set 17, 2018

Fazendo a diferença na engenharia de projetos de etileno

O mercado mundial de etileno está em franco crescimento, com diversos craqueadores em fase de planejamento, engenharia ou construção, especialmente na Ásia, no Oriente Médio e nos EUA. Este aumento se deve à crescente demanda de etileno e outras olefinas para diversas aplicações plásticas e químicas, bem como a abundante disponibilidade de gás como matéria prima, especialmente nos mercados dos EUA e do Oriente Médio.

O etileno é um bloco de construção básico da indústria química, e uma das principais conexões entre as empresas químicas e refinarias petrolíferas. Uma planta de etileno ou olefinas produz principalmente etileno, mas também quebra a matéria-prima, transformando-a em outros subprodutos utilizáveis, como o propileno, o butadieno e a gasolina.

E conforme a demanda por etileno aumenta, a necessidade de soluções em válvulas personalizadas que ofereçam máximo desempenho, confiabilidade e segurança também cresce. Depois da segurança, o tempo em operação é o principal fator para determinar se uma planta de etileno será sustentavelmente lucrativa em um mercado global cada vez mais competitivo. O investimento típico para uma planta de etileno pode variar entre 1 e 3 bilhões de dólares americanos, o que inclui um gasto considerável com válvulas automáticas de controle e on-off ao longo de todo o processo. Os detalhes do tipo de válvula a selecionar são realmente essenciais para qualquer projeto.

Este artigo discutirá a engenharia de projetos para plantas de etileno do ponto de vista da seleção de válvulas automatizadas. Também apresentamos as opções de válvulas a serem consideradas para alcançar as metas de confiabilidade estabelecidas e manter os custos do projeto sob controle.

O papel do controle de vapor e alimentação

Uma unidade de craqueamento de vapor de etileno é capaz de aceitar uma variedade de matérias-primas, incluindo nafta, etano, propano e gasóleo. A escolha da matéria-prima depende da construção do forno de craqueamento, da disponibilidade da matéria-prima, seu preço de mercado no momento e os produtos finais desejados.

O vapor de diluição é injetado na tubulação do forno para proteger os canos da incrustação ou da formação de coque. Por isso, a razão hidrocarboneto-vapor deve ser otimizada para atingir as condições ideais de vazão. A taxa de vazão do vapor depende da intensidade da alimentação. O vapor também pode ser utilizado para o descoqueamento do forno. Assim, também pode ser necessário que a válvula responsável pelo controle do vapor tenha uma ampla rangeabilidade.

O sistema do processo em um craqueador de etileno deve fornecer a quantidade correta de matéria-prima para produzir os produtos finais desejados. A válvula de fornecimento de insumos deve ser capaz de realizar este controle de forma precisa, considerando que, em alguns casos, a matéria-prima pode ser líquida e, em outros, gasosa. Isto a torna uma das mais importantes válvulas de controle. Como a diferença da taxa de vazão entre  nível baixo e capacidade máxima pode ser expressiva, alguns produtores de etileno utilizam válvulas exclusivas para cada caso.

As válvulas de globo ocupam uma posição de destaque quando o assunto envolve controlar o vapor de diluição em fornos de craqueamento. O uso desta tecnologia foi um teste que deu certo e, do ponto de vista da engenharia de projetos, esta opção também é econômica.

Adicionar válvulas rotativas à oferta, como as válvulas segmentadas em V ou válvulas de plug excêntrico, gera mais oportunidades para otimizar confiabilidade e custos. Estas são escolhas efetivas, principalmente para dimensões iguais ou superiores a 3 polegadas, e para aplicações com meios de fluxo viscosos e com a presença de partículas, como coque e insumos com hidrocarbonetos mais pesados nos craqueadores.

Outro benefício das válvulas rotativas é a redução nos custos com tubulação, cabeamento e outras conexões permitidas por sua ampla adaptabilidade, especialmente para válvulas segmentadas em V. Isso elimina a necessidade de utilizar um controle de faixa dividida ou uma válvula auxiliar na tubulação.

Figura 1. Válvula de globo no controle de inserção de etano.

Figura 2. Válvula globo no controle de inserção de etano - um desafio para a capacidade máxima de vazão da válvula. Na verdade, a melhor escolha seria uma válvula de 6 pol.

Descoqueamento de fornos

As altas temperaturas (750 - 850°C, ou 1380 - 1560°F) necessárias para que ocorra o craqueamento do vapor causam a deposição de coque na tubulação do forno. Como isso reduz a eficiência do forno, o descoqueamento deve ser realizado regularmente, geralmente a cada 2 a 6 meses por forno, dependendo do tipo de insumo e da intensidade do equipamento.

Uma planta de craqueamento de vapor tem diversos fornos. Enquanto um está passando pelo processo de descoqueamento, o outro permanece em produção. O descoqueamento geralmente é realizado por vapor ou ar. Quando o forno não tem mais condições de operar, a inserção de hidrocarbonetos é interrompida, o equipamento é isolado, a taxa de disparo dos queimadores é ajustada, e quantidades controladas de vapor e ar de diluição são admitidos para remover os depósitos de coque. O efluente do descoqueamento é encaminhado para tambores específicos, onde as partículas finas de coque são separadas dos gases produzidos pelo processo.

O descoqueamento por vapor ou ar em linha permitirá que o forno e o sistema do trocador da têmpera operem por diversos ciclos sucessivos. A válvula da linha de transferência (TLV) e a válvula de descoqueamento devem ser capazes de suportar grandes forças da tubulação causadas pelas grandes flutuações de temperatura. Os processos da jusante devem ser protegidos do efluente de descoqueamento, vapor de alta temperatura e coque para garantir a operabilidade e a segurança da planta. Por isso, é essencial que a válvula seja 100% estanque.

Geralmente são utilizadas válvulas gaveta para a linha de transferência e o descoqueamento. Os problemas com as válvulas gaveta estão relacionados à sua capacidade de suportar a sujeira do efluente de descoqueamento com o acúmulo de coque, o que pode causar a obstrução da válvula. 
Como a maioria das válvulas de descoqueamento têm dimensões iguais ou superiores a 20 pol., as válvulas gaveta são itens pesados para instalar. Além disso, elas exigem estruturas de suporte para evitar o excesso de estresse sobre a tubulação.

Uma alternativa para as válvulas gaveta são as válvulas borboleta com bloqueio duplo e purga, capazes de resistir ao acúmulo de coque e subsequente obstrução, sobrepressão durante o fechamento da válvula e a vazão contínua de vapor que mantém a área da sede quente. A sede do corpo em Stellite e as vedações da sede no disco garantem que as partículas duras de coque não causem a erosão de elementos importantes da válvula, mantendo-a 100% estanque. O design rotativo também elimina o desgaste do conjunto do eixo.

Como essas válvulas apresentam um design compacto se comparadas às válvulas gaveta, elas são econômicas e reduzem os custos associados ao içamento, instalação e estruturas de suporte. Elas também oferecem uma melhor resistência contra a vibração da tubulação. As funções de bloqueio duplo e purga da válvula borboleta também reduzem os custos permitindo que uma única válvula seja instalada em vez de duas válvulas gaveta.

Gás combustível

A combustão em fornos de craqueamento adequada maximiza a transferência de calor e minimiza o consumo de gás combustível e os custos relacionados. As variações na composição do gás combustível e as diferentes condições operacionais na partida, durante a operação normal, descoqueamento e em paradas, significa que as válvulas devem controlar diversas cargas, exigindo uma ampla rangeabilidade. Isso geralmente é resolvido usando uma configuração de faixas separadas com válvulas globo. Outra solução é utilizar válvulas segmentadas em V com ampla rangeabilidade. Isso permite um controle preciso de pequenas e grandes vazões com uma solução que envolve uma única válvula em vez de duas válvulas globo.

Conseguir um único fornecedor que assuma a responsabilidade pela fabricação de todos os componentes da válvula - incluindo o corpo, o atuador e as conexões superiores para a válvula ESD do sistema de queimadores de gás combustível e válvulas on-off - é o principal problema ao avaliar a disponibilidade operacional de qualquer solução em válvulas. Um conjunto testado permite uma partida fácil e paradas confiáveis quando a capacidade do forno precisar ser ajustada, ou quando for necessária a realização de uma ação de segurança em condições de processo desafiadoras.

Espera-se que as válvulas do sistema de queimadores permaneçam inteiramente operacionais e satisfaçam às aprovações após longos períodos de tempo. As aprovações realizadas por terceiros, como a EN161/ISO 23553-1 significam que toda a válvula, o atuador e outros componentes foram submetidos a rigorosos testes, que envolvem dezenas de milhares de ciclos de abertura-fechamento e controles frequentes de vazamento na sede e emissões fugitivas. Por exemplo, uma válvula de 1 pol. precisa se manter estanque para bolhas, mesmo após 250.000 ciclos.

As válvulas de desligamento e fechamento de emergência aprovadas para queimadores garantem que não haja divergências com as autoridades durante a inspeção de comissionamento. Assim, as aprovações concluídas pelo fornecedor podem ajudar a economizar tempo na partida da planta e reduzir os custos de inspeção em área.

Figura 3. Válvula segmentada em V com Q-Trim na mesma aplicação.

Figura 4. Válvula segmentada em V com Q-Trim na mesma aplicação. A maior rangeabilidade da válvula segmentada permite um controle confortável com uma válvula de 4 pol.

Compressão e secagem

Na zona de compressão, o insumo é comprimido em diversos estágios, principalmente porque a temperatura de descarga do compressor deve ser limitada a 100°C (210°F) para evitar a ocorrência de polimerização. Os condensados são recuperados no intervalo de cada estágio, já que são formados devido ao aumento de pressão e ao resfriamento que segue cada compressão.

Existe uma capacidade mínima para cada compressor a cada velocidade, abaixo da qual a operação se torna instável. Esta instabilidade é seguida por um ruído característico conhecido como “bombeamento” ou “surge”, e ocorre quando a pressão na saída do compressor é mais alta que a produzida por ele, o que faz com que a vazão seja momentaneamente revertida. A violenta oscilação resultante da pressão do gás pode causar danos severos e caros ao compressor em poucos segundos.

Para evitar isso, é possível instalar uma válvula de desvio entre a saída e a entrada do compressor. Quando é detectada uma pressão mais alta na saída, a válvula se abre completamente em menos de um segundo para aliviar a pressão no lado da entrada. A válvula de reciclagem/anti-surge do compressor serve para recircular a vazão durante a partida, ou quando há menos necessidade de gás.

Fornecedores com uma ampla oferta de válvulas permitem lidar com todos os desafios e obter o melhor desempenho. Para altas pressões diferenciais, as válvulas globo são a escolha mais comum. As válvulas rotativas podem ser utilizadas para uma ampla rangeabilidade por causa de sua alta capacidade. Se o anti-surge for controlado por uma faixa dividida com duas válvulas, aquela com a pressão diferencial mais baixa também pode ser uma válvula borboleta com tripla compensação.

Após a compressão, a água deve ser eliminada do gás craqueado antes que ele entre na zona fria, pois a água retida permite a formação de gelo e hidratos de gás quando a temperatura cair abaixo de 15°C (60°F), o que pode causar obstrução. A secagem é realizada com a utilização de leitos de peneira molecular. Estes leitos devem ser periodicamente regenerados com gás quente. Geralmente, dois a três leitos são utilizados, e válvulas de comutação são empregadas para variar esses leitos entre operação e regeneração.

Válvulas esfera flutuante ou bi-apoiadas são a escolha típica para secadoras de craqueamento, onde a superfície da válvula se movimenta a cada 2 - 6 hrs, a temperatura varia entre ambiente e 350°C (630°F), e as pressões operacionais entre 20-50 bar (29-725 psi). Essas válvulas oferecem estanqueidade duradoura da sede e evitam o acúmulo de partículas, com sedes à prova de sólidos que também removem as partículas da superfície da esfera sempre que a válvula é operada. Comparadas às válvulas esfera de haste ascendente, as válvulas rotativas oferecem uma opção compacta, leve e com orientação para múltiplos tubos, tornando a engenharia e o comissionamento mais fáceis e econômicos.

Zona fria e fracionamento

O gás seco entra na câmara fria, onde a temperatura do insumo é reduzida por passos para separar seus diferentes componentes. Geralmente, o processo consiste em cinco estágios, e o gás saindo pela parte superior tem uma temperatura mínima de aproximadamente -165°C.

O último deles produz uma corrente de gás composta por aproximadamente 95% de hidrogênio, que pode ser ainda mais purificada em uma unidade de adsorção de variação de pressão (PSA). Outras frações recuperadas são enviadas para o trem de separação a frio, que consiste em um conjunto de colunas de destilação. A configuração exata das colunas varia entre craqueadores de vapor, mas geralmente consiste em um desmetanizador, um desetanizador, um separador de etileno-etano, um despropanizador, um separador de propano-propileno e um desbutanizador.

A maioria das válvulas no fracionamento da zona fria podem ser consideradas itens ‘específicos’, para os quais a seleção deve ser feita de acordo com a dimensão, a classe de pressão e a temperatura, como sempre. As válvulas de controle em um sistema de refrigeração exigem atenção especial. O fluido refrigerante binário aprimorado - uma mistura de metano e propileno ou propano em estado líquido ou gasoso - traz consigo os desafios da grande queda de pressão, onde o ruído e a cavitação podem gerar problemas, combinado à baixa temperatura de -60 a -150°C (-70 a -240°F).

A solução para a exigente refrigeração e a grande queda de pressão das válvulas é selecionar uma válvula globo balanceada e atenuadores multifásicos para reduzir a pressão e eliminar efetivamente o ruído e a cavitação. A válvula deve ser adequada para baixas temperaturas.

Conclusão

Em longo prazo, vale a pena se juntar a fornecedores únicos que assumam a responsabilidade pelo conjunto completo da válvula. Um investimento em soluções em válvulas que já foram testadas e deram certo quando utilizadas em tecnologias licenciadas para etileno e aprovadas e certificadas por terceiros pode fazer uma grande diferença na hora de assegurar a rápida execução do projeto de etileno em todas as fases, bem como uma operação comercial segura e lucrativa.

Logo, é importante escolher um fornecedor com uma ampla oferta de válvulas e extenso conhecimento na seleção de válvulas para projetos com etileno. O fornecedor também deve ser capaz de oferecer uma variedade de soluções que utilizem todos os benefícios da combinação de válvulas de haste deslizante e controle rotativo. Isso mantém os custos de engenharia do projeto sob controle e garante que a planta possa ser comissionada, partida e operada confiavelmente.

Texto escrito por Heikki Voutilainen.
Artigo "Making a difference" originalmente publicado na revista Hydrocarbon Engineering, edição de setembro/outubro de 2018.

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