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A Shell-and-tube heat exchanger enhancement that increases Energy Efficiency in the Oil, Gas, Power & Chemical Process Sectors

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La prevención, más que la intervención, minimiza uno de los mayores problemas de las refinerías

Durante años, los ingenieros se han enfrentado al problema del ensuciamiento de los intercambiadores de calor en la fase de precalentamiento de la destilación del petróleo crudo. Unos investigadores descubrieron que el problema está en los cabezales de entrada y lo solucionaron con una tecnología para retroadaptar los diseños de los intercambiadores de calor o para diseñar unos nuevos.

Tecnologías industriales

Se espera que la demanda mundial de petróleo alcance los 100,6 millones de barriles diarios a finales de 2022, con una capacidad de refinado que aumentará anualmente en los próximos 5 años. Por lo tanto, es el momento perfecto para que las refinerías aborden el problema del ensuciamiento de la tecnología de los intercambiadores de calor, responsable de un enorme consumo de energía, de una gran cantidad de emisiones y de miles de millones de dólares de ingresos perdidos. El proyecto FlowEnhancer, financiado con fondos europeos, ha desarrollado Flow Optimiser, un modulador del flujo de entrada del intercambiador de calor de tubo y carcasa que puede retroadaptarse o integrarse en la entrada de los nuevos intercambiadores de calor. Esta tecnología distribuye el flujo de manera más uniforme por los tubos del intercambiador, lo que reduce los focos de ensuciamiento en el intercambiador y mejora considerablemente la eficiencia del intercambiador de calor.

El tren de precalentamiento se adentra en el futuro

Las refinerías de petróleo «refinan» el crudo en productos de mayor valor siguiendo un proceso de tres pasos que comienza con destilación del petróleo crudo en moléculas más pequeñas. Para lograr una destilación fraccionada adecuada, la corriente de petróleo crudo debe introducirse en la columna de destilación a una temperatura muy alta. Lo normal es que, antes de la etapa de destilación fraccionada, pase por el denominado «tren de precalentamiento de crudo», para lo que se utilizan intercambiadores de calor y calor residual de otras corrientes del proceso para reducir el consumo de energía. Se calcula que los costes totales relacionados con el ensuciamiento de los intercambiadores de calor y de las calderas de los principales países industrializados superan la cifra de 4 400 millones de dólares estadounidenses anuales. La modelización de la dinámica de fluidos computacional (DFC) en el contexto del anterior proyecto CLEANEX, financiado por el Séptimo Programa Marco, identificó de forma inesperada la entrada como origen del problema. FlowEnhancer redujo la carga computacional de los análisis y se centró en las partes pertinentes con resultados brillantes. Según Derek Sumsion, director de I+D de Tube Tech International, «la amplia modelización de la DFC de alta resolución, que llegó mucho más lejos de lo que se había previsto para FlowEnhancer, condujo al diseño de una pieza para la entrada que distribuye de manera uniforme el flujo de entrada de diferentes composiciones de petróleo crudo en una multitud de intercambiadores con diferentes volúmenes de tubos, lo que minimiza el ensuciamiento».

El primero de su clase

El diseño de los intercambiadores de calor no ha cambiado mucho en los últimos cuatro decenios. Las tecnologías de antiensuciamiento, cuando se emplean, están colocadas en los intercambiadores de calor. Sin embargo, tal como demostró FlowEnhancer, el problema está en el cabezal de entrada. Flow Optimiser reduce las turbulencias y permite un aumento del 10 % en la velocidad de entrada en el tubo y el correspondiente aumento de 7 °C en la temperatura de salida. Esto mejora la eficiencia del intercambiador, lo que reduce drásticamente el consumo de energía, las emisiones globales de CO2 y los costes, a la vez que prolonga la vida útil del activo. Las refinerías podrían conseguir un ahorro potencial de hasta 1,8 millones de euros al año y un retorno de la inversión de 9:1 por intercambiador de calor. Sumsion amplía los resultados, tanto los previstos como los imprevistos: «Además de descubrir la distribución no uniforme del flujo de entrada, las pruebas realizadas en Shell India —concebidas a la luz de los desafíos relacionados con la pandemia— corroboraron los amplios análisis de la DFC que respaldan el concepto de Flow Optimiser, la novedosa tecnología de pulsación que reduce el ensuciamiento a velocidades más bajas y que tiene el potencial de rediseñar los intercambiadores de calor, algo que se espera desde hace años. Tenemos muchos proyectos nuevos para el futuro». El nuevo Flow Optimiser se instalará en una refinería de Shell en octubre de 2021 para proporcionar información acerca del ensuciamiento sobre el terreno. Mientras tanto, el equipo directivo está captando capital y contactando con los clientes para acelerar el crecimiento y la adopción de Flow Optimiser. Flow Optimiser, para el tren de precalentamiento, ha salido de la estación.

Palabras clave

FlowEnhancer, intercambiador de calor, ensuciamiento, Flow Optimiser, destilación fraccionada, tren de precalentamiento, petróleo crudo, refinerías, DFC, dinámica de fluidos computacional

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