝑝𝑠𝑖 (Eq. 15)
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 41 Figura XX. Visualització del corrent 219 en les corbes de Nelson. (font: pròpia)
Pàg. 48 Memòria 5.1.4. Determinació del material Com en tot projecte, en la teoria sempre es poden trobar les millors opcions, buscant obtenir les majors prestacions amb els millors materials possibles i mantenint els marges adients pel que fa a seguretat es refereix, però en la realitat dels projectes, hem de realitzar la selecció final del material tenint en compte també el cost final de l’equip (cost dels materials + cost de fabricació de l’equip) i trobar la millor combinació d’idoneïtat del material i cost de la instal·lació. Ara analitzarem un per un els equips per a determinar quin és el material més adient per les restriccions de cadascun. • Canonada 219, 265, 275, 285 Les canonades 219, 265, 275 i 285 tenen els mateixos requisits físics, i tot i que no tenen el mateix contingut circulant per l’interior, el material elegit per a una serà l’ideal per a totes. Segons tots els paràmetres que hem analitzat fins ara, el millor material per a dur el treball és un acer amb un mínim de 18% Cr i 8% Ni, el que es coneix com acer 304. Aquesta sèrie d’acer austenític és la base des d’on partirem per trobar el material ideal per a cadascun dels equips. Com s’ha comentat a la part teòrica, la sèrie 300 és molt susceptible a la corrosió per picadures, ja que aquesta sèrie s’acostuma a utilitzar en processos on hi ha la presència d’halurs, altes temperatures i pH’s molt extrems. Als factors ja mencionats cal afegir-ne un altre que és la baixa velocitat de flux que hi ha per l’interior de certs equips, i tenint en compte que estem en perill de patir corrosió per picadures haurem de buscar la manera d’augmentar el PREN dels nostres equips per assegurar-nos de no tenir pitting. Això s’aconsegueix afegint molibdè a l’acer ja existent, entre un 2-3%, així passarem a tenir el conegut acer 316, però en ser tants factors de risc alhora, optarem per augmentar més el contingut de molibdè, fins al 3.5-4%, obtenint així l’acer denominat 317. Aquest acer ens és vàlid tant en la seva forma de baix carboni, 317L (0.03% C), com en la normal (0.08% C), únicament difereixen en la resistència a la corrosió intergranular, on els carburs de crom del 317 tenen major risc de precipitar per sobre dels 427 ºC. La sèrie 317 té una gran resistència a la corrosió a grans temperatures, sense mostrar degradació de les seves propietats fins arribar als 870 ºC i una resistència a tracció molt superior a la majoria d’acers inoxidables comuns. D’altra banda és un material molt car, costa aproximadament unes sis vegades més que l’acer al carboni, a banda que el seu subministrament és molt més reduït que el d’un acer convencional a causa del seu preu i baixa demanda en el mercat. En addició, és més difícil de soldar que altres acers i necessita metodologies especials per a mantenir les fases de ferrita i austenita de l’acer en el rang específic que han d’ésser. Però, tot i això, el material elegit per aquest equip és l’acer 317/317L gràcies a les grans qualitats que té i els requisits que necessitem. Afegirem un marge de corrosió de 1.5 mm per tal d’assegurar al màxim.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 49 • Canonada 237 Aquesta canonada té els mateixos requisits de temperatura que les anteriors, però no de pressió, ni tampoc transporta les mateixes substàncies. La canonada 237 en ser la sortida del reactor porta tots els productes de les reaccions que s’han donat, o sigui que tindrà un alt contingut d’hidrogen, propà, aigua i diòxid de carboni, entre d’altres. Però de l’únic del qual ens hem de preocupar és de l’alt percentatge d’hidrogen, i per tal d'evitar que aquest corroeixi el material haurem de buscar un acer capaç d’estabilitzar molt els carburs de l’aliatge per tal de no ser corrogut per l’hidrogen. El material més adient per a nosaltres serà l’acer 321, aquest sorgeix de l’addició de cinc cops el percentatge de carboni i nitrogen junts de titani a l’estructura del 304, reduint en gran quantitat la sensibilització de l’acer i estabilitzant en gran mesura els carburs d’aquest. És una sèrie cara, però no tant com la 317, ja que no té tants aliatges, i també més fàcil de soldar que la sèrie que s’ha elegit per les altres canonades, encara que tampoc és una feina senzilla la seva soldadura. Té una resistència mecànica inferior al grau 317 però una gran resistència a la corrosió intergranular en ser un acer inoxidable estabilitzat comparat amb altres graus no estabilitzats. La millor opció per la canonada 237 és l’acer inoxidable 321 i serà el que implementarem, juntament amb un marge de corrosió de 1.5 mm per assegurar que cap degradació no afectarà la integritat de l’estructura. • Reactor Per al reactor també partirem del grau 304, es podria dir que és l’equip més crític de tots perquè en ell succeeixen totes les diferents reaccions químiques, el que comporta canvis de temperatura i pressió en l'interior. La ideal sèrie utilitzar un material resistent a altes temperatures i pressions, resistent a la corrosió per sulfitació i per HTHA. Un bon candidat aleshores seria el mateix usat a la canonada 219, però en el cas del reactor hem de tenir en compte un factor que en els altres equips no ens ha calgut, que és la dimensió de l’equip. Mentre que les canonades són tubs d’entre 25 i 30 cm de diàmetre, el cos del reactor fa 2.6 metres de diàmetre i 24.3 metres d’alçada, i per raons de pressupost fer un equip d’aquestes dimensions amb acer 317 elevaria el preu en gran manera, a part de la dificultat i el termini que es trigaria a reunir la quantitat d’acer per a aquest equip atès el seu limitat abastiment. La solució en aquest cas serà optar per un material que aguanti estructuralment les pressions i temperatures de l’equip sense ser extremadament car, i afegir un recobriment interior o cladding per tota la superfície interna del reactor per tal de combatre els diferents mecanismes de corrosió a la qual està sotmès, d’aquesta manera obtindrem propietats similars de corrosió a les dels acers inoxidables més resistents sense utilitzar tant material i abaratint el cost considerablement. Tot i això, el cladding també té alguns inconvenients, ja que el cost de fabricació de l’equip és superior (més hores de taller necessàries i maquinària molt especialitzada) i es requereixen uns
Pàg. 50 Memòria controls de qualitat superiors per assegurar un correcte recobriment de tota la superfície interior del reactor. Els metalls més adients per a fer el cos del reactor seran aquells amb un mínim contingut de crom per resistir un cert nivell de corrosió, molibdè per tal de tenir resistència extra i altres aliants en menor quantitat per tal de reforçar l’equip. Amb aquestes condicions bons candidats serien els acers SA336 GR.11, SA387 GR.11, SA542 D o SA832 GR.11V (acers de normativa ASTM), tots ells en els seus majors graus de resistència. Són acers molt similars entre ells que tenen entre 1-1.5% Cr, 0.45-0.65% Mo, 0.030.15% C i que difereixen en petits percentatges d’alguns elements com el crom, el vanadi, el carboni o el molibdè, entre d’altres. Finalment, ens decidirem pel SA336 GR.11 perquè és el més equilibrat pel que fa a percentatge d’aliatges i preu, encara que qualsevol dels anteriorment anomenats podria fer la mateixa funció. Un cop es té el material del cos cal saber quin material i quin gruix de cladding intern caldrà posar al reactor. El recobriment serà d’acer 317L degut a les seves excepcionals propietats versus les corrosions a les quals l’equip estarà sotmès, i el seu gruix pot ser de 1.5 mm, 3 mm o 6 mm, igual que els gruixos de les capes de corrosión allowance. El gruix que més convindrà es troba fent un balanç entre la corrosió anual vista que pateix aquest acer i el preu límit de pressupost pel reactor, obtenint així que l’opció més viable és utilitzar un gruix de 3 mm, com podem veure en les figures XXIV i XXV. Figura XXIV. Equip especial de cladding (font: pròpia)
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 51 Figura XXV. Cos del reactor amb capa de cladding finalitzada (font: pròpia) L’addició de cladding també comporta una reducció de la pressió parcial d’hidrogen sobre cos del reactor, aleshores hem de recalcular aquesta pressió per tal de saber en quina mesura s’ha reduït. Per a calcular quina serà la nova pressió parcial d’hidrogen exercida sobre l’estructura del reactor s’utilitza l’equació 16, on fent ús d’una relació amb els gruixos del cladding i de la paret del reactor obtenim la nova pressió. 𝑃𝑒𝑓𝑓 =𝑃𝐻2 (𝑡𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑙 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑡𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑙 𝑏𝑎𝑠𝑒+𝑡𝑐𝑙𝑎𝑑𝑑𝑖𝑛𝑔) (Eq. 16) Sabent que la pressió parcial inicial és de 68.93 bars, el gruix de la paret de 50 mm i el gruix del cladding de 3 mm, obtenim una pressió parcial efectiva de 65.02 bars, o el que és equivalent, una reducció de la pressió sobre la paret interna del reactor d’un 5.67%. A més a més, en ser un equip tan gran i amb una gran quantitat d’unions se li aplicarà un PWHT a totes les seves soldadures per minimitzar al màxim la possibilitat d’una fallada per HTHA en un punt de soldadura. Hi ha molts tipus diferents de tractaments tèrmics, però el més comú i al que sotmetrem al nostre reactor serà a un tractament tèrmic d’aliviat de tensions internes, que reduirà en gran mesura la probabilitat de fallada del cordó. En resum, utilitzarem acer SA336 pel cos del reactor, un cladding intern de 317L de 3 mm de gruix i en les soldadures del reactor aplicarem un tractament tèrmic post-soldadura per alleujar tensions internes.
Pàg. 52 Memòria 5.1.5. Selecció final del material En la taula VII fem recull dels materials que han sigut finalment seleccionats per a la construcció dels equips que hem estudiat, aquesta és la primera de les dues parts que conformen el procés construcció viable d’un equip que treballa en condicions crítiques. Corrent/Equip Material seleccionat Corrent 219 Acer 317/317L amb CA 1.5 mm Corrent 237 Acer 321 amb CA 1.5 mm Corrent 265 Acer 317/317L amb CA 1.5 mm Corrent 275 Acer 317/317L amb CA 1.5 mm Corrent 285 Acer 317/317L amb CA 1.5 mm Reactor Cos d’acer SA336 GR.11 amb cladding de 317L de 3 mm + PWHT Taula VII. Recull dels materials finament seleccionats. (font: pròpia) Amb el procés de selecció dels materials finalitzat, s’ha analitzat tot l’apartat per tal d’elaborar un esquema de núvols, que podem visualitzar a la figura XXVI, de tots els factors que s’han tingut en consideració per tal visualitzar el procés que s’ha seguit. Figura XXVI. Visualització dels factors que intervenen en la selecció dels materials (font: pròpia)
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 53 5.2. Validació de l’equip dissenyat És igual d’important fer una bona selecció del material, com comprovar que el que s’ha construït té les característiques que s’han planejat. Aleshores, la segona fase del nostre projecte de construcció serà saber amb certesa si el que s’ha construït compleix, o no, amb les especificacions requerides que vam implementar en l'extensa fase de selecció del material. En aquest apartat es comprovarà tant la composició d’alguns materials utilitzats, com es buscaran possibles defectes en els equips fabricats. I per a saber si els equips s’acosten o no als paràmetres de disseny i qualitat, un cop ja han sigut conformats, s'usen els mètodes d’anàlisi NDT. Els mètodes NDT són un extens grup de diferents tècniques i proves d’anàlisi usades en la indústria per tal d’avaluar les propietats d’un material sense ocasionar-li danys. Són tècniques molt valuoses que poden estalviar tant temps com diners en processos d’avaluació i correcció de components. Tot i que existeixen moltes proves diferents en funció de les característiques que es vulguin comprovar, aquest treball se centrarà, únicament, en les utilitzades en l’anàlisi de la composició de l’equip i la comprovació la integritat de les zones crítiques. 5.2.1. Test PMI Per molt extens que sigui el procés de selecció del material, si no ens arriba el material amb les especificacions desitjades de components aliants, l’equip patirà per a complir els requisits pels quals ha sigut dissenyat. Per tal d’evitar això, es duen a terme test PMI o d’identificació de material. En aquests tests s’utilitzen uns aparells anomenats analitzadors per fluorescència de raig X o simplement analitzadors XRF, en la figura XXVII en podem veure un. Figura XXVII. Analitzador XRF (font: Bruker [19])
Pàg. 54 Memòria Aquest aparell fa ús de raig X per tal d’excitar els àtoms del objecte analitzat, el que provoca que cada àtom emeti una fluorescència característica de l’element que el conforma, sabent d’aquesta manera el percentatge de cada element que conforma el material [19]. El seu ús és bastant similar al d’una pistola, ja que sol cal apuntar al material desitjat, clicar el botó que emetrà el raig X, i uns segons més tard a la pantalla del mateix instrument apareixerà el recompte percentual d’elements. En treballar amb materials que han de tenir un percentatge concret d’aliants fer la comprovació del contingut de cada remesa de material és molt important. En les taules VIII i IX es pot visualitzar un recull d’alguns de les anàlisis realitzats. Objecte Material Cr % (1,0 - 1,5) Mo % (0,45 - 0,65) Acceptat (ACC) / Rebutjat (REJ) Placa 37023 SA 336 Gr.11 1,46 0,49 ACC Placa 37013 SA 336 Gr.11 1,35 0,47 ACC Placa 47979 SA 336 Gr.11 1,49 0,47 ACC Nozzle B1 SA 336 Gr.11 1,29 0,48 ACC Nozzle B2 SA 336 Gr.11 1,31 0,46 ACC Nozzle B3 SA 336 Gr.11 1,244 0,57 ACC Nozzle B4 SA 336 Gr.11 1,49 0,47 ACC Nozzle B5 SA 336 Gr.11 1,34 0,47 ACC Taula VIII. Recull de percentatges d’elements en els materials I (font: pròpia) Objecte Material Cr % (18 - 21) Ni % (12 - 14) Mo % (0,45 - 0,65) Acceptat (ACC) / Rebutjat (REJ) Nozzle M 317L 18,01 12,6 3,2 ACC Nozzle LWN 317L 20,01 15,07 3,72 ACC Taula IX. Recull de percentatges d’elements en els materials II (font: pròpia) Com podem apreciar a l’última columna de les dues taules, totes les mostres analitzades tenen el contingut adequat d’elements requerits, pel conseqüent, han sigut acceptades i donades per bones.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 55 5.2.2. Test ultrasònic de les soldadures Una de les zones més crítiques d’un equip que està sotmesa a pressions molt altes són les soldadures. A l'ésser la unió entre dues peces acostuma a ser una zona on s’ha de posar gran atenció. Per a comprovar que el procés de soldat s’ha dut a terme correctament i que el cordó de soldadura no té cap defecte que afecti la resistència adequada pel servei, s’utilitza un mètode d’anàlisi no destructiu anomenat test ultrasònic, o d’ultrasons. L’equip usat per a dur a terme aquesta prova està conformat per un piezotransductor elèctric que va connectat a un detector, que acostuma a ser un captador de polsós, i un oscil·loscopi. Per a poder implementar amb exactitud aquest mètode d’anàlisi primer es du a terme la calibració dels estris i tot seguit l’anàlisi de la peça. Primerament, es posiciona el transductor sobre una zona llisa, aquest emet ones sonores i rep alhora l’energia d’aquestes ones, tot seguit, els senyals que rep són plotejades a l’oscil·loscopi, on en l’eix d’ordenades apareix l’amplitud, que representa la intensitat de la reflexió, i en l’eix d’abscisses apareix la distància, mostrant la profunditat del senyal al llarg del material. Cal afegir que aquest mètode és molt útil en zones pròximes a la superfície, però perd exactitud durant ens allunyem d’ella. L’execució d’aquest procediment és el mateix tant pel calibrat com per l’anàlisi del rector i pot ser observat en les figures XXVIII, XXIX i XXX. Comentar, que entre el transductor i el material s’acostuma a utilitzar un gel o aigua per tal que les ones sonores siguin transmeses eficientment a l’interior del material. Figura XXVIII. Calibrat dels estris de l’equip ultrasons (font: pròpia)
Pàg. 56 Memòria Figures XXIX i XXX. Anàlisi d’ultrasons del cos del reactor (font: pròpia) Aquest test serveix tant per comprovar que el gruix de la soldadura com per a detectar imperfeccions, ja que aquestes és reflecteixen amb un menor nivell d’intensitat de so en l’oscil·loscopi. D’igual manera també pot ser utilitzada per fer inspeccions periòdiques d’equips que puguin sofrir perdudes de material o inclús per fer un seguiment de defectes ja existents i comprovar si aquests han crescut, sempre que siguin pròxims a la superfície. En el cas del reactor, s’han analitzat els cordons de soldadura de l’equip entre les seves diferents parts, les soldadures de les canonades entrats al reactor, certs punts aleatoris de l’exterior del reactor per a comprovar que la seva integritat no està compromesa i el gruix del cladding intern del reactor. Els resultats obtinguts són que cap de les soldadures presenta falles, fissures o imperfeccions, i que el gruix de cladding interior és el correcte, podem concloure així que la prova es pot donar per acceptable. 5.2.3. Test magnètic de partícules La prova d’inspecció magnètica de partícules és un mètode d’anàlisi no destructiu molt usat en la indústria per a detectar defectes a la superfície en materials ferromagnètics. El funcionament recau en el principi de la interacció entre un camp magnètic amb partícules magnètiques per tal d’identificar discontinuïtats en el material, com es veu en la figura XXXI. Figura XXXI. Esquema del funcionament del test magnètic de partícules (font: researchgate [20])
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 57 Primerament, el material a analitzar és ruixat amb un spray de partícules ferromagnètiques que cobriran tota l’àrea a analitzar, després es posa el magnetic yoke a sobre del material per a generar un camp magnètic que faci desplaçar les partícules, prèviament aplicades, en la direcció de les línies de camp. Després de l’aplicació del camp magnètic per uns segons, si existeix algun tipus de defecte es formarà una acumulació de partícules que la mostrarà a simple vista. En alguns casos per a una millor visualització de les partícules en zones amb poca llum, s’aplica una llum fluorescent que ajuda a fer una millor interpretació de la distribució de les partícules després de l’aplicació del camp magnètic, com es pot apreciar a les figures XXXII i XXXIII. Figura XXXII. Aplicació del magnetic yoke sobre la superfície amb partícules (font: pròpia) Figura XXXIII. Visualització amb llum fluorescent de les partícules desplaçades (font: pròpia) Aquesta metodologia ha estat aplicada en aquest cas per estudiar les zones proximals a grans soldadures i àrees on aniran els suports de l’estructura, que han de ser completament llises, sense cap discontinuïtat, per tal d’assegurar l’anclatge. Després de l’aplicació del mètode de test magnètic sobre el reactor en dues direccions, perpendiculars entre elles, s’ha procedit a l‘anàlisi de les superfícies tractades, i s’ha visualitzat una
Pàg. 64 Memòria Continuant amb l’estudi econòmic, s’han considerat els equips utilitzats durant el període de realització del treball. L’aparell més usat ha estat l’ordinador, que està valorat en 1.866,87 € amb una esperança de vida de cinc anys, el cost d’amortització de l’ús durant les 18 setmanes del projecte equival a 124,61 €. També es comptabilitzen els costos associats a l’ús de software, ara com Microsoft Excel i Microsoft Word, i els costos relacionats a la compra de normatives oficials com l'API 941, l'API 939, l'ASTM A387, la NACE MR0103 i la NACE SP0407. El preu anual de les llicències de Microsoft inclou tant Word com Excel i té un import de 69 € anuals, que equival a 23,88 € pel període utilitzat. Les normatives ja no són tan econòmiques, essent les API les més cares, amb un cost de 248,20 € l'API 941 i 190,90 € l'API 939, les NACE tenen un preu un pèl més reduït, costant 179,00 € la NACE MR0103 i 77,40 € la NACE SP0407. La més economia en aquest cas és l'ASTM A387 que té un import de 38,00 €, sumant totes en conjunt s'arriba a un import de 733,50 €. Seguidament, els aparells i instrumental d’anàlisi NDT ens han possibilitat dades essencials per al treball i cal tenir-los en consideració. El preu d’un aparell d’anàlisi XRF és aproximadament de 39.000,00 €, el preu d’un equip de proves ultrasòniques és d’aproximadament 15.000,00 €, el preu d’un aparell PMI és de 1.500,00 € i el preu d’un equip complet d’anàlisi TOFD s’aproxima als 40.000,00 €. Pel que fa als consums, tan sols es tindrà en compte el consum d’electricitat de l’ordinador, considerant que està contínuament endollat al corrent durant la realització del treball, és a dir, 300 hores. Segons el fabricant, l’ordinador portàtil té una potència de 0,20 kW. Tenint això en compte, el consum elèctric serà de 60 kWh (0,20 kW · 300 h). Considerant un preu del kWh de 0,114900 €/kWh, el cost associat al consum d’electricitat en el projecte serà de 6,89 €. Finalment, cal tenir en consideració el cost dels desplaçaments. Tenint en compte que diàriament s’efectuava un desplaçament d’anada i tornada cap a les oficines de Technip Energies a Cornellà de Llobregat des de Barcelona. El mitjà de transport era una moto, preu de la qual no considerarem, i el seu consum era aproximadament de dos dipòsits al mes. Considerant el preu de la gasolina de 95 octans a 1,52 €/L i una capacitat per dipòsit de 11,7 litres, obtenim que el cost total dels desplaçaments és de 177,84 € per 5 mesos. En la taula XII podem visualitzar l’import total del treball, on s’han considerat tots els factors més rellevants per tal de reflectir un import real.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 65 Concepte Import Amortització de l’ordinador 124,61 € Llicencies de software 23,88 € Compra de normatives 733,50 € Material d’anàlisi NDT 95.500,00 € Despesa elèctrica 6,89 € Desplaçaments 177,84 € Hores de projecte 5.445,00€ TOTAL (IVA INCLÒS) 102.011,72 € Taula XIII. Detall dels costos totals del projecte (font: pròpia) Per tant, en la realització d’aquest estudi el pressupost estimat total és de 102.011,72 euros. Cal destacar el fort impacte del material d’anàlisi NDT sobre el pressupost, tot i que són aparells que tenen una rendibilitat molt alta i poden amortitzar-se en molt poc temps. A molta gent potser li sembla un preu exagerat, però tenint en compte que aquests aparells que tenen un cost conjunt de 95.000,00 € poden prevenir la fallada d’un reactor de 5.000.000,00 € doncs fa replantejar que no és una despesa, sinó una inversió en seguretat que aporta uns beneficis molt més grans que l’inconvenient que té el seu preu de compra.
Pàg. 66 Memòria 8. Estudi ambiental L’objectiu d’aquest projecte és la implementació d’un element que contribueix a un procés que promet reduir les emissions de nous gasos d’efecte hivernacle, i tot i que de primeres pot semblar tenir un impacte molt gran, a la llarga segur serà beneficiós. Primer de tot comentarem l’efecte que tenen les matèries que s’han utilitzat per a la construcció del reactor. En el sector de la metal·lúrgia, l’ús i aprofitament dels recursos que tenim avui en dia és molt avançat. En aquest sentit, és dels sectors més avançats del món, ja que la ferralla dels acers és un material 100% reciclable, i que promou l'economia circular [22]. Encara més, si gran part dels acers que avui en dia hi ha en ús són provinents d’una extracció minera és perquè no hi ha ferralla suficient encara per abastir tota la demanda d’acer. O sigui que és un sector on tot el material és reutilitzable. Una part de l’acer utilitzat en el reactor és no provinent de mineria directa, i això ajuda a reduir l’impacte directe que té la seva creació. Sigui dit això, a l'hora de formar aliatges per tal de crear nous acers més resistents, l’addició de crom i níquel en altes quantitat dificulta el seu reciclatge, tot sigui dit, a ser acers tan resistents poden durar molt més que els no aliats, sigui que no són un perill per a l'economia circular. La següent part amb un impacte important és la instal·lació d’aquest, ja que s’ha d’esplanar un terreny, excavar, fer la cimentació i posteriorment instal·lar-lo. Com no s’ha realitzat encarà la instal·lació es farà una aproximació. No es coneix la maquinària específica que s’utilitzarà per a l’obra, aleshores s’agafarà la més comuna en la construcció, la Caterpillar 4210F2. Aquesta té un consum de 11 litres per hora en règim de treball [23], agafant que el dièsel té un factor d’emissió de 𝐶𝑂2 de 2,68 kg de 𝐶𝑂2 per litre i assumint una jornada de 8 hores diàries, en un sol dia emetria 214,4 kg de 𝐶𝑂2. Si considerem l’ús de tres d’aquestes i un més per a la preparació del terreny, en surt un total de 12.864 kg de 𝐶𝑂2 emesos. El cost més gran que calcularem, pel que fa a les emissions, serà el transport del reactor, el qual ara mateix està en transcurs. Aquest transport es fa en un vaixell de càrrega i tindrà una durada de tres setmanes. Calcular les emissions exactes és una feina quasi impossible pel fet que hi han molts factors que fan variar considerablement el resultat final, com poden ser el vent o els corrents marítims. Agafant com referència que al dia el vaixell consumeix 200 tones de combustible [24], i que aproximadament emet 3.114 kg de 𝐶𝑂2 per tona cremada, en tres setmanes tindrem una emissió total de 13.078,8 tones de 𝐶𝑂2. En la part referent a l’impacte de la realització d’aquest treball, solament hi ha hagut impacte mediambiental en els desplaçaments a les oficines, ja que s’utilitza una moto propulsada per combustibles fòssils com a mitjà de transport. La moto té un consum de 4,1 litres als 100 km, tenint en compte que a la setmana es realitzaven desplaçaments per valor de 108 km i una durada de 18 setmanes, ens surt un consum total de 79,704 litres. I
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 67 si la gasolina de 95 octans té un factor d’emissió de CO2 𝐶𝑂2 de 2,32 kg de 𝐶𝑂2 per litre, ens surt una emissió final de 184,91 kg de 𝐶𝑂2. Tenint en compte que són els desplaçaments al llarg de 5 mesos, no són una emissió gaire gran en comparativa a si ens haguéssim desplaçat en cotxe. En el còmput global, les emissions de 𝐶𝑂2 que s’han produït arran de la construcció d’aquest reactor són altes. No obstant això, un cop aquest reactor entri en funcionament produirà combustible sostenible per a l’aviació arran de matèries biològiques sense sortida a dia d’avui. La Unió Europea preveu un augment exponencial d’aquesta tecnologia i la seva implementació en el futur és imminent [1]. Arran de complir la meta de 0 emissions al 2050, el SAF juga un paper fonamental, substituint el querosè provinent del cru fòssil. Avui en dia hi ha una producció de 1.300 milions de litres de SAF, el que sol comporta el 0,3% del combustible utilitzat en vols, però amb el ràpid creixement que està tenint és preveu que la seva producció al 2030 sigui de 51 milions de tones i que per al 2050 arribi a substituir el 80% de les emissions actuals dels combustibles tradicionals, passant d’una emissió actual en els darrers anys d’uns 740 milions de tones de 𝐶𝑂2 a 148 milions de tones de 𝐶𝑂2. Sense cap dubte és una tecnologia innovadora que amb el suport actual creixerà per tal de millorar les perspectives d’un futur verd que la nostra societat necessita, així que si per aconseguir una reducció d’aquesta magnitud en un futur, ara hem d’emetre la quantitat anterior de 𝐶𝑂2 per tal de desenvolupar les eines necessàries, està justificada la seva emissió donada la finalitat que comporta.
Pàg. 68 Memòria 9. Estudi social i d’igualtat de gènere La perspectiva de gènere m’ha portat a dividir la meva experiència personal en els dos àmbits d'aprenentatge d'aquest TFG, l’escola (ETSEIB) i a la feina. En primer lloc, durant els darrers quatre anys de grau, he participat activament a la Universitat Politècnica de Catalunya, especialment a l'ETSEIB, i vull reflectir les experiències viscudes i les dades proporcionades per la mateixa UPC [25]. Segons les dades de la UPC, en la promoció 2020-2024, només un 24,3% dels estudiants són dones, i el Grau en Enginyeria de Tecnologies Industrials està dominat pel sexe masculí. No obstant ha estat en augment els darrers any i s’espera segueixi amb aquesta evolució progressivament durant els pròxims anys. En segon lloc, els objectius d'aquest treball es basen en els principis d'igualtat del projecte global d’aquest reactor. És un projecte inclusiu, on l'equip de treball està format per homes i dones seleccionats per les seves aptituds i mèrits, sense discriminació de gènere. A més a més, la normativa de l'empresa protegeix contra l'assetjament i la discriminació, garantint un entorn segur i just on qualsevol persona pugui sentir-se acollida sense tenir en compte el seu gènere. L'equip de treball és divers, amb persones de diferents parts del món, diferents cultures i diferent religió, ja que l'empresa és internacional, posant en evidencia la igualtat social en l’espai de treball. Tot i que hi ha més homes que dones, ja que el sector de l’enginyeria té, especialment, major presència masculina, hi ha dones en tots els nivells de decisió i departaments, a demés de que s’ha registrat un augment del nombre de dones cada any a la plantilla. D’altre banda, el projecte no respon a una investigació pública, sinó que té com a objectiu incrementar la productivitat d’una empresa privada. Així, gran part dels beneficis repercutiran directament en l’empresa. Tot i això, és crucial que les empreses es transformin per adaptar-se a les necessitats climàtiques, ja que, en cas contrari, moltes podrien tancar, provocant conseqüències devastadores per als treballadors. Aquest impacte seria universal, afectant per igual totes les persones, independentment del gènere o condició. Finalment, aquest treball no té connotacions polítiques de cap tipus, sinó que promou la conscienciació de la gent a ser curosa amb el medi ambient i ha vetllar pel nostre futur com a societat.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 69 10. CONCLUSIONS Aquest treball presenta l’etapa d’enginyeria de procés d’un projecte real, on s’ha passat tant per l’etapa de disseny com per la fase de construcció i la supervisió d’aquesta, que fins al moment, és satisfactòria. En primer lloc, s’han assolit els objectius principals del treball. L’estudi sobre el procés que hi ha darrere la selecció de materials en condicions extremes ha estat satisfactori gràcies al contacte diari amb especialistes de camp molt experimentats en la matèria. Aquests han proporcionat informació molt fiable sobre els inconvenients d'utilitzar certs materials en funció de les característiques físiques que envolten el procés, derivades de coneixements teòrics i d’experiències passades en altres projectes. Per tant, informació molt valuosa per a la realització d’un bon projecte d’enginyeria ve del tracte constant amb personal experimentat i especialitzat que coneix el camp en profunditat. Els detalls tècnics, òbviament, també han sigut complimentats amb altres fonts d’informació igualment útils, ara bé, com referències d’altres projectes o informació provinent de fonts fiables d’internet. Seguidament, s’ha escollit el material que més s’ajustava als requisits tècnics del reactor, on s’han posat en pràctica tots els coneixements adquirits en la recerca feta anteriorment. En el cos d’aquest treball s’han fet un seguit de càlculs i consideracions que han portat a l’elecció de la millor opció, buscant optimitzar recursos, tant materials com econòmics. Els resultats obtinguts en els assajos no destructius mostren que s’ha portat a terme una bona fase d’ensamblatge i construcció, cosa que augmentarà les possibilitats de que l’equip dissenyat compleixi amb la seva funció sense posar en perill la integritat de l’estructura. Amb aquests resultats es posa en evidència quines són les passes i mètodes a seguir per dur a terme la bona realització d’un projecte d’aquestes característiques. No obstant, aquí també s’ha de tenir en compte que l’èxit de la fabricació del reactor serà comprovada un cop porti en funcionament un període específic de temps. El present treball té importants implicacions pràctiques, pel fet que aquest model de seguiment del disseny pot ser extrapolat a qualsevol instal·lació industrial que estigui sotmesa a condicions extremes de temperatura, pressió i altes taxes de corrosió com les que presenten els processos d’hidrogenació. Els costos tampoc s’han pogut detallar amb exactitud a causa del desconeixement sobre el preu concret dels equips d’anàlisi que s’han utilitzat, aleshores s’han usat aproximacions de preus referenciats a la web dels equips. Tot i això, el cost real segurament no sigui tant elevat ja que els equips no han sigut comprats per aquest projecte exclusivament, sinó que ja fa temps que estan en ús i es podria considerar una certa amortització, però el desconeixement del temps que porten en ús ens impossibilita saber-ho.
Pàg. 70 Memòria A escala personal s’ha considerat que gràcies a la realització d’aquest projecte he pogut entendre i veure les aplicacions de diverses assignatures del grau, i considero que m’ha ajudat a fer un creixement tant personal com acadèmic. Per últim, en relació amb l’objectiu principal del projecte, la posta en funcionament d’aquest reactor s’espera que produeixi grans quantitats de biocombustible per a l’aviació, posant en manifest l’augment creixent que està havent d’aquesta tecnologia i la seva viabilitat de cara al futur. Aproximant una reducció del 80% en l’ús de combustibles d’origen fòssil en aquest sector en els pròxims 25 anys, i alhora, donant sortida a matèries residuals que fins ara eren vistes com a residus sense utilitat, aquest tipus de tecnologies poden ser un punt determinant en la transició energètica que la societat necessita. Un recomanació futura, que s’hauria de tenir en compte relacionat amb la vida útil de disseny del reactor és que se li han de fer els manteniments periòdics pertinents establerts per tal que compleixi amb les expectatives de vida útil del futur. En cas de no ser així, l’equip podria no complir amb els requisits d’enginyeria esperats, i fer saber això al client és vital, ja que el funcionament d’aquest un cop la instal·lació estigui acabada queda sota supervisió única i exclusiva d’ell.
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 71 11. Agraïments En primer lloc, m’agradaria agrair a Technip Energies per la confiança i constant suport que se m’ha proporcionat amb relació a resolució de dubtes i ensenyament. Estar contacte constant amb especialistes de l’àmbit del projecte m’ha permès desenvolupar en gran mesura les meves habilitats professionals i aprendre sobre el desenvolupament general d’un de projecte, agrair personalment al Dr. Angel Alejandre i al Dr. Mehdi Askari que han tingut una gran implicació en la meva formació dins l’empresa. A més, els hi voldria agrair que m’hagin facilitat gran part de la informació necessària i ensenyat els coneixements necessaris per tal de poder realitzar aquest treball, el qual ha pogut tenir un alt grau de detall gràcies a la seva col·laboració. Això m’ha permès fer un Treball Final de Grau que unís dues de les meves inquietuds: el desenvolupament de projectes d’enginyeria i la sostenibilitat. D’altra banda, també voldria que destacar la gran feina que ha fet Jose Luis Martín Godoy, el meu tutor de la universitat, el qual ha estat en contacte amb mi permanentment i m’ha aconsellat en tot a mena de qüestions. La seva orientació m’ha permès portar el treball al dia i mantenir l’enfocament que m’havia plantejat en un inici. Finalment, voldria destacar que el suport dels meus amics i familiars ha estat clau per a poder treballar còmodament, a part de donar-me consells en tota classe d’aspectes.
Pàg. 72 Memòria 12. Bibliografia [1] Aviacionline. "La producción de SAF se triplicará en 2024, pero se necesitan más oportunidades de diversificación." Aviacionline, 24 Oct. 2023. [https://www.aviacionline.com/la-produccion-de-saf-se-triplicara-en-2024-perose-necesitan-mas-oportunidades-de-diversificacion/, cosulta: 28 de septembre 2024]. [2] UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. Tesis completa. UNAM, 2008. [http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/8 916/Tesis_Completa.pdf?sequence=1, consulta: 30 septembre 2024 ]. [3] Fontana, Mars G. Corrosion Engineering. 3rd ed., McGraw-Hill, Ohio 1987, p. 39-153 [4] Cathwell. "Galvanic Series." Cathwell, [https://cathwell.com/galvanic-series/, accés a la imatge: 5 octubre 2024]. [5] PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY. “Application of Pourbaix Diagrams” Pennsylvania State University Libraries, [https://etda.libraries.psu.edu/catalog/24828, accés a la imatge: 7 octubre 2024]. [6] LIBRETEXTCHEMESTRY. 4.06: Pourbaix Diagrams." LibreTexts, [https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Introduction_to_Inorga nic_Chemistry_(Wikibook)/04%3A_Redox_Stability_and_Redox_Reactions/4.06%3 A_Pourbaix_Diagrams, accés a la imatge: 7 octubre 2024]. [7] Nu Flow Midwest. "2 Types of Corrosion That Occur in Industrial Piping Systems." Nu Flow Midwest, [https://www.nuflowmidwest.com/2-types-of-corrosion-that-occur-inindustrial-piping-systems/, accés a la imatge: 8 octubre 2024]. [8] ROBERT, WESOLOWSKI A. “The World of Materials”, Springer, Taipei 2020 [9] SACOME. "Evitar la corrosión intergranular." SACOME, [https://www.sacome.com/evitar-corrosion-intergranular/, accés a la imatge: 8 octubre 2024]. [10] H&G Houston. "Stress Corrosion Cracking in Brasses." H&G Houston. [https://hghouston.com/archive/material-property-data/copper-and-copperalloys/brasses/sc-cracking, accés a la imatge: 8 octubre 2024].
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 73 [11] SNEHA SAMALl. High-temperature Oxidation of Metals. IntechOpen, 2016. [https://cdn.intechopen.com/pdfs/50691.pdf, consulta: 9 octubre en endavant]. [12] Khanna A.S. "High Temperature Oxidation." ResearchGate. [https://www.researchgate.net/publication/279608308_High_Temp erature_Oxidation, accés a la imatge: 9 octubre]. [13] Corrosionpedia. "McConomy Curves." Corrosionpedia. [https://www.corrosionpedia.com/definition/1438/mccon omy-curves, accés a la imatge: 10 octubre 2024]. [14] Emerson. "Getting the Measure of Corrosion." Emerson, 2017 [https://www.emerson.com/documents/automation/article-getting-measureof-corrosion-en-4279426.pdf, accés a la imatge: 10 octubre]. [15] Abdulrahman, Mohammed A. Mitigating high-temperature, high-pressure hydrogen attack, Tesi doctoral, University of Cambridge 2021. [16] Travis, Mike B. Molecular dynamics of high temperature hydrogen attack, Tesi doctoral, Mississippi State University 2022. [17] INSPECTIONEERING, "Avoiding HTHA Failures: An Owner’s Perspective." Inspectioneering, 2013. [https://inspectioneering.com/journal/2013-1218/3722/avoiding-htha-failures-an-owne, consulta: 13 octubre 2024]. [18] American Petroleum Institute. "Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in Petroleum Refineries and Petrochemical Plants (API 941)." American Petroleum Institute, 2020. [19] Bruker Corporation. "S1 TITAN Handheld XRF Spectrometer." Bruker. [https://www.bruker.com/en/products-andsolutions/elemental-analyzers/handheld-xrf-spectrometers/S1-TITAN.html, accés a la imatge: 5 novembre 2024]. [20] Autor desconegut. "Producing a Magnetic Field Using the Yoke in the Test Piece”. ResearchGate. [https://www.researchgate.net/figure/Producing-a-magnetic-fieldusing-the-yoke-in-the-test-piece-21_fig5_355433502, accés a la imatge: 14 novembre 2024]. [21] Advanced NDT Solutions. "HTHA – High Temperature Hydrogen Attack." Advanced NDT Solutions, 2015.[https://www.ansndt.com/advanced-ndtservices/htha_high_temperature_hydrogen_attack/, consulta: 20 novembre 2024].
Pàg. 80 Memòria A5. Anàlisi de la canonada 285 a les corbes de Nelson d’Excel
Estudi d’un reactor per a la producció de SAF Pág. 81 A6. Anàlisi del reactor a les corbes de Nelson d’Excel