SIMCRAQ OT UM SISTEMA AVANÇADO PARA A SIMULAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE FCC.

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1 SIMCRAQ OT UM SISTEMA AVANÇADO PARA A SIMULAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE FCC. Jacques Niederberger *, José Mozart Fusco, Eliane Areas Cid e Emanuel Freire Sandes PETROBRAS, Centro de Pesquisas e Desenvolvimento, Divisão de Engenharia Básica Industrial, jack@cenpes.petrobras.com.br. Resumo. Um simulador/otimizador do processo de craqueamento catalítico fluido é apresentado. Desenvolvido pela PETROBRAS, o sistema apresentou bons resultados em testes contra dados experimentais de várias unidades diferentes, numa larga faixa de condições operacionais. Este trabalho irá discutir os modelos matemáticos e as funçõesobjetivo disponíveis. Palavras-chave: Refino, craqueamento catalítico fluido, FCC, simulação de processos, otimização de processos. 1. INTRODUÇÃO O processo de craqueamento catalítico converte cortes pesados provenientes da destilação do petróleo (gasóleo e resíduos) em frações mais leves, principalmente gasolina e GLP (gás liquefeito de petróleo). O crescimento da indústria automobilística a partir da segunda década do século 20, e o conseqüente aumento da demanda por gasolina, impulsionou o desenvolvimento dos processos comerciais de craqueamento. Inicialmente baseados apenas em craqueamento térmico, os processos passaram a empregar catalisadores em leitos fixos, móveis ou fluidizados. Atualmente não se concebe uma refinaria sem o processo de craqueamento catalítico fluido, por dois motivos principais. Primeiramente, sua flexibilidade permite ajustar a produção de uma refinaria às reais necessidades do mercado local. O segundo aspecto é econômico, pois este processo transforma frações residuais, de baixo valor comercial, em derivados nobres de alto valor agregado, conferindo rentabilidade à unidade de refino (Abadie, 1985). O processo consiste na quebra de moléculas pesadas, presentes nos gasóleos e resíduos, por ação de um catalisador a base de sílica-alumina, em altas temperaturas. A ruptura das ligações possibilita o aparecimento de moléculas leves e um catalisador seletivo favorece o surgimento de moléculas na faixa de 3 a 12 átomos de carbono, resultando em elevados rendimentos em gasolina e GLP. As reações provocam também a formação, em menor escala, de gases leves (C1 e C2), gasóleos leve e pesado e coque, que se deposita na superfície do catalisador. A deposição de coque reduz a área disponível para a adsorção dos reagentes, desativando o catalisador. Para ter sua atividade restaurada, o catalisador inativado pelo coque é continuamente retirado do vaso de reação e enviado a um vaso de regeneração onde o coque é queimado, restabelecendo a atividade catalítica e fornecendo parte da energia necessária para as reações endotérmicas de craqueamento. Antes da regeneração, porém, existe uma * A quem toda a correspondência deve ser submetida

2 etapa de retificação, na qual os hidrocarbonetos aprisionados nos poros das partículas de catalisador são removidos por intermédio de uma corrente de vapor d água. O conjunto reator-regenerador é denominado conversor. Os gases efluentes do reator são encaminhados à seção de fracionamento, onde são separados em gás combustível, GLP, gasolina, óleo leve de reciclo e óleo decantado. (Abadie, 1985). Uma boa decisão de operação rentável em uma unidade de FCC envolve a compreensão precisa dos efeitos de modificações do hardware, da qualidade da(s) carga(s), do catalisador e das variáveis operacionais sobre o perfil de rendimentos e qualidade dos produtos, levando-se em conta as restrições operacionais da unidade. O meio mais efetivo de atingir este objetivo é através da modelagem matemática do processo de FCC. Com este objetivo foi desenvolvido pela companhia o SimCraq OT, um simulador estático destinado à avaliação, otimização e projeto de conversores de unidades de FCC. O desenvolvimento foi realizado dentro do Programa de Desenvolvimento de Tecnologia Estratégica de Refino - PROTER, programa FCC PETROBRAS para a conversão de resíduos. Antes mesmo da conclusão da fase de desenvolvimento, o SimCraq OT foi utilizado no projeto de três novas unidades de resíduo com tecnologia PAC RC (Petrobras Advanced Converter Residue Converter) e em diversas ampliações. O processo de craqueamento catalítico fluido apresenta elevada complexidade, resultante do alto grau de acoplamento entre a qualidade da carga, propriedades do catalisador, hardware da unidade, condições operacionais e produtos. O modelo utilizado incorpora as melhorias no processo de Craqueamento Catalítico realizadas ao longo de anos na companhia e o sistema atual integra o conhecimento de notória especialidade existente na Companhia, proveniente de diversos campos da tecnologia de FCC. A atual versão do sistema disponibiliza três tipos de serviços: simulação, ajuste de parâmetros e otimização. No serviço de simulação, a partir do conhecimento das características da carga, catalisador virgem e de equilíbrio, características geométricas da unidade e condições de operação, o simulador calcula os rendimentos e qualidades dos produtos. Estes cálculos envolvem complexa modelagem cinética e hidrodinâmica, contemplando grande número de processos unitários de transferência de massa e energia. O ajuste de parâmetros tem por objetivo adequar o modelo matemático à realidade de uma unidade industrial específica e é realizado através da minimização do erro entre variáveis medidas e calculadas, visando adequação simultânea do balanço térmico e da conversão. A otimização tem como principal objetivo a determinação das condições operacionais que garantam a máxima rentabilidade, sujeita às restrições da unidade. Alguns outros cenários estão disponíveis: maximização da produção de um determinado derivado (nafta, GLP, propeno), vazão máxima de carga e máxima conversão, por exemplo. 2. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA 2.1 Características do modelo matemático O modelo matemático disponível no SimCraq OT incorpora o conhecimento proveniente de diversos campos da tecnologia de FCC. Na área de simulação, entre inúmeras contribuições, destacamos o simulador de reação e regeneração desenvolvido a partir das informações do programa de transferência de tecnologia com a M. W. Kellogg (Moura e Oddone, 1984), o modelo de regenerador de Peres (1989) e os trabalhos de Odloack (1985) e

3 Magalhães et al. (1989). Na área de estimação de parâmetros os trabalhos de De Oliveira (1987) e Martignoni (1990). No campo da otimização, o trabalho pioneiro de Herrmann (1994) de acoplamento de um otimizador ao simulador de FCC. O programa contempla ainda os sistemas PASS - Petrobras Advanced Separation System (Fusco et al., 1993, 1995, 1997) e Isocat (Ramos, 1997), patenteados pela PETROBRAS. O sistema integra o riser, vaso do reator, retificador e regenerador em um laço de convergência do balanço térmico. As reações de craqueamento catalítico são endotérmicas, e a energia necessária para a reação é proveniente da queima do coque no regenerador de catalisador. A previsão correta do rendimento de coque e a modelagem adequada desse processo de regeneração são indispensáveis para a fiel representação das condições operacionais e para a determinação das temperaturas de fase densa e diluída e da mistura carga/catalisador. Uma outra característica do sistema é que ele possui um algoritmo robusto para o cálculo do flash adiabático da mistura carga-catalisador na base do riser. Este algoritmo é necessário porque as unidades de FCC da PETROBRAS processam correntes consideravelmente mais pesadas do que o gasóleo padrão, e a tendência é o processamento de cargas cada vez mais pesadas. Esse fato faz com que a vaporização da carga, ao entrar em contato com o catalisador proveniente do regenerador, não se dê de forma completa. A parcela não vaporizada da carga sofre craqueamento térmico, formando gás e coque. Para que o simulador reproduza adequadamente esse efeito, é indispensável o cálculo das condições térmicas da mistura carga/catalisador, levando em conta, ainda, os inertes arrastados pelo catalisador, os vapores de pré-aceleração e dispersão e a eventual injeção de água no riser. Com vários métodos disponíveis para os cálculos de rendimentos de nafta, gás e coque e do calor de craqueamento, o modelo foi sendo desenvolvido sob medida para a simulação das unidades Petrobras, que envolvem distintas geometrias e processam cargas com características consideravelmente diferentes. O modelo matemático para a conversão no riser foi desenvolvido a partir da adaptação de modelos consagrados à realidade dos petróleos processados pela PETROBRAS. Ao longo dos últimos anos as cargas foram se tornando cada vez mais pesadas, e o modelo foi continuamente adaptado para levar em conta este efeito. O modelo do retificador é convencional, podendo existir um ou dois estágios de retificação. O regenerador é modelado através das reações de combustão do coque. 2.2 Características da interface SimCraq OT foi desenvolvido para ambiente Windows 95 e NT da Microsoft, usando as facilidades de interface gráfica do ambiente, similares ao Windows Explorer. As características gráficas do ambiente Windows foram bastante exploradas, tais como uso intensivo do mouse, uso de ícones diferenciados para os diversos itens de informação e recursos de arraste (drag and drop). A entrada de dados do programa foi estruturada em três divisões naturais: geometria, carga e catalisador. As três seções se baseiam em banco de dados com as geometrias, cargas e catalisadores normalmente utilizados nas unidades da companhia. O sistema já tem prédefinidas as características geométricas de todas as unidades de Craqueamento Catalítico das refinarias da PETROBRAS. Possui ainda recursos de conversão de unidades e possibilidades de realizar misturas de cargas.

4 3. ESTUDO DE CASO Serão apresentados agora resultados práticos de sintonia e otimização de uma unidade de FCC. A sintonia consiste no ajuste de alguns parâmetros do modelo, para que a simulação reproduza fielmente os dados operacionais. Após a sintonia, podem ser feitas as otimizações contemplando vários cenários. As variáveis operacionais estão listadas a seguir. Tabela 1. Variáveis operacionais carga gasóleo mistura de gasóleo Cabiúnas (70% em volume) e óleo desasfaltado, 18,15 o API, ponto de ebulição médio volumétrico: 418 o C. catalisador Centurion (F.C.C. SA) vazão de carga gasóleo, m 3 /dia temperatura da carga gasóleo, o C 243 temperatura do riser de gasóleo, o C 548 O fornecimento das variáveis acima é feito através dos seguintes diálogos: Figura 1. Tela inicial do simulador

5 Figura 2. Tela de configuração Figura 3. Dados do riser de gasóleo

6 A sintonia pode ser feita por intermédio de até seis parâmetros: Parcela aditiva de coque : Representa a porcentagem que se deve acrescentar ao rendimento de coque calculado, % mássica em relação à carga fresca. Correção do fator de carga (feedstock factor, mede a craqueabilidade da carga) : Representa o erro de determinação do fator de carga decorrente das análises de laboratório, da inadequação do método à carga ou operação da unidade fora da validade dos modelos. Correção do calor de reação no riser de gasóleo : Corrige o valor calculado pelo método determinado de calor de reação. Este parâmetro deve ser utilizado apenas em casos excepcionais, quando do não atendimento do balanço térmico com o conjunto mínimo de parâmetros. Correção da razão CO2/CO : Correção do erro da determinação cromatográfica desta razão decorrente de falha de amostragem ou amostra obtida em transiente. Raramente utilizado. Correção da eficiência de retificação : Na prática representa a correção do coeficiente de equilíbrio do retificador, do valor default ou fornecido pelo usuário. O conjunto mínimo de parâmetros a serem ajustados é: Parcela aditiva de coque, Correção do fator de carga e Correção da eficiência de retificação. Na maior parte dos casos estes parâmetros são suficientes para um bom ajuste. A seleção do parâmetro a ser ajustado é feita selecionando com o botão esquerdo do mouse sobre a caixa à esquerda da descrição do parâmetro. Figura 4. Dados do ajuste de parâmetros As variáveis operacionais que se deseja reproduzir estão listadas na tabela abaixo, onde são mostrados também os valores calculados pelo simulador ao final do ajuste de parâmetros.

7 Tabela 2. Variáveis independentes variável valor medido valor calculado Temperatura de fase densa do regenerador, o C 721,0 721,4 vazão de ar para o regenerador, knm 3 /h 194,9 189,7 Conversão, % mássica 71,6 71,3 Rendimento de coque, % mássica 6,71 6,64 A cada variável a ajustar corresponde um peso. Um peso unitário para uma determinada variável indica que se tem a máxima confiança naquela variável. Pesos maiores que um indicam confiança menor. Figura 5. Tela de fornecimento das variáveis ajustadas Após o fornecimento dos dados de entrada, dispara-se o processo de ajuste de parâmetros, obtendo-se os resultados a seguir para as variáveis ajustadas. As variáveis otimizadas (parâmetros do modelo) obtidas foram: parcela aditiva de coque: 0,9296. correção do fator de carga: -15,3055. correção da eficiência de retificação: 0,1567.

8 Figura 6. Resultados do ajuste de parâmetros variáveis ajustadas Com a unidade sintonizada, podem-se efetuar as otimizações. A função objetivo e as variáveis independentes são definidas nas telas a seguir. Figura 7. Seleção de variáveis independentes na otimização

9 Figura 8. Seleção da função-objetivo Disparado o cálculo, obteve-se o maior valor possível para a conversão, dentro das restrições operacionais da unidade, que foi de 72,7% em base mássica. Para as variáveis independentes, obtiveram-se os seguintes valores: Figura 9. Valores finais para as variáveis independentes

10 4. CONCLUSÕES O sistema simulador/otimizador do processo de FCC integra o acervo tecnológico da Companhia, proveniente de diversos campos da tecnologia de FCC. Consiste em uma ferramenta diferenciadora da PETROBRAS nesta área. Sua aplicação, tanto em nível do projeto básico quanto em nível de acompanhamento operacional nas refinarias pode ajudar a consolidar a posição da empresa nesta tecnologia de refino. O modelo é de fácil sintonia e se adaptou bastante bem a várias geometrias e cargas de características diferentes. O potencial de ganho com a utilização desta ferramenta nas refinarias da empresa, apenas na otimização das condições operacionais, é da ordem de US$ 16 milhões anuais (Fusco et al., 1999), o que a torna indispensável ao desenvolvimento de tecnologia, projeto e acompanhamento das unidades de craqueamento catalítico fluido. REFERÊNCIAS Abadie, E., Craqueamento Catalítico, apostila do Curso de Engenharia de Processamento da Petrobras, De Oliveira, Laura Lopes Estimação de parâmetros e avaliação de modelos de craqueamento catalítico, COPPE/UFRJ, Tese de M. Sc. em Engenharia Química, Rio de Janeiro, março de Fusco, J.M., Ramos, J.G.F., Vieira, V.N., Guerra, E.C. de M., Sistema para Separar Suspensões de Partículas de Catalisador e Mistura Reagida de Hidrocarbonetos e Processo de Craqueamento Catalítico, pedido de invenção PI , 13/09/1993. Fusco, J.M., Ramos, J.G.F., Vieira, V.N., Guerra, E.C. de M., System to Separate Suspensions of Catalyst Particles and Reacted Mixture of Hydrocarbons, U.S. Pat , 15/mar/1995. Fusco, J.M., Ramos, J.G.F., Vieira, V.N., Guerra, E.C. de M., Catalytic Cracking Process for Hydrocarbons U.S. Pat , 09/set/1997. Fusco, J.M., Sandes, E.F., Cid, E.A., Niederberger, J., Oliveira, S.L., Karam, J.E.C, Lundgren, T., Santos, G.M.D., Comunicação Técnica DIPRIN/SEPROJ n 023/99, setembro Herrmann, Cláudio C. Junior, Simulador estático de FCC, Curso Modular de Conversores, Publicação interna, Magalhães, M. V. de Oliveira, Moro, Lincoln, F. L. e Nascimento, M. Luiz Documentação do simulador de FCC, Especialização em modelagem matemática, simulação e controle de processos, curso PETROBRÁS/USP, maio de1988 a junho de1989, relatório interno. Martignoni, Waldir P. Desenvolvimento de tecnologia de FCC, simulação de UFCC Superintendência da Industrialização do Xisto, São Mateus do Sul Pr, relatório interno, outubro de Moura, Carlos A. Dantas e Oddone, R. - Programa Conversor, Manual do Usuário, relatório interno, setembro Odloak, Darci, Simulação de um reator de craqueamento catalítico de gasóleo, Relatório interno PETROBRÁS, fevereiro de 1985 Peres, Wagner Brod Modelagem matemática de regeneradores industriais de catalisadores de craqueamento catalítico em leito fluidizado, COPPE/UFRJ, Tese de M. Sc. em Engenharia Química, Rio de Janeiro, abril de Ramos, J.G.F., Fusco, J.M., Bampi, M.J., Sandes, E.F., Barros, F.C.C., Medeiros, J., Santos, C.F.M., Dubois, A.M., Zech, I.A., Einsfeldt, M., Rocha, M.C.S., Processo para o Craqueamento Catalítico de Cargas Pesadas, pedido de invenção PI , 17/07/1997.

11 SIMCRAQ OT - AN ADVANCED SYSTEM FOR THE FCC PROCESS SIMULATION AND OPTIMIZATION. Jacques Niederberger *, José Mozart Fusco, Eliane Areas Cid and Emanuel Freire Sandes PETROBRAS, Research and Development Center, Industrial Basic Engineering Division. Abstract. A FCC process simulator/optimizator is presented. Developed by PETROBRAS, the system has been tested with good results against experimental data of several different units, in a wide range of operational conditions. This work will discuss mainly the mathematical models and the objective functions available. * To whom all correspondence should be addressed