MODELAGEM E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE VASO SEPARADOR E RETIFICADOR DE UNIDADES DE CRAQUEAMENTO CATALÍTICO

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1 Proceedings of the 10 th Brazilian Congress of Theral Sciences and Engineering -- ENCIT 2004 Braz. Soc. of Mechanical Sciences and Engineering -- ABCM, Rio de Janeiro, Brazil, Nov Dec. 03, 2004 Paper CIT MODELAGEM E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE VASO SEPARADOR E RETIFICADOR DE UNIDADES DE CRAQUEAMENTO CATALÍTICO Rosilaine Furtado de Melo Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná - Av. Sete de Setebro, Curitiba- PR Brasil. rosifurtadobr@yahoo.co.br Silvio Luiz de Mello Junqueira Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná - Av. Sete de Setebro, Curitiba- PR Brasil. silvio@cefetpr.br Adilson Teixeira Franco Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná - Av. Sete de Setebro, Curitiba- PR Brasil. adilson@cefetpr.br Resuo. O processo de Craqueaento Catalítico Fluidizado (FCC) e ua refinaria de petróleo consiste e ua unidade que converte destilados pesados e gasolina e destilados édios. Neste trabalho é apresentada a odelage dinâica detalhada de dois equipaentos específicos de u FCC, o vaso separador e o retificador (VSR). O vaso separador te coo função proover a separação entre as particulas do catalisador e os gases e a do retificador é recuperar hidrocarbonetos reanescentes aprisionados no catalisador, através da injeção de vapor. O odelo ateático é baseado nas equações de conservação da assa para o gás e catalisador e da conservação da energia. O odelo nuérico resulta e u conjunto de equações diferenciais ordinárias e algébricas não-lineares acopladas. Na solução eprega-se o étodo de Diferenças Finitas, utilizando ua forulação totalente iplícita. É realizado u estudo do coportaento de alguas variáveis de entrada quando sujeitas a ua udança no seu valor de regie estacionário, a saber, vazão de gasóleo e catalisador e teperatura de entrada no vaso separador. O odelo é validado através de coparação co resultados da literatura e co dados de operação obtidos de ua planta piloto da Petrobras, apresentando boa concordância. Palavras chave: odelage dinâica, craqueaento catalítico fluidizado, vaso separador, retificador. 1. Introdução O processo de craqueaento catalítico fluidizado FCC converte destilados pesados provenientes da destilação do petróleo, coo gasóleos e resíduos, para gasolinas e destilados édios usando craqueaento catalítico (Han e Chung, 2001a). Atualente, a crescente incorporação de cargas residuais ao processo e a presença de óleos cada vez ais pesados, fizera co que as unidades de FCC fosse ajustadas para processá-las. Isto levou as unidades a operare no liite de seus equipaentos, sendo que estratégias de otiização fora ipleentadas para garantir ua alta rentabilidade. Considerando que qualquer fator que influencie positivaente o rendiento do processo é be vindo, o conheciento do coportaento de todas as variáveis envolvidas é de iportância fundaental. Para tanto, é necessário desenvolver u odelo que represente de aneira ais fiel possível a dinâica do processo. A odelage deverá ser realizada de aneira a peritir, que cada ação de controle seja propagada para u horizonte prédeterinado, a fi de validar a qualidade do controle be coo ipor ua dinâica que satisfaça os requisitos de otiização e os liites operacionais da planta. O odelo deve ainda levar e consideração as não-linearidades e as interações das variáveis do processo de FCC entre si e co outras unidades da planta. Fora estudados alguns odelos disponíveis na literatura. No trabalho de Arandes et al. (2000), u odelo para FCC foi construído considerando o retificador u coponente fundaental da planta da unidade. E outros trabalhos, este é quase sepre negligenciado, causando ua dificuldade adicional nas estiativas das várias taxas de reações coo a de craqueaento, foração de coque e regeneração do catalisador, que são de grande ipacto na siulação da unidade. Os resultados obtidos para o estado estacionário e a operação dinâica apresentara boa concordância co os resultados da planta. Os controladores do tipo Proporcional-Integral (PI), para loop fechado, ostrara-se satisfatórios quando a planta foi subetida a variações e vários parâetros de controle. Malay et al. (1999) apresentara ua odificação no odelo de Ali e Rohani (1997). Neste últio odelo, considera-se que a unidade de FCC se restringe ao riser e ao regenerador. A odificação consiste na inclusão de balanços de assa e de energia no vaso separador e no retificador, que não era representados no odelo de Ali e Rohani (1997). As odificações tê por objetivo representar de fora ais real o processo de FCC. Seus resultados fora validados pela coparação co dados de ua planta industrial, ostrando que o odelo coporta-se elhor que o odelo proposto originalente por Ali e Rohani (1997), se perder a siplicidade e a flexibilidade. U odelo onde o VSR é cobinado e ua única seção chaada de disengaging-stripping (separação-retificação) foi desenvolvido por Han e Chung (2001a). A seção é odelada coo u Continuous Stirred Tank (CST) onde não ocorre reações. Os resultados obtidos ostrara-se e

2 boa concordância co resultados da literatura e tabé co os de ua planta industrial. No trabalho proposto por Santos (2000), o VSR é odelado coo u tanque adiabático de istura perfeita. O odelo fornece o coportaento da teperatura, da pressão e do teor de coque no catalisador. As pressões obtidas são uito próxias às encontradas na planta, deonstrando assi u bo equacionaento do odelo. A proposta deste estudo é desenvolver u odelo dinâico detalhado para o vaso separador e retificador (ou stripper), que perita conhecer o efeito e iportância das variáveis de interesse coo pressão, teperatura, assa de gases e de catalisador, fração de coque e nível de catalisador no retificador, be coo investigar a sensibilidade destas variáveis à perturbações do sistea. Esse odelo dinâico deverá se acoplar a outros dois odelos: o do riser e o do regenerador, forando assi u odelo copleto para o FCC. O acoplaento do odelo do VSR co os deais coponentes da unidade, riser e regenerador, foi realizado por (Erthal, 2003). A solução do odelo ateático, baseado nas equações de conservação da assa e da energia, na geoetria do VSR e nas condições de contorno, é feita de fora nuérica. Na solução do odelo nuérico, forado por u conjunto de equações diferenciais ordinárias e algébricas não lineares e acoplado, utiliza-se ua discretização totalente iplícita das equações através do étodo de Diferenças Finitas. O resultado final é a obtenção de u odelo ateático que ostra as tendências coportaentais dos equipaentos, co baixo tepo coputacional. Desta fora será possível anipular as variáveis de entrada destes equipaentos, observar seus efeitos, identificar e analisar a sensibilidade dos parâetros de controle do processo. Isto viabiliza a validação à luz de edidas experientais e o ajuste do odelo e tepo viável na prática. Ua vez validados co odelos disponíveis na literatura, os resultados poderão ser usados coo ua ferraenta de auxílio nos vários estudos de processos de controle e otiização de unidades de FCC, ostrada na Fig. 1. Figura 1. Esquea de u processo de FCC. O odelo proposto te coo inovação o fato de incluir particularidades de todos os odelos apresentados na literatura. Sendo assi, este odelo procura englobar todos os parâetros significativos do processo de separação e retificação. Coo a odelage dinâica destes equipaentos na literatura só é encontrada na odelage do processo global, este detalhaento não é observado. No presente trabalho, procurou-se agrupar as inforações da literatura de fora a obter-se u odelo capaz de descrever be a dinâica do processo e que não deande u esforço coputacional excessivo. 2. Modelage ateática Para a elaboração do odelo ateático, é necessário o conheciento da física que envolve o problea. A Fig. 2, ostra todas as variáveis envolvidas na odelage, be coo a interligação co os deais equipaentos do processo de FCC, o riser e o regenerador. São realizados balanços de assa para o catalisador e os gases (hidrocarbonetos e vapor d água), balanço de energia efetuados no vaso separador e retificador e tabé a avaliação da pressão. Na Fig. 2, identifica-se a entrada de gases, onde a vazão de gasóleo ( gol ) na entrada do riser deterina a quantidade de gás na entrada do VSR. A vazão de catalisador na saída do riser é considerada a esa vazão ássica de catalisador na saída do regenerador ( c, TCV ). Estas duas penetra na parte superior do vaso separador, onde ocorre a separação inercial das

3 partículas pelos ciclones, de odo a se obter ua corrente sólida e ua gasosa. A saída de gases pelo topo do vaso separador inclui os hidrocarbonetos vindos do riser e o vapor do retificação vindo do retificador. O catalisador após a passage pelo retificador é enviado ao regenerador para restabelecer sua atividade catalítica através da cobustão do coque ipregnado. O coque depositado na superfície do catalisador é u produto das reações realizadas no riser. y g, f i, f T v, rt v, rt w sc, LCV c, x cq, rt γ VSR P P T g, b, c, g, T y x w c,x g,x i,x cq,x Riser Regenerador c, TCV Figura 2. Esquea do odelo de estudo. gol 2.1. Balanço de assa Pode-se escrever o balanço de assa para os gases, baseado na Fig. 2, coo: d g, + γ (1) = g, x v, rt g, f c, x onde g, é a assa de gás no VSR [kg], g, x é a vazão de gases provenientes do riser [kg/s], coposta de hidrocarbonetos e vapor d água, v, rt é a vazão de vapor de retificação [kg/s] e g, f é a vazão de gases para a fracionadora [kg/s]. O tero c,x γ representa a porção de hidrocarbonetos que não fora retificados no retificador e serão queiados no regenerador [kg/s], sendo c, x a vazão de catalisador [kg/s] e γ a fração de coque catalisadoróleo [kg coq /kg cat ], E ss c x vrt γ = Cckst + k, 0 ss0 exp (2) gol onde C ckst0 é a quantidade ínia de hidrocarbonetos recuperada [kg coq /kg cat ], e seu valor é 0,0004, k ss0 é ua constante de retificação [ad] e seu valor é 0,0054, E é o expoente na função do retificador e possui o valor de ss

4 0,3311 [s/kg], c, x é a vazão de catalisador na saída do riser [kg/s], t é a vazão de vapor de retificação [kg/s] e é a vazão de gasóleo, na entrada do riser [kg/s]. gol O balanço de assa de catalisador é representado por: d c, = - (3) c, x c, LCV onde c, é a assa de catalisador no VSR [kg], c, x é a vazão de catalisador na saída do riser [kg/s]e c, LCV é a vazão de catalisador na saída do retificador [kg/s], sendo que a vazão na saída é controlada por ua válvula LCV (Level Control Valve). A vazão de catalisador pela LCV e a vazão de gás para a fracionadora são calculadas através da aplicação da equação de Bernoulli entre os pontos a ontante e a jusante das válvulas. C jc1, j Pj c, j = ε 4 C 2 d, j ρ 1 c 2 Aj (4) onde C j é a constante de calibração da válvula j (LCV ou f), d, j é o diâetro à ontante da válvula e ε a 2 π porosidade do catalisador e C 2 =. A constante C 1, j [kg 2 / 5 ] é deterinada por 16 C ( ρ ) 2 = (5) 1, j 2 A, j onde A, j é a área a ontante de cada válvula [ 2 ]. A área de abertura de cada válvula, A j [ 2 ]é.definida por: A = A a (6) j 0, j j onde [kpa]. A 0, j é a área de abertura áxia [ 2 ] e a j o fator de abertura. [ad] j, j j, j AP j é o diferencial de pressão na válvula P = P P (7) As pressões a ontante ( P, j ) [kpa]e a jusante ( P j, j ) [kpa] das válvulas são deterinadas a partir das pressões nos equipaentos vizinhos e das colunas estáticas existentes entre abos. No caso da pressão a ontante da válvula LCV, teos: P, LCV ( 1 ) gρc ε LLCV = Pb, rt + (8) 1000 onde P b, st é a pressão na base do retificador [kpa], ρ c é a assa especifica do catalisador [kg/ 3 ], g é a aceleração da gravidade [/s 2 ], ε é a porosidade do leito de catalisador [ad] e L LCV é a altura da linha LCV []. A fração de coque na saída do VSR depende do teor de coque na saída do riser e do coque catalisador-óleo. Para deterinar a fração de coque na saída do retificador teos a equação (9): ( w w + γ ) dw, (9) cq, rt c = c, x cq, x cq, rt

5 onde c, é a assa de catalisador no VSR [kg], w cq, rt é a fração de coque na saída do retificador [kg coq /kg cat ], c, x é a vazão de catalisador na saída do riser [kg/s], w cq, x é o teor de coque no catalisador gasto na saída do riser.[ kg coq /kg cat ] w cq, x é coposto do coque reanescente e o cinético, sendo o prieiro aquele que não foi queiado no regenerador e peranece na superfície do catalisador e o segundo pelas reações de craqueaento que ocorre no riser. A fração ássica dos coponentes gasosos que deixa o vaso separador e são enviados à fracionadora principal pode ser avaliada confore a equação (10), Han e Chung (2001a): dy i, = y γ yi dg + 1 c, x, i, x g, x, g, f g, y j, x j = gol, gl, gs i = gol, gl, gs (10) onde, y i é a fração do coponente gasoso i, sendo gol, o gasóleo, gl, a gasolina e gs, os gases leves [ad]. As vazões de entrada e saída dos gases no VSR são representadas por g, x, que é a vazão de gases [kg/s] e c, x, a vazão de catalisador na saída do riser [kg/s], g, f, a vazão de saída dos gases para a fracionadora [kg/s], g,, a assa de gases no VSR que inclui hidrocarbonetos e vapor de água [kg] e γ é o teor de coque catalisador-óleo de acordo co a equação (2). O nível de catalisador no retificador é ua variável iportante, pois é responsável pelo controle do diferencial de pressão entre o regenerador e o VSR. Considerando que a assa de catalisador no VSR apresenta a aior influência na variação do nível de catalisador e sendo a variação da assa de catalisador avaliada pela equação (3), podeos escrever a equação (11), na fora de ua equação algébrica. L rt c, = ρ 1 ε A c ( ) rt (11) onde L rt é a altura do nível de catalisador no retificador [], c, é a assa de catalisador [kg], ρ c é a assa especifica do catalisador [kg/ 3 ], ε é a porosidade do leito de catalisador [ad] e A rt é a área de seção transversal do retificador ou stripper [ 2 ]. Para a porosidade do leito ε, são consideradas as condições de ínia fluidização e foi usada a correlação de Broadhurst e Becker (1975), que tabé é utilizada no trabalho de Santos (2000) e é dada pela equação (12): 0,029 0, ,72 µ ρ g, ε = 0,586ϕ p 3 g, g( c g, ) d (12) ρ ρ ρ p ρ c onde ϕ p é a esfericidade édia da partícula [ad], µ é a viscosidade dinâica do gás [kg/s], ρ g, e ρ c são, respectivaente a assa específica do gás e do catalisador no VSR [kg/ 3 ], g, a aceleração da gravidade [/s 2 ]e d p, o diâetro édio da partícula [] Balanço de energia O balanço de energia para o VSR, baseado na Fig. 2, pode ser escrito coo, dt = ( T T ) + Cp ( T T + Cp ( T T ) + Cp ( T T ) c, xcpc c, x cq, x cq cq, x ) g, Cp g + c, Cp c g, x + g cq, g, x Cp cq v, st v v, rt (13) onde T, T c, x, T cq, x e T g, x são, respectivaente, as teperaturas do VSR, do catalisador, do coque e do gás na saída do riser [K] e T v, rt é a teperatura do vapor na entrada do retificador [K]. c, x, cq, x e g, x são, respectivaente, as vazões de catalisador, coque e gases (hidrocarbonetos) na saída do riser [kg/s], v, st é a vazão de vapor de retificação [kg/s]. O calor específico do gás é representado por Cp g, do catalisador por Cp, do coque por Cp cq e do vapor por c

6 Cp v [kj/kgk]. c, é a assa de catalisador e cq, é a assa de coque [kg], g, é a assa de gás e vapor no VSR [kg]. A variação da pressão do gás no VSR depende da teperatura e da assa dos gases, podendo ser representada por: dp R d g, dt = T + g, M g, Vg, (14) onde, P é a pressão dos gases no topo do vaso separador [kpa], R é a constante dos gases perfeitos [kj/kg ol K]e M g, é a assa olecular dos gases no VSR [kg/kg ol ]. T é a teperatura no VSR [K]e g, é a assa dos gases no VSR [kg]. O volue dos gases no VSR, pode ser escrito coo: V g, c, = V (15) ρ c onde V é o volue do VSR [ 3 ]. A variação da pressão na base do retificador corresponde à pressão no topo do vaso separador ais a pressão referente ao peso do catalisador no retificador. Esta pressão é avaliada da seguinte fora: P b, rt ( 1 ) ρcg ε Lrt = P + (16) 1000 onde P b, st é a pressão na base do retificador [kpa], P é a pressão no topo do vaso separador [kpa], ρ c é a assa específica do catalisador [kg/ 3 ], g é a aceleração da gravidade [/s 2 ], ε é a fração de vazios do leito de catalisador [ad] e L rt é a altura do leito de catalisador no retificador []. Maiores detalhes sobre o odelo nuérico e o procediento de solução pode ser encontrado e Melo (2003). 3. Trataento nuérico Coo resultado do odelo proposto, te-se u conjunto de 8 equações diferenciais ordinárias para: assa de gases ( g, ) e catalisador ( c, ), fração de coque na saída do retificador ( w cq, rt ), teperatura no VSR ( T ), pressão dos gases ( P g, ), fração ássica de gasóleo ( y gol, ), de gasolina ( y gl, ) e de gases leves ( y gc, ) e 6 equações algébricas para: vazão ( i ), teor de coque catalisador-óleo (γ ), nível de catalisador no retificador ( L rt ), porosidade no leito de catalisador ( ε ), volue dos gases ( V g, ), pressão na base do retificador ( P b, ) e a ontante da LCV ( P, LCV ). Para resolução do conjunto de equações foi escolhido o étodo de Diferenças Finitas. O étodo nuérico é uito vantajoso devido ao fato de peritir a substituição das derivadas existentes por expressões algébricas. O étodo de Diferenças Finitas pode ser aplicado a qualquer tipo de equação diferencial, ordinária ou parcial. Após a aplicação do étodo, o problea se resue à solução de u conjunto de equações algébricas. O étodo de Runge-Kutta de quarta orde tabé resolve uito be o conjunto de equações, as por ser explícito, restringe o valor do intervalo de tepo. Ua solução e Diferenças Finitas, associado a ua forulação totalente iplícita perite aior flexibilidade na escolha do intervalo de tepo, atendendo de fora ais adequada o uso do odelo para propósitos de controle. A escolha do étodo de solução, através do étodo de diferenças finitas para o sistea algébrico, levou e consideração a não-linearidade dos teros fontes, cuja solução e sepre iterativa. Coo as equações obtidas para o odelo resultara e u sistea de equações não-lineares e acoplado, para resolve-las utiliza-se o étodo de Newton. 4. Resultados Os ensaios nuéricos a sere realizados peritirão prever o coportaento das seguintes variáveis: teperatura e assa de catalisador e gases no VSR, pressão no topo e na base do VSR, vazões de gás e catalisador e nível de catalisador no VSR Coparação co dados da literatura

7 As Figuras 3 e 4, ilustra as curvas de teperatura e vazão de catalisador para o odelo proposto e para o de Han e Chung (2001b). Na Fig. 3, u decréscio na teperatura na saída do riser, causa tabé ua diinuição da teperatura de entrada no VSR. A causa da diinuição da teperatura do riser ocorre e função do auento do consuo de calor para vaporizar a carga de gasóleo e tabé devido ao caráter endotérico das reações. Na Fig. 4, te-se a coparação entre as vazões de catalisador do odelo proposto e do odelo de Han e Chung (2001b). Alguas condições de contorno para o odelo proposto são fixas, enquanto que para o odelo da literatura todas as condições de contorno varia co o tepo. As udanças de alguns parâetros que varia co o tepo no riser não são percebidas quando ocorre a siulação do VSR de fora isolada, coo é o caso tratado neste trabalho. Para o caso da vazão de catalisador, a diferença entre os valores obtidos ocorre devido à pressão dos gases no topo, que não sofre o auento esperado. A válvula que deterina a vazão de catalisador gasto depende do diferencial de pressão entre o VSR e o regenerador. Coo a pressão não apresenta a alteração esperada, a vazão de saída de catalisador gasto apresentará picos enores do que a vazão apresentada pelo odelo coparado. As frações dos coponentes gasosos, gasóleo, gasolina e gases leves na entrada do VSR tabé se altera após a alteração na entrada da carga de alientação, poré, não são fornecidas pelo odelo da literatura. A fração dos coponentes gasosos altera neste caso a assa olecular dos gases no VSR Para a teperatura o resultado encontra-se praticaente coincidentes, sendo que para a vazão de catalisador ocorre ua diferença nos picos, pode-se concluir que os resultados coparados são satisfatórios Han e Chung (2001b) Modelo 360 Han e Chung (2001b) Modelo Teperatura (K) Figura 3. Coparação da teperatura no VSR. Vaão de catalisador (kg/s) Figura 4. Vazão de catalisador gasto Coparação co dados da planta A coparação co os resultados da unidade piloto da SIX/Petrobras será apresentada na Tab. 1. Os resultados do odelo são coparados co valores experientais e regie estacionário da unidade piloto. As condições iniciais, propriedades físicas e os parâetros geoétricos utilizados nas siulações a seguir, fora fornecidos pela SIX/Petrobras. Tabela 1. Coparação do odelo co dados da SIX/Petrobras. Variáveis Modelo Planta Erro (%) Pressão no topo [kpa] 158,5 156,7 1,13 Pressão na base [kpa] 166,95 169,65 1,55 Pressão a ontante da LCV[kPa] 225,05 226,53 0,65 Teperatura [K] 795,01 791,28 0,47 A teperatura deterinada pelo odelo é aior do que a teperatura da planta. Coo o odelo desenvolvido não considera as perdas de calor pelas paredes, esta diferença observada na teperatura deve estar relacionada ao fato do odelo proposto ser adiabático. As discrepâncias ocorridas pode estar relacionadas tanto ao odelo quanto às edições na planta. Consideração quanto ao leito fluidizado pode ser as principais fontes de erro Casos estudados As siulações dos casos abaixo fora realizadas epregando-se u intervalo de tepo de 1,00 s, para obtenção dos resultados, as é possível a utilização de intervalos de tepo na orde de 100 segundos. Os resultados apresentados fora obtidos, após a realização de três testes: Caso 1 - udança na vazão de gasóleo; Caso 2 - alteração na teperatura de entrada no VSR; Caso 3 - alteração na vazão de entrada de catalisador no VSR.

8 Mudança na vazão de gasóleo Caso 1 Nas Figuras 5 a 8, te-se a representação do coportaento das variáveis, quando se diinui e 5% a vazão de gasóleo após 250 inutos de siulação, e retorna-se ao estado inicial após 750 inutos de siulação. A Fig. 5 ostra o coportaento da pressão do gás no topo e da assa de gás no VSR e a Fig. 6 ostra o coportaento da pressão na base do VSR e tabé da assa de catalisador. Após diinuir a vazão de alientação (gasóleo), diinui-se tabé a vazão de entrada de gases no VSR, o que provoca ua diinuição na assa de gás no VSR, coo ostra a Fig. 5. Coo a pressão no topo é dependente da assa específica dos gases, diinuindo-se a assa de gases diinui-se a pressão dos gases no topo do VSR. Massa de gás (kg) Pressão do gás Massa de gás Figura 5. Pressão dos gases e assa dos gases Pressão no topo (kpa) Massa de catalisador (kg) Pressão na base Massa de catalisador Figura 6. Pressão na base e assa de catalisador Pressão na base (kpa) Pode-se observar na Fig. 6 que ocorre ua queda da pressão na base, as auenta logo após peranecendo neste valor, acia do estado inicial. Isto se deve à pressão na base ser dependente da pressão no topo, ostrado na Fig. 6, e da assa de catalisador. Coo a pressão no topo sofre ua queda, isto se reflete na pressão na base do VSR. Coo a pressão depende tabé da assa de catalisador, e coo se observa na Fig. 6, esta sofre u auento, a pressão na base reflete o auento ocorrido na assa de catalisador. A resposta da teperatura e do nível de catalisador pode ser acopanhados na Fig. 7. Pode-se observar que a teperatura sofre u auento co a variação da vazão de gasóleo. O nível de catalisador auenta devido à sua dependência da assa de catalisador, pois o auento da assa de catalisador iplica nua elevação do nível de catalisador. A Figura 8 ostra coo as vazões de saída do gás para a fracionadora e a vazão de saída de catalisador gasto para o regenerador se coporta, quando se diinui a vazão de gasóleo. Pode-se perceber que a vazão de catalisador diinui, as auenta logo após estabilizando-se novaente, e u valor acia do valor inicial. A vazão de catalisador é dependente do diferencial de pressão entre o VSR e o regenerador, portanto, vê-se que a vazão de catalisador gasto na saída do VSR acopanha a tendência ocorrida co a pressão na base. A vazão de gás é dependente do diferencial de pressão do gás no topo do VSR e na fracionadora. Observa-se que a vazão de saída dos gases sofre ua queda, estabilizando-se e outro pataar. Coo a pressão dos gases no VSR diinui, o eso ocorre co a vazão.

9 Nível de catalisador Teperatura Vazão de catalisador Vazão de gás Teperatura (K) Nível de catalisador () Vazão de gás (kg/s) Vazão de catalisador (kg/s) Figura 7. Nível de catalisador e teperatura Figura 8. Vazões de saída de gás e de catalisador gasto. Mudança na teperatura de entrada do VSR Caso 2. As Figuras 9 a 11, ostra a resposta dinâica para ua diinuição na teperatura de entrada no vaso separador e 80 K, após 250 inutos de siulação, voltando posteriorente, após 750 inutos de siulação ao seu estado inicial, correspondendo ao Caso 2. Ua diinuição na teperatura de entrada causa u auento na assa de gás, coo pode ser visto na Fig. 9. Isto pode ter ocorrido, porque a pressão é dependente da teperatura, e a alteração sofrida pela pressão, provocada pela diinuição da teperatura, influencia a vazão de gases para a fracionadora. Sendo as vazões dependentes do diferencial de pressão, ua diinuição na vazão de saída dos gases acaba causando u auento na assa de gás no VSR. Massa de gás (kg) Pressão na base Massa de gás Pressão na base (kpa) Figura 9. Massa de gás e pressão na base. A Figura 10, ostra o coportaento da assa de catalisador e da pressão no topo do VSR. O nível de catalisador e a teperatura no VSR tê seus coportaentos ostrados na Fig 11. A pressão no topo sofre soente ua pequena udança, voltando novaente ao seu estado inicial, coo pode ser observado na Fig. 10, sendo que esta udança é sentida pela pressão na base do VSR, ostrada na Fig. 9. Alé disso, a vazão de catalisador tabé se altera, provocando tabé ua alteração na assa de catalisador no VSR. Observa-se que o nível de catalisador auenta, retornando logo após, ao seu estado inicial, quando a teperatura diinui. Quando a teperatura volta ao seu estado inicial u coportaento inverso é observado. Coo visto na Fig. 10, a assa de catalisador apresenta o eso coportaento. A teperatura no VSR sofre ua queda, quando da diinuição da teperatura de entrada das vazões de catalisador, coque e gases no VSR.

10 Massa de catalisador (kg) Pressão no topo Massa de catalisador Pressão no topo (kpa) Teperatura (K) Nível de catalisador Teperatura Nível de catalisador () Figura 10. Massa de catalisador e pressão no topo Figura 11. Nível de catalisador e teperatura. Mudança na vazão de entrada de catalisador gasto no VSR Caso 3. As Figuras 12 a 15, refere-se ao Caso 3, onde se te ua diinuição de 5% na vazão de entrada de catalisador, após 250 inutos voltando e seguida ao estado inicial, passados 750 inutos de siulação. A Figura 12 ostra o coportaento da pressão na base do VSR e da assa de gases. Observa-se que a assa de gases e a pressão dos gases, ostrada na Fig. 13, não se altera. A pressão na base do VSR diinui, eso se ua queda da pressão no topo. Esta queda ocorre pois a pressão na base depende da assa de catalisador. Quando se diinui a vazão de entrada, observa-se que a assa de catalisador no VSR diinui. Coo a queda sofrida pela assa de catalisador é significativa, te-se coo resultado ua queda na pressão na base. A assa de catalisador e a pressão dos gases no VSR são ostradas na Fig. 13. Vê-se que a pressão dos gases não sofre alteração. A assa de catalisador diinui, quando se te ua diinuição da vazão de entrada de catalisador Massa de gás (kg) Pressão na base Massa de gás Pressão na base (kpa) Massa de catalisador (kg) Pressão no topo Massa de catalisador Pressão do gás Figura 12. Pressão na base e assa de gás Figura 13. Pressão no topo e assa de catalisador. A Figura 14 ostra o nível de catalisador no VSR e a pressão na base e na Fig. 15 te-se o coportaento da vazão de saída do catalisador gasto e da vazão de gases para a fracionadora. Observa-se que o nível de catalisador e a pressão na base diinue, o que já era esperado, pois há ua diinuição na assa de catalisador no VSR.A vazão de saída do catalisador gasto, ilustrada na Fig. 15, sofre ua queda, que acopanha a queda na vazão de entrada. A vazão de saída de gases não se altera.

11 Pressão na base Nível de catalisador Vazão de catalisador Vazão de gás Nível de catalisador () Pressão na base (kpa) Vãzão de gás (kg/s) Vazão de catalisador (kg/s) Figura 14. Pressão na base e nível de catalisador Figura 15. Vazões de saída do gás e catalisador gasto. 5. Conclusões Neste trabalho, foi apresentado u odelo dinâico para o vaso separador e o retificador (VSR) de ua unidade de craqueaento catalítico, elaborado co base nos princípios de conservação da assa e da energia. O odelo procura englobar todos os parâetros significativos do processo de separação e retificação que ocorre no VSR alé de particularidades apresentadas e trabalhos da literatura.o odelo ateático resultante é u conjunto não-linear e acoplado de equações diferenciais ordinárias e algébricas. A solução desse sistea é feita através do étodo de Diferenças Finitas co a forulação totalente iplícita. O étodo de Newton é utilizado para a solução das equações discretizadas. Esse odelo perite o onitoraento de várias variáveis de entrada, possibilitando prever os seus coportaentos previaente e utilizar esse conheciento para controle dinâico do processo. A coparação dos resultados do odelo proposto co dados de operação de ua planta industrial e regie estacionário e co o odelo de Han e Chung (2001b) ostrou boa concordância. Coo teste para o odelo, fora propostos três estudos de caso, sendo no caso 1 ua udança na vazão de gasóleo, no caso 2 ua udança na teperatura na saída do riser e caso 3 ua udança na vazão de catalisador. Para os três casos estudados as respostas apresentadas pelo odelo proposto ostrara-se consistentes e fisicaente plausíveis e relação ao coportaento dinâico esperado do processo. Para aprioraento do presente odelo pode-se: obter ua equação para avaliar o teor de coque catalisador-óleo co dados experientais, visto que a equação utilizada no odelo é ua equação epírica e depende da geoetria do equipaento e tabé das condições de operação.tabé é iportante;avaliar as possíveis reações quíicas que ocorre no VSR, pois Baptista et al. (2002) concluíra que o elevado rendiento de gás cobustível rico e hidrogênio, obtido nas aostragens feitas no fundo do retificador, evidenciara que reações de desalquilação e condensação continua ocorrendo no retificador. 6. Agradecientos À Agência Nacional do Petróleo ANP e a Financiadora de Estudos e Projetos FINEP através do Prograa de Recursos Huanos da ANP para o Setor de Petróleo de Gás PRH ANP/MCT CEFET-PR, pelo apoio financeiro que e peritiu inteira dedicação a este trabalho. 7. Referências Ali, H.; Rohani, S., 1997, "Dynaic Modeling and Siulation of a Riser-Type Fluid Catalytic Cracking Unit", Che. Eng. Technol., Vol. 20, pp Arandes, J. M.; Azkoiti, M. J.; Bilbao, J.; De Lasa, H. I., 2000, "Modelling FCC Units Under Steady and Unsteady State Conditions", The Can. Journal of Che. Eng., Vol. 78, pp Broadhurst, T. E., Becker, H. A., 1975, Onset Fluidization on Slugging in Beds of Unifor Particles, Aiche Journal, Vol. 21, pp Erthal, R. H., 2003, Modelage e Siulação Dinâica de U Conversor de Craqueaento Catalítico, Dissertação de Mestrado e Engenharia Mecânica, Departaento de Pesquisa e Pós-Graduação da Unidade de Curitiba do CEFET-PR, Curitiba-PR. Han, I. S.; Chung, C. B., 2001a, "Dynaic Modeling and Siulation of a Fluidized Catalytic Cracking Process. Part I: Process odeling", Che. Eng. Science, Vol. 56, pp Han, I. S.; Chung, C. B., 2001b, "Dynaic Modeling and Siulation of a Fluidized Catalytic Cracking Process. Part II: Property Estiation and Siulation", Che. Eng. Science, Vol. 56, p Malay P.; Milne B. J.; Rohani S., 1999, "The Modified Dynaic of a Riser Type Fluid Catalytic Unit", The Canadian J. of Che. Eng., Vol. 77, pp

12 Melo, R. F., 2003, Modelage e Siulação Nuérica de Vaso Separador e Retificador de Unidades de Craqueaento Catalítico, Dissertação de Mestrado e Engenharia Mecânica, Departaento de Pesquisa e Pós-Graduação da Unidade de Curitiba do CEFET-PR, Curitiba-PR. Santos, M. G., 2000, Modelo Dinâico para o Controle do Conversor de ua Unidade de FCC UOP STACKED, Dissertação de Mestrado e Engenharia Quíica, Departaento de Engenharia Quíica, UFRGS, Porto Alegre- RS. DYNAMIC MODELING OF FLUID CATALYTIC CRACKING STRIPPER AND SEPARANTING VASE Rosilaine Furtado de Melo Federal Center for Education in Technology of Paraná - Av. Sete de Setebro, Curitiba-PR Brazil rosifurtadobr@yahoo.co.br Silvio Luiz de Mello Junqueira Federal Center for Education in Technology of Paraná - Av. Sete de Setebro, Curitiba-PR Brazil silvio@cefetpr.br Adilson Teixeira Franco Federal Center for Education in Technology of Paraná - Av. Sete de Setebro, Curitiba-PR Brazil adilson@cefetpr.br Abstract. The Fluid Catalytic Cracking Catalytic process in a refinery consists of a unit that converts heavy distillates to gasoline and iddle distillates. In this work, a detailed dynaic odeling of two specific equipents of a fluidized catalytic cracking (FCC) unit is presented, naely, the separating vase and the stripper (VSR). The separating vase separates the particles of the catalyst and the gases fro the riser and the stripper is designed to reove the hydrocarbons trapped in the pores of the catalyst, through the vapor injection. The atheatical odel is based on the ass conservation equations of gas and catalyst and also the conservation of energy. The syste of algebric and ordinary differential equations are discretized using the Finite Difference Method associated with an iplicit forulation. The Newton Method is used to solve the set de discretized equations. The odel validation, carried out through coparison with literature results and with operation data of a Petrobras pilot plant refinery, presented good agreeent. Finally, the affect of soe input paraeters. Such as, the inlet ass flow of gas-oil, the inlet teperature, is studied by changing their steady-state values. Keywords: Dynaic odeling, Fluidized catalytic cracking, Separator, Stripper.