TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM LEITO MÓVEL DE XISTO C. C. MORATORI 1*, A. C. L. LISBÔA 1 RESUMO

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1 RANSFERÊNCIA DE CALOR EM LEIO MÓVEL DE XISO C. C. MORAORI 1*, A. C. L. LISBÔA 1 1 Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Enenharia uímica * ccmoratori@yahoo.com.br RESUMO O isto é uma rocha compacta de oriem sedimentar, formada por componentes orânicos compleos distribuídos numa matriz mineral. A matéria orânica, chamada queroênio, é liberada sob aquecimento em temperaturas acima de 350 o C em retortas. O óleo obtido quando refinado produz destilados com as mesmas características encontradas nos de petróleo, sendo considerado uma fonte de eneria alternativa. Para o projeto dos reatores de leito móvel para pirólise é necessário o conhecimento de várias etapas, inclusive sobre a transferência de calor entre as partículas de isto e a corrente asosa. Estas trocas podem ser avaliadas por modelos matemáticos solucionados por métodos numéricos. Neste trabalho foram construídos modelos que descrevem os perfis de temperatura no processo em que as partículas de isto apresentam radiente de temperatura em seu interior devido ao seu tamanho. As simulações foram realizadas por proramas em linuaem FORRAN. 1 INRODUÇÃO Pela facilidade de seu uso e pela capacidade de atender às necessidades de seus usuários, o petróleo tornou-se responsável por mais de 40% da eneria consumida no mundo (IEA, 2009). Como o suprimento de petróleo é incerto e esotável, o Brasil iniciou estudos para o aproveitamento de isto por ser detentor da seunda maior reserva mundial deste mineral. A eploração se desenvolveu na reião de São Mateus do Sul (PR), onde há uma jazida, pertencente à Formação Irati parte interante da coluna de sedimentos paleozóicos de idade Permiana que apresentava condições favoráveis (ONEL et al., 2004). A eploração dessa reserva vem sendo eecutada pela SIX (Unidade de Neócios da Industrialização do Xisto), que é uma unidade da Petrobras criada em 1954 para desenvolver estudos sobre o aproveitamento de isto. Essa unidade possui capacidade instalada de 7 mil toneladas de isto por dia (PEROBRAS, 2014). Para tanto foi desenvolvido a partir de 1958, pelos técnicos da Petrobras, um processo de transformação de isto que recebeu o nome de Petrosi, que emprea um reator em leito móvel. São importantes estudos sobre as etapas da pirólise, tais como: cinética de desvolatilização determinação da eneria de ativação e constante da taa de reação e investiações dos fenômenos de transferência de calor e massa. ais conhecimentos constituem aspectos fundamentais quando se deseja aumentar a eficiência de processos de pirólise ou projetar novos reatores para a retortaem (ALMEIDA, 2005). 2 PROCESSO PEROSIX O isto, depois de minerado a "céu aberto", vai para um britador no qual as partículas são reduzidas a um tamanho entre 0,006 m a 0,07 m. Essas partículas são

2 peneiradas e aquelas fora da especificação ou retornam ao britador (rossas), ou retornam à mina (finas). As demais são distribuídas no topo do reator, de onde se movem lentamente por ravidade, em um leito compactado, para a parte inferior da retorta. O calor para a pirólise é fornecido por uma corrente asosa de elevada temperatura que entra na zona de pirólise e se mistura com uma seunda corrente, injetada na base da retorta, para recuperar o calor do isto já retortado. Esta corrente asosa é constituída por aproimadamente 85% de vapor d áua. Na retorta há quatro zonas distintas por onde escoam as partículas de isto. Essas zonas e o processo completo podem ser visualizados na Fiura 1. No reator, as partículas de isto são aquecidas da temperatura ambiente até aproimadamente 773 K. O material orânico presente no isto (queroênio) é pirolisado e volatilizado. Fiura 1 - Esquema do processo Petrosi Fonte: Lisbôa (1997) Os vapores ascendentes, provenientes da zona de pirólise, se condensam loo abaio do topo da retorta ao entrar em contato com o isto frio, formando uma neblina de óleo que é arrastada pelo ás. A mistura de fluidos, composta por ases, vapor d'áua e neblina de óleo, deia a retorta e atravessa um conjunto de operações unitárias projetadas para as devidas coletas de pó e óleo, utilizando ciclones e precipitadores eletrostáticos. Após retortado, o isto é descarreado em um coletor, misturado com áua, resfriado, e transportado para a mina. 3 BALANÇO DE ENERGIA O reator de pirólise em estudo possui 34 m de altura e diâmetro de 11 m, porém a reião de estudo se restrine a 3 m de altura compreendendo a zona de secaem, de aquecimento e de pirólise. Na modelaem utilizou-se a condutividade térmica de isto iual a 3,84 J s -1 m -1 K -1, seundo Schön (1996). O autor afirma que este valor pode variar dependendo das condições eolóicas do local da rocha. Já o coeficiente de transferência de calor foi calculado pela Equação de Levenspiel (1998), Equação 1, adequada para leito fio, considerando as propriedades do vapor d áua para o ás. Os valores do coeficiente são função da dimensão da partícula. 1 1 k 2 3 h 2 1,8 Re p Pr d (1) p Os balanços de eneria eraram equações diferenciais ordinárias, que foram resolvidas pelo método de Rune-Kutta Fehlber. Para a solução das equações diferenciais parciais, utilizou-se o Método Numérico das Linhas de Schiesser (1991, 1994) baseado em diferenças finitas. Para a busca de raízes de funções, decidiu-se pelo uso de um método intervalar ( bracketin method ). Vários balanços térmicos foram feitos e estão apresentados a seuir. 3.1 Balanço térmico lobal O balanço lobal de troca térmica numa retorta requer as vazões e temperaturas de entrada e saída do isto e do ás. A disposição das correntes está apresentada na Fiura 2.

3 Fiura 2 - Representação do leito de pirólise com as variáveis envolvidas no balanço de eneria Fiura 3 - Posicionamento do sistema de coordenadas cartesianas na partícula cúbica de isto (LISBÔA, 1997) Para o isto adotou-se uma vazão mássica de 65 t/h, calor específico de 1184 J k -1 C -1 e temperatura de entrada no topo da retorta de 25 o C. Para o ás, a vazão mássica corresponde a 80% da vazão mássica do isto, o calor específico é do vapor d áua, iual a 2050 J k -1 K -1 e a temperatura da entrada 550 o C na base da retorta. Como o sistema é adiabático, a quantidade de calor cedida pelo ás é iual àquela recebida pelas partículas de isto (Equações 2 e 3). As equações possibilitaram validar os modelos construídos. W C ( ) (2) p, s e W C ( ) (3) p, s e 3.2 Balanço térmico na partícula Neste modelo matemático foram descritos o radiente de temperatura no interior das partículas de isto durante a pirólise na retorta, submetidas a uma corrente asosa com temperatura fia. A oriem do sistema de coordenadas cartesiano (0,0,0) foi colocada no centro da partícula, como mostra a Fiura 3. Fonte: Melo (2012) Supondo valores constantes para as propriedades físicas da partícula de isto, o balanço de eneria pode ser descrito pela equação diferencial parcial (EDP) apresentada na Equação 4. Esta equação considera a variação da temperatura em função do tempo dependente das características do material (representadas pela difusividade térmica do isto) e que o radiente de temperatura está presente em todas as direções da partícula (representado pelo operador Laplaciano estendido a todas as coordenadas do espaço cartesiano). (4) t y z As condições de contorno das partículas na direção são mostradas nas Equações 5 e 6. Similares condições eistem para as direções y e z. A condição inicial é apresentada na Equação k h L 2 (5) p sup (6) t 0 0 (7) A solução numérica das EDPs foi obtida por discretização das dimensões espaciais, erando um conjunto de equações diferenciais ordinárias uma para cada ponto de uma

4 emperatura do ás e isto (ºC) emperatura do isto (ºC) XXXVII ENEMP malha estabelecida na partícula que é então resolvido. A Fiura 4 apresenta resultados do modelo para uma temperatura de ás constante de 400 ºC, considerando partículas paralelepipédicas de dimensões 14cm7cm4cm (P1), 12cm6cm3cm (P2) e 9cm5cm3cm (P3). Fiura 4 - emperatura no centro e vértice de partículas paralelepipédicas epostas ao ás a 400 o C emperatura do isto (ºC) X empo (s) empo (s) Centro - P1 Centro - P2 Centro - P3 Vértice - P1 Vértice - P2 Vértice - P3 Como pode ser verificado na Fiura 4, as diferenças de temperatura entre o vértice e o centro das partículas paralelepipédicas tornam-se mais acentuadas para partículas com maior dimensão e são mais proeminentes no início do processo. 3.3 Balanço térmico na retorta emperatura homoênea nas partículas Este modelo matemático considera a troca térmica entre a corrente asosa e as partículas, e que não há radiente de temperatura no interior das partículas de isto. A corrente asosa está numa temperatura variável com calor específico constante c e a partícula está numa temperatura que varia ao lono do eio vertical da retorta. Os balanços de eneria do isto e do ás na retorta ao lono de um comprimento dz são dados pelas Equações 8 e 9. As condições de contorno são dadas pela Equação 10. z z h a At W c c h a At W c sup sup (8) (9) z 0 e s (10) Esses balanços de eneria são adequados para os casos de umidade de isto baia e pequena perda de material pela pirólise (teor de óleo baio). Caso contrário, são válidos apenas para a reião de aquecimento em que não há alterações nas vazões de isto e ás. A interação começa pelo topo da retorta, local em que a temperatura do ás de saída ( s ) é desconhecida, apesar de ser uma condição de contorno (Equação 10). Portanto, a solução requer que essa temperatura seja proposta e variada até que, pela interação até a base da retorta, a correta temperatura do ás na entrada (550 ºC) seja atinida. Os perfis de temperatura do ás e do isto são mostrados na Fiura 5. Resultados semelhantes foram obtidos por Melo e Lisbôa (2012). Fiura 5 - Perfil de temperatura do ás e do isto (partículas paralelepipédicas sem radiente térmico) na retorta emperatura do ás e isto (ºC) X Altura da Retorta (m) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 Altura da Retorta (m) Xisto - P1 Xisto - P2 Xisto - P3 Gás - P1 Gás - P2 Gás - P3 Como pode ser visto na Fiura 5, a temperatura da saída das partículas de isto é maior para a menor dimensão da partícula. A

5 emperatura do ás e isto (ºC) XXXVII ENEMP temperatura do ás na saída é tanto maior quanto maior a dimensão da partícula. Uma partícula maior necessita de maior eneria para se aquecer totalmente. 3.4 Balanço térmico na retorta emperatura heteroênea nas partículas Neste modelo matemático considerouse radiente de temperatura nas partículas de isto. A corrente asosa está numa temperatura variável, considerou-se calor específico constante c, e a superfície da partícula está numa temperatura sup que varia ao lono do eio vertical da retorta. As temperaturas em cada ponto interno das partículas de isto são dadas pela Equação 11, enquanto que a Equação 12 fornece o perfil de temperatura no ás. As condições iniciais estão presentes na Equação 13. t y z (11) h a At sup t W c (12) 0 s (13) Os perfis obtidos das temperaturas médias superficiais do isto e do ás ao lono do tempo de residência de 90 minutos na retorta estão apresentados na Fiura 6. Fiura 6 - Perfil de temperatura do ás e do isto (partículas paralelepipédicas com radiente térmico) na retorta emperatura do ás e isto (ºC) X empo (s) Analisando a Fiura 6, verifica-se que a temperatura na saída das partículas de isto é maior para a partícula de menor dimensão, enquanto que a temperatura do ás na saída é maior quando a dimensão da partícula é maior. Resultado análoo ao obtido para partículas de isto com temperatura homoênea em seu interior. Partículas menores conseuem se aquecer mais facilmente apresentando temperaturas maiores e, consequentemente, o ás cede maior eneria. 4 CONCLUSÕES Os proramas rediidos em linuaem FORRAN permitiram a obtenção de perfis de temperatura das partículas de isto e do ás ao lono da retorta de pirólise do processo Petrosi. Os valores obtidos se aproimam daqueles do módulo industrial eistente, capacitando o modelo como ferramenta para projetos e estudos da pirólise. Os dados industriais não são apresentados devido a um acordo de siilo. Valores de vazão e temperaturas foram baseados no processo industrial. O modelo, bem como a pirólise, é função de parâmetros, tais como: capacidade calorífica, massa específica e condutividade térmica do isto e do ás, bem como de parâmetros do leito, tais como porosidade. Para a malha tridimensional da partícula paralelepipédica se confirma a hipótese de que o núcleo aumenta sua temperatura mais lentamente do que a face eterna. Conseqüentemente, as temperaturas obtidas no vértice são as maiores da partícula. Além disso, nota-se que as variações da temperatura entre vértice e núcleo se reduzem com a diminuição das dimensões. 5 NOMENCLAURA empo (s) Xisto - P1 Xisto - P2 Xisto - P3 Gás - P1 Gás - P2 Gás - P3 a Razão: área part. e volume leito [m -1 ] Difusividade térmica [m 2 s -1 ]

6 A p, t Área total da superf. das part. [m 2 ] c Calor específico do ás [J k -1 K -1 ] c Calor específico do isto [J k -1 K -1 ] h Coef. de transferência de calor [J s -1 m -2 K -1 ] k Condutividade térmica [J s -1 m -1 K -1 ] Calor do ás [J] Calor do isto [J] t empo [s] emperatura do ás [K] emp. do ás na entrada [K] e s emperatura do ás na saída [K] sup emp. da superfície da partícula [K] e emperatura do isto na entrada [K] s emperatura do isto na saída [K] Velocidade do ás [m s -1 ] W Vazão mássica do ás [k s -1 ] We Vazão mássica do ás na entrada [k s -1 ] Ws Vazão mássica do ás na saída [k s -1 ] W Vazão mássica do isto [k s -1 ] We Vazão mássica do isto na entrada [k s -1 ] W s Vazão mássica do isto na saída [k s -1 ] emperatura do ás na saída [K] s 6 REFERÊNCIAS ALMEIDA, A. R. F. Investiação do mecanismo de desvolatilização de partículas de isto. Dissertação (Mestrado em Enenharia uímica) Universidade Estadual de Campinas, IEA (International Enery Aency). owards a more enery efficient future: applyin indicators to enhance enery policy. OECD, p. 9, Paris, França, LEVENSPIEL, O. Chemical Reaction Enineerin. New York: John Wiley & Sons. 3ª ed. p LISBÔA, A. C. L. Investiations on oil shale particle reactions. ese (Doutorado em Enenharia uímica) - he Faculty of Graduate Studies Chemical and Bio-Resource Enineerin, University of British Columbia: Vancouver, Canadá, MELO, L. P.; LISBÔA, A. C. L. Modelaem matemática do processo de pirólise de partículas de isto em um reator industrial. XIX Conresso Brasileiro de Enenharia uímica, Búzios, Brasil, MORAORI, C. C.; LISBÔA, A. C. L. ransferência de calor na zona de aquecimento de um leito móvel de isto. Dissertação (Mestrado em Enenharia uímica) Universidade Estadual de Campinas, PEROBRAS. Refinaria SIX Industrialização de Xisto. Disponível em: < Acesso em: Fev SCHIESSER, W. E. he Numerical Method of Lines. Academic Press SCHIESSER, W. E. Computational Mathematics in Enineerin and Applied Science: ODEs, DAEs and PDEs. CRC Press, Boca Ranton SCHÖN, J.H. Physical Properties of Rocks: Fundamentals and principles of petrophisics. Ed. Peramon. Cap. 8. p ONEL, G.; AFFAREL, S. R.; NOGUEIRA, J. O. C. Processamento do isto. Universidade Federal de Santa Maria: Departamento de Enenharia uímica, Centro de ecnoloia, Disponível em: <

7 mical_en_files/process_isto.htm>. Acesso em: Fev XXXVII ENEMP