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Enregistrer dans la liste de lecture Publié par Callum O'Reilly, rédacteur en chef Hydrocarbon Engineering, lundi 16 août 2021 11:50

Selon le département américain de l'énergie (DOE), le reformage du gaz naturel ou reformage du méthane à la vapeur (SMR) représente actuellement 95 % de l'hydrogène produit aux États-Unis ; c'est sans doute l'une des méthodes les plus rentables et les plus économes en énergie pour fabriquer de l'hydrogène.

Figure 1. Vue d'ensemble d'un processus SMR typique.

La figure 1 présente une vue d'ensemble d'un processus SMR typique. Le SMR est considéré comme un processus de production mature dans lequel une source de méthane (c'est-à-dire du gaz naturel, du biogaz, du gaz de synthèse, etc.) réagit de manière endothermique avec de la vapeur à haute température en présence d'un catalyseur pour produire de l'hydrogène, du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone :

CH4 + H2O (+ chaleur) → CO + 3H2

Par la suite, le monoxyde de carbone et la vapeur sont mis à réagir en présence d'un catalyseur pour produire de l'hydrogène et du dioxyde de carbone supplémentaires en ce qui concerne la réaction de « décalage eau-gaz » :

CO + H2O → CO2 + H2 (+ chaleur)

Enfin, l'hydrogène gazeux est purifié par adsorption modulée en pression (PSA), qui élimine le dioxyde de carbone et d'autres impuretés. Souvent, une usine d'ammoniac existe en aval de l'usine d'hydrogène, dans laquelle l'hydrogène est mis à réagir avec de l'azote pour produire de l'ammoniac.

La combinaison de températures et de pressions élevées crée un environnement de service sévère qui présente des défis importants pour les exigences d'isolation des fluides. Au reformeur et au générateur de vapeur, les températures et les pressions peuvent atteindre ou dépasser respectivement 1500°F et 1500 psig. Ces températures et pressions élevées sont répandues dans divers modules et applications du procédé SMR, y compris le reformeur, l'eau d'alimentation de la chaudière, les conduites de gaz d'alimentation, les brides du tambour à vapeur, les applications de purge et les applications de purge.

Au-delà de l'îlot SMR et dans la section ammoniac de l'usine, ces défis de température et de pression persistent également tout au long des applications d'azote - par exemple, les vannes d'alimentation en azote des compresseurs et des têtes de torche peuvent atteindre ou dépasser 4000 psig à 400 ° F.

Alors que le monde progresse dans les initiatives d'énergies renouvelables, l'hydrogène prend de l'ampleur en tant que "pilier stratégique" de la transition énergétique, car il s'agit d'une molécule à combustion propre et d'un substitut potentiel aux combustibles fossiles. Combiné aux technologies de captage et de séquestration du carbone (CSC), le procédé SMR permet de convertir la production d'hydrogène conventionnel, appelé « hydrogène gris », en production d'hydrogène bas carbone, autrement appelé « hydrogène bleu ». Pour que l'hydrogène bleu devienne économiquement viable en tant que source d'énergie primaire, les coûts sur l'ensemble de la chaîne de valeur de l'hydrogène, y compris la production, le stockage, la distribution, etc., doivent être réduits pour atteindre les objectifs de coûts du DOE pour les futures automobiles et autres applications. En ce qui concerne la production d'hydrogène, le procédé SMR reste la méthode la plus rentable par rapport à d'autres, telles que l'électrolyse. Bien que le processus SMR soit considéré comme une technologie mature, des opportunités d'optimisation commerciale et environnementale existent et sont réalisées via des températures et des pressions plus élevées et soutenues dans des zones particulières du processus. Par exemple, le Conseil de l'hydrogène et McKinsey & Co. affirment que : "la conduite d'ATR [reformage autothermique] à des températures plus élevées peut également augmenter les taux de conversion du méthane en hydrogène, entraînant une teneur en méthane plus faible dans le gaz produit, réduisant davantage les émissions. "1 En conséquence, les nouvelles usines sont conçues pour fonctionner beaucoup plus chaud et à des pressions plus élevées dans des applications et des modules spécifiques par rapport à ceux des installations existantes. De plus, l'efficacité d'un véritable système en boucle fermée sans fuites dans l'atmosphère devient d'une importance cruciale, tant d'un point de vue commercial qu'environnemental. En tant que tel, une isolation fiable avec une fermeture positive devient non seulement beaucoup plus difficile pour les vannes dans ces applications, mais aussi d'une importance vitale pour l'ensemble du processus de production.

À des températures et des pressions plus basses, les robinets-vannes à siège de couple, souvent équipés de garnitures superposées solides en Stellite® ou soudées en Stellite, peuvent suffire pour les applications qui ne nécessitent pas une fermeture étanche. Les conceptions de vannes à siège de couple impliquent l'application de forces substantielles aux composants de la vanne pour assurer une étanchéité adéquate contre la pression de ligne. Au fil du temps, ces forces usent les composants d'étanchéité critiques de ces types de vannes, ce qui réduit la durée de vie des produits par rapport à celles des conceptions de vannes à siège.

À mesure que les températures et les pressions augmentent, les robinets-vannes sont souvent remplacés par des robinets à soupape en forme de Y, équipés de la même manière de garnitures superposées solides en Stellite ou soudées en Stellite, pour obtenir de meilleures performances d'arrêt lors de l'installation initiale. Malheureusement, les performances d'arrêt améliorées de la vanne à soupape sont compensées par une chute de pression substantielle à travers la vanne et une courte durée de vie du produit.

La conception d'une vanne à soupape implique un chemin d'écoulement tortueux qui entraîne non seulement une chute de pression élevée (Cv réduit), mais également une érosion persistante de ses éléments d'étanchéité. De plus, les robinets à soupape, comme les robinets-vannes, sont également à siège de couple, qui doit être « martelé » pour assurer l'étanchéité contre la pression de la conduite, ce qui entraîne une usure prolongée des composants internes de la vanne. Combinée à une mécanique à plusieurs tours et à tige montante, l'efficacité d'étanchéité des vannes à soupape est souvent compromise par ces facteurs, ce qui entraîne des fuites de garniture dans l'atmosphère tout au long de la durée de vie de la vanne. En plus des fuites de garniture, les fuites de siège nuisent souvent aux performances des vannes à soupape, car un différentiel de température entre les sections amont et aval d'une vanne à soupape fermée entraîne une dilatation thermique du côté entrée de la vanne par rapport à une contraction thermique de la partie sortie de la valve, qui contient le bouchon. En tant que tel, l'efficacité d'étanchéité du clapet et du siège est compromise et le robinet à soupape fuira en aval...

Écrit par Robert Hsia, UnionTech, États-Unis.

Cet article a été initialement publié dans le numéro d'août 2021 du magazine Hydrocarbon Engineering. Pour lire l'article complet, connectez-vous ici ou inscrivez-vous pour un abonnement d'essai gratuit.

Lire l'article en ligne sur : https://www.hydrocarbonengineering.com/special-reports/16082021/severe-service-solutions/

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