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Peneira molecular eficiente com seleção de válvula inteligente

As indústrias de processamento químico e de hidrocarbonetos estão constantemente procurando maneiras de melhorar a eficiência, economia e segurança de processos, como a separação de gás e líquido. O papel crítico da automação, incluindo a seleção da válvula de comutação, no processo de adsorção de peneiras moleculares bem sucedido e sustentável não pode ser subestimado.

O impacto de tais processos em nosso ambiente global não deve ser subestimado. As tecnologias de adsorção e peneira molecular já são amplamente utilizadas em toda a indústria há décadas para separar hidrocarbonetos e gases secos e para remover impurezas. Existem muitos tipos de adsorventes, dos quais os mais importantes são alumina ativada, zeólita, gel de sílica e carvão ativado. O foco está tipicamente no coração do processo – escolhendo o adsorvente mais adequado para otimizar o processo de secagem ou de purificação em questão. Mas e quanto ao papel da automação, incluindo a seleção da válvula de comutação, para o processo bem sucedido e sustentável de adsorção de peneiras moleculares? A Metso aplicou soluções de controle de fluxo para processos de adsorção, como o peneiramento molecular, durante décadas do bioetanol para a isomerização de refinarias, secadores de gás de craqueamento e secadores de GNL. A seleção de válvulas depende da aplicação real e dos requisitos específicos. No entanto, há muitos desafios semelhantes a serem encontrados nas aplicações de válvulas de peneira molecular, e este aspecto coloca as empresas de automação, como a Metso, em uma posição interessante como um elo entre diferentes indústrias com uma ampla faixa de ofertas de produtos e conhecimentos e experiências profundas em aplicações.

  • Destaques
  • Alumina ativada, zeólita, gel de sílica e carvão ativado estão entre os tipos mais importantes de adsorventes existentes.
  • Durante décadas, a Metso aplicou soluções de controle de fluxo para processos de adsorção, do bioetanol para a isomerização de refinarias, secadores de gás de craqueamento e secadores de GNL.
  • As válvulas devem resistir a flutuações consideráveis de temperatura, em conjunto com a alta pressão, mantendo a estanqueidade em ambas as direções do fluxo ao longo de anos de operação.
  • Deve ser tomado cuidado na seleção dos materiais da válvula e construção da sede para evitar qualquer desgaste ou entrada de partículas nas cavidades da sede.
  • Ao substituir as válvulas globo de haste ascendente por rotativas, numerosas unidades melhoraram as suas operações, eliminando as perdas de produção e reduzindo os custos de manutenção..


O que é o peneiramento molecular?
Um sistema típico é constituído por duas ou mais colunas de enchimento com peneiras moleculares, que são adsorventes à base de zeólito constituídos por aluminossilicatos cristalinos (zeólitos) e argila. As características especiais das peneiras moleculares incluem adsorção reversível de vários compostos gasosos e uma rede de cavidades e poros estreitos, oferecendo uma área de superfície interna muito alta. À medida que o fluxo úmido ou ácido é processado em uma coluna, o outro é regenerado. Dependendo dos volumes sendo tratados, pode ser implementado um sistema multi-adsorvedor. Antes de entrar na coluna para a fase de adsorção, a água e outros contaminantes são removidos em um coalescedor ou separador. A peneira molecular adsorve as impurezas em uma direção de fluxo descendente. Os zeólitos mantêm sua eficiência de secagem até 100 °C. Quando o leito de peneira molecular se aproxima de sua saturação máxima, o fluxo de entrada é alternado para a segunda coluna e a regeneração é iniciada na primeira coluna. As peneiras moleculares podem ser regeneradas por aquecimento do adsorvente com um gás quente, vapor ou alterando a pressão parcial (variação de pressão). O gás de regeneração flui contra-fluxo para o processo de gás a temperaturas entre 200 e 320 °C. A regeneração de contra-fluxo é usada para evitar o envelhecimento do adsorvente e, portanto, aumenta o número de ciclos.

A regeneração é seguida pelo resfriamento com gás seco na mesma direção, que a adsorção que irá fluir para o separador de gás de regeneração, para remover a água condensada. O gás saindo do separador de gás de regeneração é reciclado de volta à entrada da coluna de adsorção, através de um compressor de gás.

Desafios enfrentados pelas válvulas no peneiramento molecular
Quais são os requisitos habituais para válvulas no peneiramento molecular? As válvulas de comutação no peneiramento molecular desempenham um papel importante ao dirigir o fluxo de entrada/saída de gás entre as colunas, portanto, alternando as colunas de uma fase de adsorção para a fase de regeneração e resfriamento em uma sequência predefinida. Cada uma das colunas possui várias válvulas de comutação. Essas válvulas algumas vezes são chamadas válvulas de sequenciamento. A frequência dos ciclos pode variar de acordo com o sistema de peneiras moleculares; no processamento de hidrocarbonetos, estas válvulas ciclam tipicamente três a quatro vezes por dia. Variações de temperatura de 25 °C a 400 °C e temperaturas de operação de até 100bar são típicas no processamento de hidrocarbonetos, por exemplo, grandes secadores de peneiras moleculares em trens de GNL. As válvulas devem resistir a essas flutuações de temperatura, em conjunto com a alta pressão, mantendo a estanqueidade em ambas as direções do fluxo ao longo de anos de operação. Além disso, porque os leitos da peneira molecular tendem a liberar poeira durante o ciclo de regeneração, deve-se ter cuidado na seleção de materiais e na construção da sede, para evitar qualquer desgaste ou partículas que entrem nas cavidades da sede e aderindo às superfícies de vedação. Os requisitos de velocidade operacional, que variam tipicamente de 10 segundos a poucos minutos, não são exigentes para válvulas. Contudo, muitas vezes são necessários diferentes perfis de movimentação para abertura e fechamento: por exemplo, abertura lenta (2 minutos) e fechamento rápido (15 segundos). Em caso de falha, as válvulas são obrigadas a fechar ou ficar paradas. O controle de emissões fugitivas é muito importante no processamento de hidrocarbonetos para evitar riscos para o meio ambiente e para a saúde; portanto, a gaxeta da válvula deve manter a estanqueidade durante todo o período de execução do processo.

Molecular sieving valve diagram

Como escolher a válvula certa?
Válvulas de sede metálica, como as válvulas esfera e borboleta Metso, têm sido amplamente usadas para estes tipos de aplicações exigentes de comutação. Para as aplicações mais exigentes, válvulas esfera bi-apoiadas são selecionadas para sua operação confiável e excelente resposta com diferenciais de alta pressão. Designs bi-apoiados dão menor fricção e torque operacional. A construção da sede garante uma estanqueidade durável em ambas as direções, mesmo em condições extremas. Esta concepção provou a sua estanquidade de longa duração após anos de comutação frequente com poeiras de peneira molecular presentes e mudanças de temperatura constante.

Válvula de disco tri-excêntrico da Neles

Os revestimentos rígidos especiais, como os carbonetos, são comumente usados neste tipo de aplicação. Para tamanhos menores e diferenciais de pressão mais baixos, válvulas esfera com sede foram usadas para designs de esfera flutuante que garantem uma estanqueidade duradoura com sedes metálicas e baixas pressões de fechamento. As válvulas de disco tri-excêntrico proporcionam uma opção interessante em aplicações de grande tamanho para comutação de peneiras moleculares, em que as pressões se mantêm a um nível moderado.

Válvula de disco tri-excêntrico da Neles.

 

Válvula esfera bi-apoiada Neles.Válvula esfera bi-apoiada Neles

O design da sede metálica para apoio tri-excêntrico é adequado para este ciclo frequente de alta temperatura e em aplicações abrasivas, pois pode suportar longos períodos de operação sem perda de estanquidade bidirecional, mesmo em grandes aplicações de ciclos térmicos. A estanquidade duradoura é garantida por disco induzido mecanicamente e contato da sede, que não depende da pressão diferencial e de um robusto design de sede de peça única. Atuadores de ação dupla e de ação tipo pistão são usadas para garantir a capacidade das válvulas para suportar o ciclo frequente e para garantir um ciclo longo de vida útil. A característica de torque é otimizada para ambos os tipos de válvula, esfera e borboleta, no serviço crítico de comutação para superar o atrito estático e o torque dinâmico (torque de operação) da válvula. Os mancais de alta qualidade e de vedação são usados para otimizar a saída de torque por atrito interno mínimo. A vida útil do ciclo para esses tipos de atuador foi testada para durar até 2 milhões de ciclos.

 

Inteligência – a cereja no topo do bolo
Após uma cuidadosa seleção e dimensionamento da válvula, atuador e instrumentação, há alguma maneira de ver como a válvula está funcionando nesta aplicação crítica? É possível prever e planejar as atividades de manutenção? A resposta é claramente “sim”. Escolha um controlador inteligente montado na parte superior da válvula. Controladores digitais inteligentes, como o SwitchGuard da Neles, elevam o planejamento de inicialização, operação e manutenção para aplicações de comutação de peneiras moleculares para um nível totalmente novo. Mais importante ainda, é possível ver, durante o curso do processo, o que está acontecendo nas válvulas de comutação automática na peneira molecular, muitas vezes crítico para a disponibilidade de toda a unidade, por exemplo, na liquefação de GNL ou isomerização de refinarias.

“A responsabilidade de fonte única de todos os componentes fabricados, totalmente testados e configurados vai garantir o desempenho correto das válvulas de peneiras moleculares ao longo da ciclo de vida inteiro.”

Normalmente, a instrumentação de válvula de comutação envolve muitos componentes e sua falha pode ter efeitos adversos no controle do processo. Na pior das hipóteses, a falha de componente pode causar desligamentos não programados de processo. Essas falhas podem ser reduzidas usando controladores inteligentes compactos com chaves de fim de curso integradas e grande capacidade pneumática, e eliminam a necessidade de instrumentação adicional. Ao analisar o funcionamento das válvulas de peneira molecular enquanto estão em operação, armazenar as informações de diagnóstico dentro do dispositivo e ao usar soluções de gerenciamento de ativos, como o FieldCare da Metso, esta informação pode ser usada para planear programas de manutenção e para garantir a disponibilidade de válvulas de comutação e o processo de peneiramento molecular. Além disso, controladores inteligentes podem ser usados para configurar a abertura e o fechamento da válvula com vários perfis de movimentação sem acessórios adicionais. Por exemplo, se a abertura da válvula deve ocorrer dentro de 10 segundos, com a primeira fase sendo lenta e depois (após o fluxo começar a passar pela válvula) o resto da fase de abertura sendo mais rápido, isso é possível. Este tipo de recurso é uma opção útil e interessante para uso em peneiras moleculares, onde deve-se tomar cuidado na minimização de choques de pressão e temperatura nos leitos adsorventes enquanto se altera entre adsorção e dessorção.

Conclusão
A importância de uma seleção cuidadosa das válvulas para processos de peneiramento molecular nunca pode ser enfatizada demais. Houve casos em que as válvulas - tais como válvulas esfera de haste ascendente – causaram custos anuais inaceitavelmente elevados durante anos em tais aplicações, onde as unidades de processamento sofreram perdas de produtos ao longo dos anos, excedendo muito o preço de compra das válvulas de sequenciamento. As unidades substituíram com sucesso as válvulas do tipo haste ascendente com válvulas de esfera rotativas no peneiramento molecular e conseguiram melhorar a situação de forma notável, eliminando tais perdas de produção e reduzindo os custos de manutenção. A responsabilidade de fonte única de todos os componentes fabricados, totalmente testados e configurados vai garantir o desempenho correto das válvulas de peneiras moleculares ao longo da ciclo de vida inteiro. Um controlador de válvula inteligente fornece os meios para instrumentação simples e confiável com transparência para mudar o desempenho das válvulas enquanto o processo está sendo executado. Válvulas de comutação de peneira molecular confiáveis vão apoiar o uso e o desenvolvimento de processos e combustíveis mais econômicos e mais limpos, como a isomerização, o GNL e o bioetanol, onde a adsorção de peneira molecular desempenha um papel importante na disponibilidade total do processo e no sucesso da produção.

Texto: Sari Aronen

Este artigo foi publicado em Hydrocarbon Engineering, edição de outubro de 2011 como ‘economia de peneiramento’.

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