Diseño de un recalentador para una corriente de gases calientes ricos en hidrógeno para la empresa Yara Colombia S.A.S.

Abstract

El proyecto tiene como objetivo presentar la solución propuesta para el diseño de un recalentador de vapor solicitado por la empresa Yara Colombia S.A.S., que utiliza como fluido de trabajo gas sintético con un 55% de hidrógeno en su composición molar. Este proyecto surge de la propuesta de implementar un sistema de recuperación de calor para mover una turbina de gas para la generación de energía eléctrica. El sistema lleva agua desde liquido comprimido hasta vapor sobrecalentado, haciéndola pasar por una caldera de recuperación y un RECALENTADOR. La empresa entregó los resultados de la simulación del proceso en una hoja de cálculos resumen, y con base a estas especificaciones se siguieron las fases del diseño, apoyándose en normativas, tales como ASME, API y TEMA, especializadas para el diseño de recipientes a presión. Como resultado se obtiene un intercambiador de calor de un paso por la coraza, con un total de 1218 tubos de transferencia de calor de 12 pies de largo y con arreglo cuadrado (a 90°) en la placa de tubos, la cual es fija. Para esta aplicación en varios de los componentes se optó por utilizar un acero inoxidable austenítico, para cumplir con la vida útil por corrosión y evitar la penetración del hidrógeno en la estructura cristalina del material. Por último, se entregan los planos de detalle del recalentador junto al análisis económico en conjunto con la caldera de recuperación de calor, para mostrar las condiciones de operación en las cuales este retorna su inversión en menos de tres años.

The project aims to present the proposed solution for the design of a steam superheater requested by the company Yara Colombia S.A.S., which uses as working fluid synthetic gas with 55% hydrogen in its molar composition. This project arises from the proposal to implement a heat recovery system to move a gas turbine for electric power generation. The system takes water from compressed liquid to superheated steam, passing it through a recovery boiler and a REHEATER. The company provided the results of the process simulation in a summary calculation sheet, and based on these specifications the design phases were followed, relying on standards such as ASME, API and TEMA, specialized for the design of pressure vessels. The result is a single-shell heat exchanger with a total of 1218 heat transfer tubes, 12 feet long and with a square arrangement (at 90°) in the tube sheet, which is fixed. For this application, an austenitic stainless steel was chosen for several of the components to meet the corrosion life and to avoid hydrogen penetration into the crystalline structure of the material. Finally, the detailed drawings of the superheater are provided together with the economic analysis in conjunction with the heat recovery boiler, to show the operating conditions under which it returns its investment in less than three years.