Detecção de falhas em válvulas borboleta em unidades de PSA

Abstract

Em unidades de PSA, o processo de purificação de hidrogênio é orquestrado por sincronismos rápidos e chaveamentos complexos de válvulas entre leitos de adsorção pressurizados, onde a operação correta dessas válvulas é crucial para garantir uma alta eficiência e pureza do produto final. Por ser uma unidade intermediária do processo, o correto funcionamento das válvulas em unidades de PSA afeta também as cadeias produtivas adjacentes da refinaria, que fornecem alimentação a essa unidade ou dependem de suas correntes de hidrogênio purificado, como as unidades de hidrotratamento (HDT). Desta forma, a detecção proativa de falhas em válvulas de PSA pode ser uma estratégia interessante a fim de se manter a operação contínua de uma refinaria e evitar perdas potenciais de produção. Considerando a importância de um bom desempenho das válvulas envolvidas no processo, este trabalho visa desenvolver uma metodologia para detectar falhas de válvulas borboleta em unidades de PSA, com o objetivo de se evitar perdas de produção e paradas não programadas ocasionadas pela falha crítica dessas válvulas, auxiliando na otimização de seu tempo de manutenção através de uma melhor sincronia entre a equipe de operação, engenharia e manutenção O presente trabalho também tem como objetivo abrir caminho para estudos mais avançados que visem auxiliar o monitoramento, tomada de decisões e projetos de engenharia no ambiente industrial, em unidades de PSA. Através de modelagem de uma válvula borboleta e do balanço de massa de uma etapa de equalização, foram realizadas simulações com válvulas em funcionamento normal e com mal funcionamento, ditas em falha e com coeficiente de vazão menor que o de projeto. Tal abordagem demonstrou diferenças no comportamento de abertura das válvulas rotativas dessas válvulas para um mesmo perfil de pressão em uma mesma etapa do processo, indicando a diminuição do coeficiente de vazão da válvula com o passar do tempo. Através do acompanhamento das curvas de tendência encontradas para a variação de abertura das válvulas, é possível determinar a proximidade da válvula com o comportamento de falha crítica. Para estudos mais avançados onde o interesse repouse no comportamento temporal do avanço da falha, essa metodologia também pode ser aplicada. Desta forma, o estudo contribui para a detecção preventiva de falhas de válvulas borboleta em unidades de PSA, analisando uma etapa de equalização de pressão, através de uma estratégia com abordagem prática para o ambiente industrial, utilizando dados de pressão dos leitos de adsorção e abertura rotativas de válvulas durante operação. Os resultados obtidos demonstraram uma diferença perceptível no padrão de abertura das válvulas para uma mesma etapa do processo, onde válvulas em falha demonstraram variações de abertura maiores e posição de abertura mais próximas do máximo de 90°, indicando um desvio de eficiência no comportamento de abertura das válvulas simuladas com falha

In PSA units, the hydrogen purification process is orchestrated by rapid synchronization and complex valve switching between pressurized (adsorption) packed beds, where proper valve operation is crucial to ensure high efficiency and product purity. Being an intermediary process unit, the proper functioning of these valves on PSA units also impacts the adjacent production chains of the refinery, which provide feedstock or rely on their purified hydrogen streams, like hydroprocessing units (HDTs). Therefore, proactively detecting faults in PSA valves can be an interesting strategy to maintain continuous refinery operations and avert potential production losses. Acknowledging the importance of optimal valve performance in the process, this work aims to develop a methodology for detecting failures in butterfly valves within PSA units. The goal is to prevent production losses and unscheduled shutdowns caused by critical valve failures, aiding in maintenance optimization through better coordination among operational, engineering, and maintenance teams This work also aims to pave the way for advanced studies aimed at supporting monitoring, decision-making, and engineering projects in the industrial environment, particularly in PSA units. By modeling a butterfly valve and conducting mass balance analysis of a pressure equalization step, simulations were performed with normally functioning valves and valves with malfunctions, indicative of failure and reduced flow coefficient. This approach demonstrated differences in the rotary valve opening behavior for the same pressure profile in the equalization step, indicating a decrease in the valve's flow coefficient over time. By monitoring the trend curves for valve opening variation, it is possible to determine the proximity of the valve to critical failure behavior. For more advanced studies focusing on the temporal behavior of failure progression, this methodology can also be applied. Thus, the study contributes to the proactive detection of butterfly valve failures in PSA units, analyzing a pressure equalization step through a practical approach for the industrial setting, utilizing pressure data from the packed beds and rotary valve openings during operation