Petrochemische Anlagendauerhaftigkeit durch korrosionsbeständige FRP-Harze steigern

Verbundwerkstoffe sind bekannt für ihre Haltbarkeit in hochkorrosiven Umgebungen, aber für optimale Leistung ist es essenziell, das richtige Harz für jede Anwendung auszuwählen. Die Tochtergesellschaft Petrokemya von SABIC (Riad, Saudi-Arabien) betreibt in Jubail, Saudi-Arabien, einen petrochemischen Komplex, der diverse Grundchemikalien wie Ethylen, Styrol, Chlor, rohes industrielles Ethanol und mehr produziert. Für den Produktionsprozess benötigte der Komplex eine Verbrennungseinheit mit mehreren Großkomponenten und Rohren, die Salzsäure ohne Korrosion standhalten müssen.

Design und Fertigung des Quenchtanks, Scrubbers, Abgastanks und zugehöriger Behälter und Rohrleitungen der Verbrennungseinheit wurde einem Team übertragen, das den korrosionsbeständigen Apparatebauer Ollearis (Martorelles, Spanien), den Auftragnehmer China Tianchen Engineering Corp. (TCC, Tianjin, China) und das Ingenieurbüro John Zink Hamworthy Combustion (Tulsa, Oklahoma, USA) umfasste. Diese Komponenten mussten Kontakt mit Salzsäure standhalten, mehrere Designherausforderungen meistern und eine kosteneffektive Lösung darstellen.

Glasfaserverstärkte Composites wurden als Material gewählt, das den hochkorrosiven Chemikalien standhält und eine kosteneffektivere Lösung als spezialisierte Metalllegierungen bietet. Alle Hauptkomponenten wurden aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) gefertigt, mit wenigen geringfügigen Ausnahmen wie Hebe- und Halteösen (Edelstahl), Sprühdüsen (Thermoplast oder metallisch) und Scrubber-Füllkörper.

Um die wirtschaftlichste Lösung bei Erfüllung der Leistungsanforderungen zu bieten, griff Ollearis auf drei AOC (Collierville, Tennessee, USA) Atlac-Harze zurück. „Wir wählten die Harztypen mittels AOC Chemical Resistance Guide sowie der Expertise von AOCs technischem Serviceteam, unter Berücksichtigung der gehandhabten Flüssigkeiten und der vom Kunden geforderten Designtemperaturen. Es war notwendig sicherzustellen, dass die vorgeschlagenen Harze unter den geforderten Bedingungen gut performen würden“, erklärt Adriano Ureña, Technischer Leiter bei Ollearis.

Ollearis wählte Atlac 590 Epoxid-Novolac-Harz für den Quenchtank, die erste Phase der Gasreinigung. Der Tank misst 11,8 m Höhe bei 3 m Innendurchmesser (ID). Die Herausforderung: Im Betrieb tritt Abgas aus der Verbrennungseinheit bei ca. 300 °C in den Quenchtank ein und wird durch Wasser, das von Düsen nahe dem Gaseinlass versprüht wird, sehr schnell gekühlt. Atlac 590 wurde gewählt, um Beständigkeit gegen Salzsäurelösung und Festigkeitserhalt bei den geforderten erhöhten Temperaturen zu bieten.

Für den 14,10 m hohen Scrubber, den 39,7 m hohen Abgasstack, aus dem das gereinigte Gas entweicht, und den 1,45 m langen Kanal, der Scrubber und Quenchtank verbindet, wurde Atlac 430 Bisphenol-A-Epoxid-Vinylesterharz gewählt. Dies ist ein vielseitiges Standardprodukt, das den vergleichsweise weniger anspruchsvollen Temperaturbedingungen für diese Komponenten entspricht – die Designtemperaturen von Scrubber und Abgasstack erreichen bis zu 85 °C. Der Scrubber ist Salzsäurelösung ausgesetzt, die aus dem Quenchtank eintritt, sowie Natronlauge in dem zum Neutralisieren der Säure verwendeten Waschwasser. Der Abgasstack ist ebenfalls Luft mit geringer Menge Salzsäure und nassem Chlor ausgesetzt.

Für das Rohrleitungssystem rund um Scrubber und Quenchtank wurde Atlac 383 ungesättigtes Bisphenol-A-Polyester gewählt für seine Chemikalienbeständigkeit gegen Säure und Laugen bei niedrigeren Kosten als Standard-Vinylesterharze.

Der Quenchtank, Scrubber und zylindrische Teile des Stacks wurden via Hybridfertigungsverfahren hergestellt, das Nasswickeln mit einer äußeren Lage bidirektionaler Gewebe kombiniert, die simultan appliziert wurden. Diese Kombination erzeugte Bauteile mit besseren mechanischen Eigenschaften sowohl in Umfangsrichtung (vom Wickeln) als auch in Axialrichtung (von den Geweben, die mit der Bauteilachse fluchten). Die Zugabe von Gewebe reduzierte auch den Glasfaser-Gewichtsanteil pro Bauteil von 70 % bei rein gewickelten Teilen auf 55 %. Dies erhöht den Anteil korrosionsbeständigen Harzes pro Bauteil. Andere Komponenten wurden im Handlegeverfahren gefertigt.

Designherausforderungen lösen

Ollearis sah sich beim Design der Anlagen für dieses Projekt mehreren Herausforderungen gegenüber. Eine Herausforderung kam von der Notwendigkeit, eine harzreiche Korrosionsschutzschicht auf der Innenseite des Quenchtanks einzuschließen, was Risiken von Rissbildung (Crazing) durch thermischen Schock während des Betriebs barg. Das Team verbesserte die Thermoschockbeständigkeit der Komponente, indem es die Korrosionsschutzschicht mit einem Kohlefaser-Oberflächenvlies verstärkte.

Eine zweite Herausforderung war, dass Ollearis einen Weg finden musste, das Gewicht der Füllkörper im Scrubber zu tragen – die Füllkörper sind das Material, das Gase aus der durch den Scrubber strömenden Luft entfernt. Zur Lösung installierte Ollearis ein Composite-Gitter unter der Füllung, getragen von einem Composite-Sims und zwei Composite-Trägern. Sims und Träger haben einen hohlen, rechteckigen Querschnitt, und der Sims ist mit Polyurethanschaum gefüllt. Der Sims wurde direkt in den gewickelten zylindrischen Scrubber als ein Stück integriert; Verkleben nach der Fertigung hätte ein Entklebungsrisiko durch Lasten vom Füllkörpergewicht bedeutet. Die Träger werden durch speziell designte Composite-Düsen getragen, die mit dem Scrubber-Mantel verklebt sind.

Eine dritte Designherausforderung kam daher, dass Quenchtank und Scrubber unter Vakuum betrieben werden, aber flache Böden haben – flache Composite-Paneele haben schlechte Beständigkeit gegen Druck und Vakuum und müssen meist sehr dick sein, um solchen Lasten standzuhalten, was sie teuer in der Fertigung macht. Um Projektziele zu erreichen, entwickelte Ollearis eine kostengünstigere Lösung durch Sandwichkonstruktion mit einem Kern aus harzimprägniertem 3D-Glasfasergewebe, beidseitig mit Composite-Deckschichten belegt, um Kosten und Gewicht eines massiven Composite-Teils zu reduzieren.

Für dieses Projekt wurden die Composite-Komponenten 2016 konstruiert und geliefert, mit endgültiger Installation 2017.