Simulación de la fuga de hidrógeno en un intercambiador de calor en servicio

Desde los albores de la civilización, el desarrollo tecnológico ha sido notablemente impulsado por la búsqueda de maneras eficaces de controlar y utilizar la energía. Desde las primeras hogueras hasta las máquinas de vapor, se han hecho incontables avances que han permitido al ser humano llegar hasta la industria actual, marcada por la incansable búsqueda de la eficiencia energética y el desarrollo sostenible. En esta continua evolución, los intercambiadores de calor han surgido como un componente esencial, permitiendo la transferencia eficiente de calor en una enorme variedad de aplicaciones. En los últimos años, el desarrollo de la industria ha llevado al descubrimiento y la implementación de diversos procesos en los cuales el hidrógeno tiene un papel fundamental. El uso del hidrógeno en aplicaciones industriales puede ser tremendamente ventajoso, desde su uso como combustible limpio y libre de emisiones hasta su uso en la industria química en procesos de descarbonización o hidrotratamiento de combustibles, reduciendo las emisiones de los mismos. No obstante, el hidrógeno es una sustancia tremendamente inflamable y reactiva, lo que hace de vital importancia tomar precauciones para garantizar la manipulación del mismo de forma segura. Un ejemplo de la importancia de este caso es el accidente ocurrido en 2010 en la refinería de Tesoro, en Anacortes (EE.UU.), en el cual se produjo una explosión que acabó con la vida de 7 personas. Esta explosión se produjo en un intercambiador de calor de carcasa y tubos, en el cual ocurrió un escape de hidrógeno. El hidrógeno atacó al acero de la carcasa del intercambiador, lo que empeoró gravemente sus propiedades mecánicas y provocó en última instancia su rotura por fatiga, dando lugar al accidente mencionado. Este suceso conmocionó al sector de la industria, haciendo que, desde entonces, se tenga especial cuidado en el diseño de intercambiadores de calor para evitar el contacto de hidrógeno con acero al carbono. Por ello, los componentes de un intercambiador de calor en contacto con hidrógeno se fabrican en aleaciones inoxidables resistentes al ataque químico por hidrógeno. Desde este suceso, la tecnología en intercambiadores de calor ha experimentado un enorme desarrollo, en el cual los intercambiadores de placas tienen un papel fundamental, ya que permiten un intercambio de calor más eficiente. Estos intercambiadores, aparte de resistir el ataque químico anteriormente mencionado, deben soportar grandes esfuerzos tanto mecánicos como térmicos en aplicaciones industriales. Por ello, todos los componentes en contacto con el fluido con el que trabajan son fabricados en aleaciones inoxidables, mientras que el soporte estructural de los mismos, diseñado para aguantar las elevadas cargas mecánicas requeridas, se fabrica en acero al carbono, material con las propiedades mecánicas adecuadas para esta función. Los componentes fabricados en aleación inoxidable son altamente resistentes, y es poco probable que se dé una fuga que ponga el contacto al efluente con los componentes de acero al carbono, pero para procesos en servicio de hidrógeno, estudiar la seguridad del intercambiador en caso de ocurrir este suceso no resulta ni mucho menos trivial teniendo en cuenta las catastróficas consecuencias que podría acarrear. Por ello, el objetivo de este trabajo de fin de grado es estudiar si el uso de estos intercambiadores es o no seguro en servicios de hidrógeno. Para ello se investigarán los intercambiadores de calor de la línea COMPABLOC, diseñados por la empresa Alfa Laval, puntera en el sector de la fabricación de estos equipos. Para estudiar la seguridad de estos equipos, es crucial comprender el fenómeno de ataque químico por hidrógeno, determinando si éste se producirá o no y en qué medida afectaría al acero al carbono en caso de producirse. La cinética de este fenómeno está fuertemente influenciada por los procesos de adsorción del hidrógeno en el acero al carbono y su difusión a través del mismo. Por tanto, este fenómeno depende fuertemente de las condiciones de presión y temperatura que alcanza el sistema. A mayor temperatura y presión, más rápido se producir el ataque químico, el cual afectará en mayor medida a la superficie. Por otra parte, en caso de producirse una fuga, la diferencia de presiones entre el interior del intercambiador y el ambiente ocasionará que el fluido tienda a escapar rápidamente al exterior. La rapidez con la que el fluido escapa, aparte de depender de la presión y la temperatura, depende en gran medida de la geometría del dominio espacial por el cual el fluido se mueve. Los componentes del intercambiador en contacto con el efluente están soldadas a los paneles del bastidor del intercambiador de calor mediante soldadura por puntos, lo que hace que estas piezas se encuentren solapadas una sobre la otra. Por tanto, el espacio por el que el fluido escaparía al exterior en caso de fuga y, por tanto, la geometría del dominio espacial del problema sería el determinado por la rugosidad de ambas superficies en contacto. Por estas razones, para estudiar la seguridad del intercambiador de calor, es preciso comparar la velocidad de los fenómenos de adsorción y difusión con la velocidad de escape del fluido al ambiente. Si el hidrógeno escapase al exterior más rápido de lo que se introduce y propaga en el acero, el intercambiador sería seguro en caso de fuga, por el contrario, si la adsorción o la difusión fuese más rápida o el hidrógeno quedase estancado en algún lugar de la geometría, el ataque químico se produciría, haciendo que el intercambiador no fuese seguro. Del mismo modo, también será necesario calcular el tiempo que tardarían en ocurrir estos fenómenos, pues una fuga demasiado duradera no detectada, como la de Anacortes, puede dar pie a que este fenómeno se produzca poco a poco, lo que haría necesario mantener el tiempo en el cual la fuga permaneciese abierta por debajo de un valor crítico. El estudio de la mecánica de fluidos permite comparar estos fenómenos y calcular sus tiempos característicos a través de la adimensionalización, calculando parámetros como el número de Peclet, que compara el tiempo de transporte difusivo con el tiempo de transporte convectivo para determinar qué fenómeno es más dominante. Para ello se han planteado varios modelos matemáticos que tratan de reproducir estos fenómenos. El fenómeno de adsorción se ha analizado según el modelo de Langmuir, la difusión se modeliza a través de las leyes de Fick, calculando el coeficiente de difusión según el modelo de Arrhenius. Para reproducir el dominio espacial, se ha investigado el proceso de mecaniza- do de las superficies que intervienen, recurriendo a modelos estadísticos para determinar la rugosidad de las mismas y, para modelizar el flujo del hidrógeno al exterior, se ha recurrido a las ecuaciones de Navier-Stokes y la ecuación de conservación de la energía, en las cuales los efectos de compresibilidad del fluido tienen un papel importante. Para entender y comparar estos fenómenos, será necesario entonces calcular la presión, la temperatura y la velocidad del fluido, para lo cual es necesario resolver las ecuaciones de Navier-Stokes y la ecuación de conservación de la energía en simulaciones CFD. Para esto se ha utilizado el software OpenFOAM, el cual implementa distintos solvers, esquemas de discretización y métodos iterativos para resolver estas ecuaciones por el método de volúmenes finitos. Estos métodos numéricos han sido estudiados, probados y seleccionados para resolver las ecuaciones del problema dando lugar a una solución numérica de la forma más estable posible, y se han descrito y detallado en la memoria de este trabajo. Una vez planteados los modelos, se han realizado las simulaciones, obteniendo los campos de presiones, velocidades y temperaturas en el dominio espacial a lo largo del tiempo. Estos resultados se han sometido a una etapa de postprocesado, en la cual se han obtenido animaciones que permiten visualizar la distribución de presiones, velocidades y temperaturas a lo largo del tiempo, se han monitorizado los residuos de los métodos numéricos para tener control sobre el error cometido en la obtención de la solución y se han calculado parámetros importantes para el estudio del problema, como el número de Reynolds, el número de Peclet o los tiempos característicos de los fenómenos que el problema involucra. Esto ha permitido no sólo comparar los fenómenos físico-químicos que intervienen en el ataque por hidrógeno para determinar si el intercambiador es o no seguro, sino también validar las hipótesis planteadas en la selección de los modelos. Se ha realizado un total de diez simulaciones, ensayando con una corriente compuesta íntegramente por hidrógeno molecular en estado gaseoso a una temperatura de 600ºK y una presión de 30 bares en el interior del intercambiador, observándose que el fluido escapa al exterior en todas ellas. Se ha visto que el volumen de control se presuriza a 30 bares y se han calculado las velocidades y temperaturas máxima, mínima y media, obteniendo velocidades de entre 1 y 3320 m/s aproximadamente, con una media que ronda los 750 m/s. Estas velocidades son tan altas debido a la baja masa molecular del hidrógeno y las condiciones de trabajo. Las temperaturas se hayan entre los 460 y 1223,5ºK. Con estos valores se han calculado los tiempos característicos de cada fenómeno para calcular el número de Peclet y el número de Reynolds para validar la hipótesis de flujo laminar planteada en los modelos formulados. Los valores obtenidos para el número de Peclet son del orden de 109, y los tiempos críticos de fuga rondan los 30.000 segundos. Por tanto, el escape del hidrógeno al exterior es dominante frente a la difusión del mismo a través del acero, por esta razón, se infiere que el intercambiador será seguro para estas condiciones, en caso de implementarse un sistema que detecte fugas y actúe para que éstas no se mantengan abiertas por un tiempo mayor

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