2 o Congresso Brasileiro de P&D em Petróleo & Gás

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1 o CONGRESSO BRASILEIRO DE P&D EM PETRÓLEO & GÁS MONITORAMENTO DA PERFORMANCE TÉRMICA DE TROCADORES E REDES DE TROCADORES DE CALOR Paulo César Toi, Cezar Oaviao Ribeiro Negrão Laboraório e Ciêcias Térmicas - LACIT, Deo Acaêmico e Mecâica DAMEC, Cero Feeral e Eucação Tecológica o Paraá CEFET-PR, Av. See e Seembro, 365, CEP Curiiba-PR, egrao@ceer.br Resumo No reio e eróleo, rees e rocaores e calor são emregaas com o roósio e recuerar calor e orao reuzir o cosumo e eergia a laa. Muios eses rocaores e calor a ree e ré-auecimeo o cru esão sueios a um alo risco e icrusação. Com o crescimeo a icrusação, os rocaores e calor vão ereo seu esemeho érmico e o moiorameo a sua erormace assa a ser uma area e grae imorâcia. O grae úmero e rocaores e calor resees em rees e ré-auecimeo o cru, a variação as coições oeracioais e a carga e eróleo rocessaa iiculam o moiorameo érmico iário esas rees. Nese arigo, uma meoologia roosa a lieraura (Jeróimo e al.,997 é alicaa o moiorameo érmico e rocaores e calor e é eseia ara o moiorameo e rees e rocaores e calor. O cuso o combusível aicioal cosumio os oros, evio ao roblema a icrusação, é mosrao. Os resulaos obios emosram a aciliae a alicação a meoologia e sua eicácia o moiorameo érmico esas rees. Palavras-Chave: moiorameo e esemeho érmico, rocaores e calor, icrusação. Absrac I oil reiig, hea exchagers eworks are emloye o recover hea a hereore save eergy o he la. However, may hea exchagers i he crue oil re-hea rais are uer high risk o oulig. Uer oulig coiios, he hermal erormace o hea exchagers is coiuously reuce a he moiorig becomes a imora ask. The large umber o hea exchagers i he re-hea rai, he chage i he oeraioal coiios a i he crue comosiio make he aily moiorig a iicul ask. This work alies a aroach or moiorig he erormace o hea exchagers (Jeróimo, e al. 997 a exes i o he moiorig o he whole rai. The exeses wih aiioal uel cosume by he uraces, ue o he hea exchager erormace reucio, are esimae. The obaie resuls show he aroach easibiliy a eiciecy o he moiorig o hea exchager eworks. Keywors: moiorig o hermal erormace, hea exchagers, oulig.

2 o Cogresso Brasileiro e P&D em Peróleo & Gás. Iroução No rocesso e reio o eróleo, a uaiae e eergia evolvia é muio grae. Trocaores e calor são usaos com o roósio e recuerar eergia o rocesso e orao, reuzir o cosumo a laa. A reseça a icrusação em rocaores e calor, uilizaos o ré-auecimeo o cru, reresea uma resisêcia à raserêcia e calor e, com o assar o emo, reuz a erormace érmica eses euiameos. A caaciae e moiorar o esemeho érmico os rocaores e calor e e suas rees é e uameal imorâcia ara o sucesso ecoômico e uma reiaria. Méoos e moiorameo simles e seguros ermiem ue a erormace aual os euiameos seam cohecias e o momeo ieal ara limeza o rocaores e calor sea esabelecio. Na lieraura, oucos rabalhos esa área são ecoraos. Leach & Facor (98 avaliam a eicácia e aiivos uímicos o corole a icrusação em rês rocaores e calor localizaos o ial a ree e réauecimeo e eróleo. Os resulaos mosram um eríoo e oeração maior o rocaor ue usou aiivos uímicos, iicao ue o roceimeo é eicaz. Jeróimo e al. (997 rouseram uma meoologia ara o moiorameo érmico iário a erormace e rocaores e calor, baseaa a avaliação o úmero e uiaes e raserêcia ( e a eeiviae (, oe as variações as coições oeracioais, ricialmee as vazões os luios, são levaas em cosieração. Esa meoologia esevolvia ara avaliar o esemeho e um úico rocaor e calor oi eseia ara uaiicar a erormace e uma ree e rocaores e calor. Um esuo e casos é areseao ara emosrar o oecial o méoo.. Euações Fuameais A eeiviae e um rocaor e calor é eiia como a razão ere a axa real e raserêcia e calor e a máxima axa e raserêcia e calor ossível em um rocaor e calor cora-corree. A máxima axa e raserêcia e calor é aa or: max ( mc Tmax Q & ( oe ( m& c é o meor valor o rouo vazão or calor esecíico ere as uas correes e luios. Tmax é a máxima iereça e emeraura o rocaor e calor ( T T. T é emeraura e eraa o luio uee e T, a emeraura e eraa o luio rio. A axa real e raserêcia e calor é o rouo a vazão, calor esecíico e variação e emeraura e ualuer uma as correes: real ( T T ( mc ( T T & oe T e T são as emerauras as correes ria e uee, resecivamee. Os subscrios e iicam, resecivamee, a eraa e a saía o luio o rocaor e calor. ( m & c e ( m & c são os rouos a vazão elo calor esecíico as correes uee e ria, resecivamee. A eeiviae oe eão ser escria como: ( T T T T ( T T T T real (3 máx Foi amiio ue a caaciae érmica o luio rio é maior o ue a caaciae érmica o luio uee. Aravés a euação (, oe-se cocluir ue a razão ere as caaciaes érmicas as correes será: & R & ( mc T T ( mc T T ( (4 será: Seo a corree ria a e meor rouo vazão or calor esecíico, o úmero e uiaes e raserêcia UA (5

3 o Cogresso Brasileiro e P&D em Peróleo & Gás A eeiviae e rocaores e calor oe ser obia e correlações a lieraura em ução e R e (Liu e Kakaç, 998. Para um rocaor e calor com um asse o casco e asses os ubos, em-se: x00 (6 + R + ( + R + e e ( + R ( + R As variações as coições oeracioais aleram as vazões as correes e ambém a comosição os rouos e, orao, moiicam a razão ere as caaciaes érmicas os luios, R, e os coeiciees e roca e calor, U. Esas variações everão causar muaças a eeiviae o rocaor. Jeróimo e al. (997 rouseram algumas correlações ara esimar as muaças em rovocaas elas variações as vazões mássicas. Esas correlações e correção e são baseaas o úmero e Nussel ara o lao o casco e o ubo. Noe ue as variações as rorieaes o cru e os rouos ão são coemlaas esas correlações. Para rocaores cora-corree, as seguies correlações são eiias: a luio e meor m& c escoao o lao o casco com < R ( 0,3 [( mc &, 0, 0,8 { + ( UA ha ( R R } [, (7 b luio e meor m& c escoao o lao os ubos com < R ( 0, [( mc &, 0,3 0,7 { + ( UA ha ( R R } [, (8 O íice "" reere-se à coição e roeo, h é o coeiciee e elícula o lao e maior m& c. O obeivo esas correlações é corrigir os valores e, as coições e roeo (rocaor limo e suo ara as coições oeracioais. Com o valor e corrigio e e R, calcula-se o valor a eeiviae aravés a Euação (6. Esa eeiviae oe ser comaraa com a eeiviae meia em camo (euação (3 ara esimar o eságio aual a icrusação. 3. Moiorameo e Rees e Trocaores e Calor Cosierao ue ão há vaorização o cru o rocesso, a uaiae oal e calor rocaa o réauecimeo será: Q m& c ( T T, r o i (9 oe T o e T i são as emerauras e saía e e eraa o cru a baeria, resecivamee. m& e c, r é a vazão mássica oal e o calor esecíico méio o cru o ré-auecimeo, resecivamee. A uaiae máxima ossível e calor raseria o ré-auecimeo oe ser calculaa como a soma as uaiaes máximas e caa rocaor e calor: [ ( T T máx, (0 oe reresea um eerao rocaor a baeria aé o limie máximo e. Para uma ree e rocaores e calor, a eeiviae meia oe eão ser eeraa como seo a uaiae real e calor rocaa em oos os rocaores iviia elo somaório a uaiae máxima ossível e ser rocaa: [ m& c, cru ( Ti To [ ( T T m, x máx, 00 (

4 o Cogresso Brasileiro e P&D em Peróleo & Gás Cosierao ue a uaiae oal e calor oe ser calculaa ela mulilicação a uaiae máxima e calor em um eerao rocaor ela sua reseciva eeiviae, a eeiviae global a ree lima ou sua será: ( { [ ( T T ( c } máx c c, x máx, [ ( T T 00 ( oe c, é a eeiviae e caa rocaor a coição lima (ou sua. c, é a eeiviae global a ree a coição lima ou sua. O íice c reresea ao a coição lima (l como sua (s. Jerôimo e al. (997 eiem aia um íice e icrusação como seo: IF ( m, ( s, oe m, é a eeiviae meia e um cero rocaor baseaa as coições e oeração o momeo. O íice e icrusação igual a 0 reresea o rocaor a coição lima e o íice e icrusação igual a reresea o rocaor a coição sua, ou sea, com o ível e icrusação máximo esimao em roeo. Ese íice e icrusação oe aia ser eseio ara a ree: oe IF e s, ( m, ( s, são resecivamee as eeiviaes a ree lima e sua. A iuição a eeiviae a ree, associaa ao roblema a icrusação, reuz a emeraura e saía o cru a baeria e ré-auecimeo. Ese eeio é comesao elo aumeo o cosumo e combusível os oros. Iso, orém, reresea um cuso aicioal ara a reiaria e oe ser uaiicao or: (3 (4 ( CAC CGC. Q máx, m, (5 oe CGC é o cuso o combusível ueimao os oros or uiae e calor rouzio. 4. Resulaos A Figura mosra a evolução as eeiviaes meia, lima e sua e roeo e um rocaor e calor or um eríoo e aos e 6 meses. Poe-se observar ue oas as rês eeiviaes areseam reüêcias e oscilação muio similares, iicao ue as correlações rereseam bem o comorameo a eeiviae e ue as variações as rorieaes ermoísicas o cru e os rouos ão ilueciam sigiicaivamee o valor as eeiviaes calculaas. Noe ue logo aós o iício a oeração o rocaor, a eeiviae meia aresea valores sueriores aos resecivos valores limos e suos e roeo. Iso iica ue os valores e roeo os coeiciees e roca e calor ão rereseam aeuaamee a sua coição lima e ucioameo. Em ezembro e 999, or ouro lao, os valores a eeiviae meia se reuzem e alcaça a eeiviae o rocaor limo. Em ouubro e 000, a eeiviae meia á esá róxima a eeiviae sua e roeo. Esa era e esemeho o rocaor iica ue um rocesso e icrusação se isaurou o rocaor. A Figura coirma as observações a Figura, mosrao ue valores e IF meor o ue iicam ue o rocaor esá limo uma coição mais avorável o ue a coição e roeo. IF igual a zero iica ue o rocaor esá a coição lima e IF igual a mosra ue o rocaor aigiu seu limie e icrusação esabelecio em roeo. A Figura 3, or sua vez, mosra a variação emoral a eeiviae global meia e calculaa a ree a coição lima e sua. Poe-se oar uaro eríoos muio bem eiios. No rimeiro, a eeiviae meia esá muio róxima o seu valor calculao a coição lima. No seguo eríoo, a eeiviae meia a ree aasa-se a coição lima iicao um aumeo o ível e icrusação. No erceiro eríoo, aós a araa ara limeza e ois rocaores, a erormace a ree reora róxima a coição e melhor esemeho. Observa-se ue o iício o uaro eríoo, ois meses aós a limeza os rocaores ciaos aeriormee, a eeiviae a ree começa a iuir ovamee. A Figura 4 mosra o resulao a esesa aicioal e combusível os oros, CAC, cosierao a era a eeiviae a ree ocorria aeas o uaro eríoo a Figura 3. Seguo Polley e al. (00, o cuso méio e geração e calor em uma reiaria e eróleo é e US$ 3,8/(MBTU. Poe-se aia oar ue a esesa com

5 o Cogresso Brasileiro e P&D em Peróleo & Gás combusível aicioal cosumio os oros cresce o eríoo aalisao. Iso se eve ao aumeo o ível e icrusação os rocaores e calor a ree. No rimeiro eríoo (5/06/0 a 5/07/0, a esesa méia esá em oro e US$ 830/ia. No seguo eríoo (5/07/0 a 5/08/0, a esesa méia esá em US$ 984/ia e o erceiro eríoo (5/08/0 a 5/09/0, a esesa méia esá or vola e US$ 644/ia. Os resulaos mosram ue os cusos associaos com o roblema a icrusação a ree e ré-auecimeo e eróleo são sigiicaivos. Ese cuso reresea somee um e muios ouros cusos relacioaos com ese roblema. Para ue a erormace érmica a ree se resabeleça é ecessário ue os rocaores mais susceíveis à icrusação seam limos. Por limiação e esaço, os resulaos são resrios e maiores ealhes são ecoraos em Toi (003. Figura - Eeiviae e um rocaor e calor em ução o emo. Figura - Íice e icrusação e um rocaor em ução o emo. 5. Coclusões Em uma reiaria e eróleo as variações iárias as coições oeracioais, ricialmee as vazões e as cargas e eróleo rocessaas rovocam alerações cosaes o esemeho érmico e rocaores e calor. No resee rabalho, é areseaa uma meoologia caaz e moiorar o esemeho érmico a baeria e réauecimeo o cru. Ao corário o roceimeo raicioa a meoologia areseaa ecessia e somee ois roceimeos: eeração a eeiviae baseaa em aos meios e cálculo as eeiviaes baseaa em correlações. A eeiviae meia é comaraa à eeiviae a coição lima e sua, mosrao ue o esemeho os rocaores e calor vai reuzio com o emo. Foi observao ue as variações e vazão são imoraes o cálculo a eeiviae, mas as muaças as rorieaes o eróleo e os rouos ão areseam iluêcia sigiicaiva a eeiviae. De acoro com os resulaos exerimeais obios, viu-se ue as correlações roosas or Jeróimo e al. (997 aresearam bos resulaos, ão somee o moiorameo érmico iiviual e rocaores e calor como ambém a ree e rocaores e calor. Esas correlações são muio mais simles e serem usaas o ue o cálculo as variações e c U e oem orar-se uma erramea uameal o moiorameo e rocaores e calor e e suas rees. O moiorameo coíuo a ree oe auar a eerar o eríoo aeuao ara limeza os rocaores e calor.

6 o Cogresso Brasileiro e P&D em Peróleo & Gás No emrego a meoologia, é ecessária a meição as emerauras e eraa e saía e caa corree e luio e uma as vazões em caa rocaor e calor. Vale lembrar ue uma ree e rocaores e calor uilizaa o réauecimeo o eróleo em em méia 40 rocaores e ue a coiabiliae os resulaos obios o emrego a meoologia é ireamee roorcioal ao grau e isrumeação a ree. Além isso, são ecessários ceros cuiaos ara garair a coiabiliae os aos meios. Figura 3 - Eeiviae a ree em ução o emo. Figura 4 - Desesa aicioal e combusível os oros. 6. Agraecimeos Os auores areseam seus agraecimeos: i à Perobras (Uiae e Negócios Reiaria Presiee Geúlio Vargas - REPAR, área e Oimização; ii ao CNP (Coselho Nacioal e Desevolvimeo Cieíico e Tecológico e; iii à Agêcia Nacioal e Peróleo - ANP e à Fiaciaora e Esuos e Proeos - FINEP or meio o Programa e Recursos Humaos a ANP ara o Seor e Peróleo e Gás PRH-ANP/MCT (PRH0 CEFET-PR, cuo aoio iaceiro ermiiu a realização ese rabalho. 7. Reerêcias JERÓNIMO, M. A. S., MELO, L. F., BRAGA, A. S., FERREIRA, P. J. B. F., MARTINS, C., Moiorig he hermal eiciecy o oule hea exchag. a simliie meho. Exer. Thermal a Flui Sciece, v.4, , 997. LEACH, S. H., FACTOR, S. A., Moiorig oulig i reiery a erochemical la hea exchage euime. 0 h Naioal Hea Traser Coerece. ASME, 98. LIU, H, KAKAÇ, S., Hea exchagers selecio, raig a hermal esig, CRC Press, 998. POLLEY, G. T., WILSON, D. I., YEAP, B. L., PUGH, S. J., Use o crue oil oulig aa i hea exchager esig. Alie Thermal Egieerig, v., , 00. TONIN, P. C., Meoologia ara Moiorameo o Desemeho Térmico e Rees e Trocaores e Calor, Disseração e Mesrao, Cero Feeral e Eucação Tecológica o Paraá, Curiiba-PR, 003.