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Soluções de controle de fluxo para a produção sustentável de combustível

A indústria do petróleo está procurando soluções econômicas a fim de satisfazer novas especificações regulatórias para produzir combustíveis ambientalmente limpos. Isso levou a um aumento na demanda por tecnologia de isomerização de nafta C5 e C6 de alto desempenho por causa de sua capacidade para reduzir a concentração de benzeno na produção de gasolina enquanto mantém ou aumenta o índice de octanagem na produção de gasolina. A isomerização é um processo no qual átomos de uma molécula permanecem os mesmos, mas são reorganizados para produzir um isômero. Os processos de isomerização também saturam o benzeno em ciclohexano por hidrogenação, já que a concentração de benzeno na gasolina é prevista na lei em razão de questões ambientais.

Há diversas configurações do processo de isomerização disponíveis no mercado que diferem em termos de seus custos operacionais, receita do produto, custos de investimento e índice de octanagem do produto isomerato. Ao usar um processo direto mais simples, os índices de octanagem de pesquisa (RON) podem ser melhorados de 70 para cerca de 80-84. Ao utilizar adicionalmente um processo de reciclagem para um hexano não convertido, os índices de octanagem podem ser melhorados ainda mais para cerca de 87-93.

O fluxo de pentano/hexano e hidrogênio em geral entra no processo através de secadores, que são usados para garantir que o fluxo esteja livre de fontes de oxigênio que poderiam reduzir a atividade catalisadora. Se o tipo de catalisador usado conseguir tolerar água, os secadores podem ser dispensados. Após ser misturado com hidrogênio de reposição, o fluxo tem calor trocado com o efluente do reator. O fluxo entra, então, em um forno de carga, ou trocador de calor, antes de entrar nos reatores. 

Os reatores são mantidos a uma temperatura de cerca de 100–200 °C (200–400 °F), conforme o equilíbrio da reação de isomerização é impulsionado em direção aos isômeros em temperaturas mais baixas. A temperatura relativamente baixa desacelera a taxa de reação, exigindo o uso de um catalisador para fazer a reação continuar a uma taxa razoável.

Para manter a atividade catalisadora alta, alguns catalisadores exigem a adição de quantidades pequenas de cloretos orgânicos. Resfriadores de hidrogênio são utilizados para manter a temperatura do reator e a atividade catalisadora. Também ocorre algum craqueamento nos reatores e o gás leve formado é removido na coluna de estabilização. A parte remanescente sai do estabilizador através da parte inferior. Essa corrente então entra em um deisohexanizador, onde o hexano não convertido é separado e reciclado.

Figura 1. Processo de isomerização típico

Typical isomerization process

Um processo de isomerização típico inclui cerca de 50 a 60 válvulas de controle e aproximadamente 70 a 80 válvulas on-off e de segurança. Já que as condições de pressão e de temperatura são moderadas, as classes de pressão das válvulas são normalmente ASME 300 e, algumas vezes, ASME 600. Os tamanhos das válvulas variam entre 1 e 10 polegadas. Se são usados cloretos no processo, os internos de monel são tipicamente exigidos para as válvulas para garantir que o material seja resistente a cloretos. Em razão da presença de fluxos de comutação e hidrogênio, pode ser necessária estanqueidade bidirecional para algumas válvulas de controle e on-off.

As aplicações de comutação do secador talvez desempenhem o papel mais crucial para as válvulas no processo de isomerização. Isso se deve à natureza crítica dos secadores no processo, porque eles protegem os reatores da umidade e de impurezas, bem como as exigências operacionais para as válvulas que dirigem os fluxos entre as bases do secador.

Válvulas de controle de alimentação e reposição

A nafta leve e o hidrogênio de reposição vão ambos para vasos secadores separados. A quantidade de hidrogênio é mantida levemente acima da quantidade necessária para saturar o benzeno no fluxo de hidrocarboneto. A razão hidrogênio-hidrocarboneto é mantida em um nível mínimo exigido para evitar o excesso de coque catalisado nos reatores.

Figura 2. Válvula globo Neles com o controlador NDX de nova geração

Os secadores devem ser frequente e adequadamente recuperados para remover a água adsorvida e outras impurezas das bases da peneira molecular. É necessário um controle confiável e preciso para manter a razão hidrogênio-hidrocarboneto em um nível ideal. A vedação da sede necessária para essas válvulas de controle é tipicamente classe IV ou V.

As válvulas de haste ascendente são usadas tipicamente para aplicações de controle de fluxo de isomerização. Quando combinado com um controlador inteligente de terceira geração, pode-se atingir a precisão e a confiabilidade desejados de controle. A melhor precisão possível no controle é importante para manter a taxa de fluxo no nível correto. Uma válvula de sede em metal com uma estrutura monobloco garante estanquidade de longa duração e elimina possíveis caminhos de vazamento.

Válvulas de comutação do secador

Secadores adsorventes geralmente incluem três bases: duas no estágio de secagem e uma terceira na regeneração com gás quente ou na reativação com gás refrigerado. A comutação de uma base para outra ocorre a cada duas ou seis horas com um mínimo de quatro a seis válvulas de comutação necessárias para cada base. As válvulas de comutação desempenham um papel importante em direcionar os fluxos de gás de entrada e de saída nas bases das colunas de adsorção, comutando as colunas da fase de adsorção para a fase de regeneração ou fases de resfriamento em uma sequência estabelecida previamente. Essas válvulas também são chamadas válvulas de sequenciamento do secador.

As válvulas devem resistir ao gás de regeneração quente (200–350 °C/400–660 °F) e alterações de temperatura (25–350 °C/45–630 °F). Elas devem manter a operabilidade a despeito de quaisquerparticulados, como poeira molecular, com uma pressão operacional de até 50–60 bar (730–870 psi). É necessário bloqueio hermético tipicamente da classe V para válvulas do secador do fluxo e classes V ou VI para válvulas do secador de hidrogênio.

Válvulas esféricas rotativas bi-apoiadas (trunnion) e com apoio na sede são soluções comprovadas em campo e aprovadas pelo licenciador para a isomerização e muitas outras aplicações de comutação do secador do processo. O uso de uma haste rotativa com engaxatamento sob pressão e à prova de emissão garante que os níveis de emissão exigidos e certificados são satisfeitos sem a necessidade de lubrificação da gaxeta.

Com válvulas Trunnion, os mancais acima e abaixo da esfera e da haste rotativa concêntrica tornam a função de rolamento simples e facilmente evita o desgaste excessivo. Válvulas de esfera rotativa resistem ao acúmulo de partículas, já que a sede e a esfera estão em contato contínuo, efetivamente limpando a superfície da base com cada ciclo. A estanqueidade bidirecional durável é padrão, e com revestimentos duros, é garantida uma estanquidade de longa duração nas aplicações exigentes com temperatura variável e outras condições do processo.

Robustos atuadores com cilindro pneumático permitem uma forma compacta e fácil de instalar a válvula rotativa em qualquer posição de montagem sem necessidade de qualquer suporte adicional, proporcionando economia em custos com tubulações e instalação. As válvulas podem ser equipadas com controladores inteligentes, como o Neles SwitchGuard, para dar a possibilidade de estabelecer os perfis e tempos de curso de fechamento e de abertura de acordo com as necessidades do processo com alta capacidade pneumática. Não são necessários acessórios adicionais, e o monitoramento online das condições pode ser utilizado com as informações de diagnóstico salvas no próprio dispositivo.

Controle de resfriadores de hidrogênio

Resfriadores de hidrogênio são utilizados para controlar a temperatura do reator e proteger as bases de catalisação do acúmulo de coque. Enquanto as reações de isomerização são apenas levemente exotérmicas, a saturação de benzeno libera um calor significativo, que deve ser controlado para garantir um equilíbrio favorável. Temperaturas elevadas também promovem desativação do catalisador. Como a composição do fluxo pode variar, a rangeabilidade da válvula é necessária para ajuste a fim de alterar a quantidade de calor liberado. Catalisadores ativos são sensíveis a alterações na temperatura, tornando a resposta rápida uma necessidade para as válvulas.

Válvulas globo de haste ascendente equipadas com um controlador de válvula inteligente garantem resfriamento do reator eficiente e confiável. Manter a variabilidade sob controle reduz o consumo de hidrogênio e assegura que a quantidade exigida de hidrogênio esteja disponível, especialmente com catalisadores modernos e eficientes que exigem rápida resposta de controle para estabilizar as condições do processo.  

Bloqueio de entrada do reator

Uma válvula de fechamento de emergência (ESD) é necessária para isolar e proteger os reatores e catalisadores em caso de perturbação do processo. Essas válvulas de segurança normalmente ficam abertas e são fechadas apenas em caso de uma perturbação. Espera-se que essas válvulas estejam disponíveis e funcionem de forma confiável ao longo da operação do processo, quando necessário, mesmo após períodos mais longos sem operação.

Válvulas esfera rotativas com uma solenóide de segurança inteligente, como o Neles ValvGuard™, garantem que a válvula estará operacional quando for preciso. Um projeto robusto é tipicamente exigido para uma longa vida útil durante o ciclo de operação do processo. Um eixo anti-expulsão da válvula é particularmente importante para a segurança dos funcionários e dos equipamentos em caso de uma pressão inesperada na tubulação, quando a válvula é retirada da linha para manutenção.

Um atuador de pistão com alto torque projetado para superar fricção estática é um elemento significativo para válvulas de segurança que não sejam operadas com frequência. Testes de curso parcial online proporcionam uma forma de garantir que a válvula estará disponível quando for necessário. Conformidade até o SIL 3 por certificações de terceiros e compatibilidade de comunicação Foundation Fieldbus ou HART é altamente recomendada. A capacidade de diagnóstico avançada da solenóide de segurança inteligente ainda ajuda a planta a estar em conformidade com as metas de segurança exigentes.

Controle do produto e coluna de calor

O efluente do reator é resfriado antes de entrar na coluna de fracionamento do produto. Os vapores suspensos da coluna são limpos de cáusticos para remover o cloreto de hidrogênio (HCl) que tenha sido formado no reator. A mistura de hidrocarboneto é separada nos componentes de acordo com os pontos de ebulição por meio de fracionamento na coluna.

Os refervedores controlam a entrada de calor na coluna e, assim, também a eficiência da remoção de gás do isomerato. O controle de refluxo é um equilíbrio entre a separação de gasolina e o consumo de energia do refervedor. Quanto menor for a taxa de refluxo, mais gasolina é perdida com os gases, mas menos calor é necessário no refervedor. Um desempenho de controle confiável e preciso é exigido das válvulas para garantir uma separação gás-líquido eficiente e a pureza do produto isomerato.

Resumo e conclusões

A isomerização é um processo que proporciona uma solução para a indústria do petróleo satisfazer novas especificações regulatórias para produzir combustíveis eficientes e ambientalmente limpos. É importante que o processo seja estável, flexível e esteja constantemente sob controle. Válvulas eficientes e confiáveis ajudam a garantir que a produtividade do processo permaneça em um nível desejado e que o processo em si satisfaça rígidos requisitos de segurança e ambientais.

Todos os secadores e válvulas comutadoras envolvidas desempenham um papel particularmente importante na disponibilidade do processo de isomerização, bem como na produção bem-sucedida. Controladores de válvulas inteligentes com capacidade de diagnosticar online fornecem os meios para a instrumentação simples e confiável com a transparência. 

 

MAIS INFORMAÇÕES:
sari.aronen@metso.com

TEXTO: Sari Aronen

Publicado na revista Valve World (Mundo das Válvulas) de março de 2017.

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