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Em um papel confiável

O processo de desidrogenação de propano, conhecido como "PDH", é utilizado para satisfazer as necessidades do crescente mercado de propileno. O controle preciso e confiável, assim como o bom desempenho de abertura, de fechamento e de paradas de emergência das válvulas são essenciais durante a operação para garantir produtividade e segurança total do processo.

Texto: Sari Aronen
Fotos: Metso e Shutterstock

O processo de desidrogenação de propano, conhecido como “PDH”, é usado para fornecer polipropileno em grau de polímero a partir do propano a fim de atender à crescente demanda do mercado de propileno, sem depender de uma unidade de craqueamento de vapor ou de craqueamento catalítico de fluidos (FCC). Ele oferece uma fonte específica e confiável de propileno para conferir mais controle sobre os custos de insumos deste produto.

O propileno é um elemento básico da indústria química e pode ser usado para produzir diversos produtos, incluindo plásticos e solventes. Atualmente, a demanda de propileno na Ásia tem crescido rapidamente, sobretudo devido ao aumento da procura por seu derivado, o polipropileno. O consumo de propileno na China representa mais de 15% da demanda mundial, e tem crescido cerca de 5-6% por ano. Enquanto isso, a tecnologia PDH vem sendo constantemente otimizada, diminuindo os custos de investimentos e de operação. Por esses motivos, o uso da tecnologia PDH tem apresentado um crescimento constante na China. Atualmente, as fábricas chinesas de desidrogenação de propano tendem a produzir em uma escala muito grande. Uma delas, por exemplo, produz 600.000 tpa de excedentes de propileno.

Os insumos representam uma grande fatia do custo total de produção de PDH. A economia do PDH é muito dependente da diferença de preço entre propano e propileno. Logo, o PDH tem um futuro brilhante em áreas ricas em propano, como o Oriente Médio e a América do Norte. Nessas áreas, a tecnologia PDH poderia ser utilizada para converter o propano de gás de xisto em propileno. O processo de desidrogenação do propano ocorre em altas temperaturas (aproximadamente 540 °C) para converter o propano em propileno na presença de um catalisador. O processo consiste em uma seção de reação, uma seção de recuperação do produto e uma seção de regeneração no catalisador.

Escolher corretamente as válvulas para o processo de desidrogenação de propano aumenta a eficiência, a produtividade e a segurança do processo.
Sari Aronen, gerente de aplicações, Metso

Regeneração contínua do catalisador

Passado algum tempo, devido às altas temperaturas operacionais, o catalisador fica revestido com coque, um subproduto natural do processo, e requer manutenção. A atividade do catalisador é mantida pela sua regeneração contínua (cuja sigla em inglês é “CCR”) ou pela desativação dos reatores, um a um, e regeneração do reator utilizando o ar de regeneração. No CCR, o catalisador é continuamente retirado do reator, regenerado e, então, reinserido na base do reator. O CCR não é usado apenas no processo de PDH, mas também é muito comum na reforma catalítica contínua, na qual desempenha a mesma função. Uma série de funis de bloqueio – geralmente quatro conjuntos completos – é utilizada para levar o catalisador do reator ao regenerador e depois o devolver ao reator.

A economia do PDH depende de uma produtividade constante, que não sofra quedas. Isso é possível graças à seção CCR, que garante que os reatores recebam sempre novos catalisadores regenerados e a produtividade seja mantida em níveis de novos catalisadores. Válvulas específicas para os funis de bloqueio do catalisador, ventilação, e retirada e adição de catalisador têm um papel importante para o bom desempenho do processo de regeneração do catalisador. Válvulas com mau desempenho no processo devem receber manutenção, porque impactam diretamente a eficiência. As válvulas devem ser projetadas especificamente para atender às exigências do processo, como a especificação 671 da UOP. É preciso tomar cuidado na seleção dos materiais e na construção do assento dessas válvulas críticas da seção CCR para evitar desgaste ou entrada de partículas nas cavidades do assento e sua subsequente adesão às superfícies de vedação.

Válvulas de sede metálica, como válvulas esfera, têm sido muito utilizadas para aplicações críticas de manuseio do catalisador. Nessa função altamente abrasiva, revestimentos duros devem ser empregados para aumentar a dureza da superfície da esfera e oferecer uma vida útil longa à peça. Recomenda-se uma construção especial da sede para essa aplicação crítica, já que as partículas finas do catalisador atrás dele podem fazer com que o torque aumente o suficiente para exceder a capacidade máxima de ação do atuador. O projeto demonstrou sua estanqueidade longeva ao longo anos de frequentes ciclos e manuseio do catalisador.

Na seção do CCR, o sistema de adição de catalisador é o ponto no processo onde o novo catalisador é adicionado, para substituir aqueles que são retirados e descartados do sistema quando não podem mais ser regenerados. O novo catalisador flui por gravidade para dentro do sistema por meio de um funil de adição de catalisador, à temperatura ambiente. Nesse caso, geralmente a solução é utilizar válvulas esfera de sede macia e um projeto adaptado ao catalisador. Um sistema de intertravamento é uma exigência comum para evitar que as válvulas acima e abaixo do funil de bloqueio abram ao mesmo tempo.

Reator e recuperação de produto

Na seção do reator de desidrogenação de propano, como a reação é endotérmica, aquecedores são utilizados para sustentar a temperatura de reação desejada com o fornecimento contínuo de calor. Tradicionalmente, válvulas de controle de passagem do aquecedor são projetos de válvulas globo de haste ascendente. No entanto, durante o ciclo do aquecedor, coque e óleos grudentos podem começar a se acumular na gaxeta da guia da haste superior. Os vazamentos e as adesões reduzem a precisão de controle de produtividade, afetando o desempenho do aquecedor e a eficiência do processo, ao mesmo tempo em que trazem riscos ao ambiente e à saúde. Uma manutenção não planejada pode ser cara e arriscada, além de causar um impacto financeiro na produtividade da fábrica. O projeto da gaxeta de válvulas de controle rotativo é bastante confiável e não apresenta os problemas de vazamento normalmente associados aos projetos convencionais com válvulas globo. Isso porque a haste rotativa não transporta os meios do processo para dentro da gaxeta da guia como uma haste ascendente faz.

Outra aplicação importante em aquecedores é o controle de gás combustível: válvulas de controle precisas e confiáveis são essenciais para reduzir custos operacionais. A combustão adequada maximiza a transferência de calor, e isso minimiza o consumo de gás combustível e os custos relacionados. Variações na composição do gás e diferentes condições de operação de partida, de operação normal e de desativação significam que essas válvulas devem controlar diversas cargas, o que exige que tenham uma margem de regulação. Isso geralmente é resolvido usando uma configuração de faixas separadas com válvulas globo. Outro método é utilizar válvulas de controle rotativo com uma margem de regulação de até 150: 1, como as válvulas segmentadas em V Neles. Assim, a ampla margem de regulação permite um controle preciso com vazões baixas e grandes aberturas de válvulas em uma única solução.

Na seção do reator de desidrogenação de propano, são usados secadores para remover sulfeto de hidrogênio e vestígios de água formados a partir da regeneração do catalisador. Uma secadora típica consiste em duas ou mais colunas equipadas com peneiras moleculares. Enquanto o fluxo úmido é processado em uma coluna, a outra coluna é responsável pela regeneração.  As válvulas de comutação da secadora desempenham um papel importante no direcionamento do fluxo de entrada e de saída de gás entre as colunas da secadora. Isso faz com que as colunas sejam alternadas entre uma fase de adsorção e uma fase de regeneração em uma sequência predefinida. É utilizado gás ou hidrogênio a altas temperaturas (aproximadamente 250 °C) para regenerar a base de adsorção. As válvulas devem resistir a essas flutuações de temperatura e à alta pressão, mantendo, ao mesmo tempo, a estanqueidade em ambas as direções do fluxo ao longo de anos de operação.

As bases da secadora com peneiras moleculares tendem a liberar poeira durante o ciclo de regeneração. É preciso tomar cuidado na seleção dos materiais e na construção do assento para evitar desgaste ou a entrada de partículas nas cavidades do assento e sua adesão subsequente às superfícies de vedação. Muitas vezes, são necessários diferentes perfis de movimentação para abertura e fechamento. Isso ocorre para minimizar a liberação de poeira pela base e os choques de pressão. Válvulas sede metálica, como as válvulas esfera e as válvulas borboleta da Metso, têm sido amplamente usadas para estes tipos de aplicações exigentes de comutação.  Para as aplicações mais exigentes, válvulas esfera bi-apoiadas são a escolha ideal graças a sua operação confiável e excelente resposta com diferenciais de alta pressão.

O design estilo montado em munhão tem fricção e torque operacional menores.  A construção do assento garante uma estanqueidade durável em ambas as direções, mesmo em condições extremas.  Esse design provou sua estanquidade de longa duração durante anos de comutação frequente com presença de poeiras de peneira molecular e mudanças constantes de temperatura. Os revestimentos rígidos especiais, como os carbonetos, são comumente usados neste tipo de aplicação. Para tamanhos menores e diferenciais de pressão mais baixos, válvulas de esfera suportadas por assento são usadas para designs de esfera flutuante que garantem uma estanqueidade duradoura com assentos metálicos e baixas pressões de desligamento. As válvulas de disco excêntrico triplo são uma opção interessante em aplicações em grande escala de válvulas para secadoras, em que as pressões se mantêm em um nível moderado. O design da válvula com disco tri-excêntrico e a sede metálica é bastante adequado para este ciclo frequente de alta temperatura e para aplicações abrasivas, pois pode suportar longos períodos de operação sem perda de estanqueidade bidirecional. A estanqueidade duradoura é garantida por disco induzido mecanicamente e por contato de assento, não dependendo de pressão diferencial e da sede com design robusto de peça única.

As válvulas de disco tri-excêntrico de alto desempenho com design de sede dupla conseguem aguentar meios com uma grande diferença de temperatura entre os dois lados da válvula sem perder a estanqueidade bidirecional. Isso oferece uma solução de válvula única para secadoras, em vez de uma com válvulas gaveta duplas grandes. Comparadas às válvulas gaveta duplas, as válvulas de disco tri-excêntrico de alto desempenho oferecem muitas vantagens, incluindo mais leveza e economia. Similar a uma haste ascendente, a haste rotativa não tende a transportar os meios do processo para dentro da gaxeta da guia, e é capaz de suportar as forças da tubulação.

Segurança na fábrica

Após selecionar e dimensionar minuciosamente a válvula, o atuador e a instrumentação, é possível verificar como a válvula se comporta em aplicações críticas, tais como válvulas de funis de bloqueio ou de secadoras. Isso ajuda a prever e planejar as atividades de manutenção. Os posicionadores de válvula com controle digital oferecem comunicação digital, mas controladores de válvulas inteligentes vêm com funções integradas de diagnóstico e monitoramento online das válvulas para antecipar falhas e necessidades de manutenção. Eles também oferecem mais segurança para a equipe e processo.

Um sistema de monitoramento de condição de válvula inteligente viabiliza uma abordagem sistemática. As válvulas que precisam de manutenção são identificadas, e o fornecimento de peças de reposição, ferramentas adequadas e serviços de manutenção podem ser planejados com antecedência para reduzir os problemas e os riscos no processo da fábrica. Falhas ou mau funcionamento são detectados antes que ocorra algum problema. É possível visualizar histórico de diagnóstico, status, desempenho atual e futuro da válvula. Controladores digitais inteligentes elevam o planejamento de partida, a operação e a manutenção para aplicações de desidrogenação de propano a outro patamar. Mais importante ainda é a possibilidade de ver, ao longo do processo, o que está acontecendo com as válvulas críticas, como as funil de bloqueio na seção do CCR ou as de comutação nas secadoras.

Conclusão

Escolher corretamente as válvulas para a desidrogenação de propano aumentará a eficiência, a produtividade e a segurança do processo. Um controlador de válvula inteligente fornece os meios para instrumentação simples e confiável, mostrando com transparência o desempenho das válvulas enquanto o processo está sendo executado. Válvulas inteligentes e confiáveis auxiliarão o uso e o desenvolvimento da produção de propileno por meio da desidrogenação de propano, que oferece os meios para chegar a fontes mais abrangentes de alimentação.

 

Processo de desidrogenação de propano como uma haste ascendente.

 

 

Publicado anteriormente na revista Results, no primeiro semestre de 2015, e na revista Hydrocarbon Engineering, edição de dezembro de 2012, na matéria "Em um papel confiável".

 

 

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