5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS

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1 5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS TÍTULO DO TRABALHO: Simulação do craqueamento catalítico fluido de óleos pesados no interior de um riser AUTORES: Pablo Morelato Assunção (1), Fidel Fernandez Pereira (1), Fabio Bentes Freire (2), Oldrich Joel Romero (1) INSTITUIÇÃO: (1) Universidade Federal do Espírito Santo (UFES/CEUNES), (2) Universidade Federal do ABC Este Trabalho foi preparado para apresentação no 5 Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás 5 PDPETRO, realizado pela a Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás ABPG, no período de 15 a 22 de outubro de 2009, em Fortaleza CE. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comitê Científico do evento para apresentação, seguindo as informações contidas no documento submetido pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho, como apresentado, não foi revisado pela ABPG. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões da Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás. O(s) autor(es) tem conhecimento e aprovação de que este Trabalho seja publicado nos Anais do 5 PDPETRO.

2 SIMULAÇÃO DO CRAQUEAMENTO CATALÍTICO FLUIDO DE ÓLEOS PESADOS NO INTERIOR DE UM RISER Abstract Fluidized catalytic cracking (FCC) is a important options for the refine of heavy oil in products of commercial interest, as the gasoline or gás liquefeito de petróleo (GLP), with light chains. This process happens in a tubular reactor with acending flow (riser), where the heavy oil incontact with the catalyzer at hight tempertarure (500 C a 700 C), is cracked. Simultaneamente, ocorre também a deposição de coque na superfície do catalisador, causando a sua desativação. No regenerador, o coque depositado no catalisador é queimado, reativando-o e elevando sua temperatura para que ele possa retornar ao riser com energia suficiente para vaporizar a carga (formação do gasóleo). A modelagem e simulação de unidades FCC apresentam dificuldades pelo comportamento particular de suas partes constituintes e pelos diferentes tempos de residência em cada uma dessas partes. Em geral, modela-se separadamente o riser, o disengager e o regenerador, posteriormente suas contribuições no processamento final do óleo pesado são integradas em uma estrutura comum. O riser é um elemento de natureza cinética e fluidodinâmica, onde há um escoamento simultâneo e ascendente do gás-óleo e do catalisador de forma a gerar um refino inicial do insumo através de uma operação denominada craqueamento catalítico fluido. Ressalta-se a importância do estudo dos escoamentos de gás-óleosólido nos processos industriais, devido aos complexos sistemas de transporte e de segurança destes materiais. Atualmente, através de modelos experimentais e de técnicas nucleares modernas as medições dos parâmetros fluidodinâmicos nos escoamentos são obtidos sem interferência no processo, permitindo assim, um estudo mais realístico. O presente trabalho envolve a simulação numérica do comportamento dinâmico do riser, para tal considera-se o modelo de um reator tubular unidimensional, sem dispersão radial ou axial como aproximação. O comportamento fluidodinâmico do riser é descrito por um sistema de quatro equações, sendo este comportamento avaliado através das obtenções das velocidades e das frações volumétricas do gás e do catalisador sólido ao longo do riser. Em trabalhos futuros a obtenção do campo de temperatura será considerada. O código computacional utilizado foi implementado em Octave, um software livre e de sintaxe similar ao do MatLab. Dados experimentais existentes na literatura foram utilizados para validar o procedimento numérico. É conveniente destacar a importância da unidade FCC numa refinaria de petróleo, visto que nela se obtém produtos que serão comercializados com maior valor agregado. Portanto diversos estudos sobre seu funcionamento são realizados a fim de executar modificações para a otimização destas unidades. Keywords: FCC, riser, reator tubular unidimensional, gás-óleo, coque. Introdução Unidades de craqueamento catalítico fluido (FCC fluidized catalytic cracking) são formadas por três partes essenciais: o riser, o disengager e o regenerador. Estas unidades são responsáveis pelo processo de craqueamento do gasóleo e resíduos, que consiste na quebra das moléculas pesadas destes fluidos, por ação de um catalisador. No riser, o catalisador aquecido pelo processo de queima do coque, entra em contato com o gasóleo (ou outros resíduos provenientes de uma refinaria de petróleo) e ocorre a quebra de moléculas pesadas. Óleos pesados são compostos formados majoritariamente por

3 hidrocarbonetos de elevado peso molecular e são caracterizados por apresentarem alta viscosidade e dificuldade para escoar. Estudos, como os de Malladi e Otero-Schipper (1983) e Ali et al. (1997), demonstram que as reservas de óleos pesados são mais abundantes do que as de óleos leves, e que o refino desses óleos apresenta algumas complicações que elevam seu custo final. Unidades de FCC são uma opção viável para o refino do óleo pesado e sua transformação em produtos de interesse comercial, como a gasolina (GLN) e o gás liquefeito de petróleo (GLP), compostos por moléculas mais leves. A Fig. 1 representa um esquema, modificado de Han e Chung (2001), de uma unidade de FCC. A modelagem e simulação de unidades de FCC apresentam dificuldades pelo comportamento particular de suas partes constituintes e pelos diferentes tempos de residência em cada uma dessas partes. Inicialmente, modela-se separadamente o riser, o disengager e o regenerador para que depois suas contribuições no processamento final do óleo pesado sejam integradas em uma estrutura comum (Han e Chung, 2001). O riser é um elemento de natureza cinética e fluidodinâmica, onde há um escoamento simultâneo e ascendente do gás-óleo e do catalisador de forma a gerar um refino inicial do insumo. Por conseguinte, o riser pode ser modelado como um reator tubular (parâmetros distribuídos), usando a hipótese de que não há dispersão axial e radial. O comportamento fluidodinâmico do riser é descrito por um sistema de quatro equações, sendo este comportamento avaliado através dos perfis de distribuição de velocidade, concentração volumétrica e variação da pressão encontrada ao longo do riser (Farias, 2007). produtos para o fracionador regenerador ciclones disengager stripper vapor de stripping distribuidor de ar ar catalisador regenerado Catalisador riser gás-óleo Figura 1: Esquema de uma unidade de FCC. Por se tratar de um modelo de grande escala envolvendo um complexo processo hidrodinâmico e cinético, implementações analíticas e numéricas das unidades de FCC vem sendo desenvolvidas por diversos autores. Um modelo dinâmico para FCC foi apresentado por Han e Chung (2001) onde a dinâmica do riser é rápida o suficiente para justificar um modelo próximo do estado permanente. Ali e Rohani (1997) sugeriram um modelo dinâmico para o conversor FCC adotando um

4 regime pseudo-permanente descrito por equações diferencias ordinárias e soluções analíticas. Em um trabalho mais recente, Santos e Medronho (2007) consideraram o escoamento isotérmico e bifásico através do riser. Neste trabalho, o estudo de unidades de FCC é baseado em um modelo matemático existente na literatura (Farias, 2007) para o riser. O interesse dos estudos das unidades de FCC advém da sua importância em uma refinaria de petróleo, visto que nelas se obtêm produtos que serão comercializados com maior valor agregado. Metodologia Neste trabalho, foram realizadas simulações numéricas do comportamento fluidodinâmico de gás-solido através do riser, sendo este modelado como um reator tubular, uni-dimensional. O escoamento foi abordado como sendo em estado estacionário e isotérmico. As equações governantes foram obtidas através da aplicação da equação de conservação de massa, da equação da variação da fração volumétrica para ambas as fases e da equação de conservação da quantidade de movimento linear da mistura. O modelo e as considerações adotadas para o trabalho são baseados no trabalho de Farias (2007). Pela importância, estas considerações são aqui apresentadas: i) escoamento ocorrendo em regime permanente; ii) modelo unidimensional, em coordenadas cartesianas; não é considerada a variação da distribuição radial de sólido porque o riser tem diâmetro pequeno em relação ao seu comprimento; iii) fluido incompressível; iv) sem reações químicas; v) catalisador (fase sólida) descrito como sendo um meio contínuo; vi) sem atrito entre a parede do riser e o sólido; e vii) partículas sólidas com formato esférico. As equações básicas necessárias para a simulação são obtidas através da aplicação dos princípios de conservação. Para uma massa de gás se deslocando a uma velocidade temos du g U g dε g = (1) dz ε g dz onde é a velocidade da fase gasosa, é a coordenada na direção do riser e é a fração volumétrica da fase gasosa. A Conservação da massa para o sólido resulta em du U dε S S g = (2) dz ε S dz sendo é a velocidade da fase sólida e é a fração volumétrica da fase sólida. A equação da Conservação da Quantidade de movimento para a mistura retorna a seguinte relação (3) onde é a pressão da mistura do riser, é a massa específica da fase sólida, é a massa específica da fase gasosa, é a aceleração da gravidade, é a fator de atrito existente entre o gás e a parede do riser por unidade de volume, dada pela equação de Fanning como sendo

5 (4) o número de Reynolds para o gás com viscosidade dinâmica escoando no riser de diâmetro D, é obtido utilizando a seguinte expressão (5) A equação para a fração volumétrica do gás ao longo do riser foi deduzida por Malladi e Otero- Schipper (1983). Eles consideram as forças de sustentação e arraste das partículas quando a velocidade do sólido tenha atingindo um valor constante ao longo do riser (6) onde é a razão entre as velocidades do sólido e do gás na região de escoamento completamente desenvolvido. Resultados e Discussão As equações diferenciais que descrevem o modelo foram resolvidas através do método de Euler. Para a obtenção destes resultados ainda iniciais, foi considerada como uma primeira aproximação, o estado permanente para o escoamento no riser. Esta consideração pode ser realizada pelo fato de possuir uma dinâmica muito mais rápida que os outros componentes de uma unidade de FCC, como o regenerador. As condições de contorno consideradas para a resolução das equações foram: na entrada, pressão igual a 104,364 kpa e temperatura constante de 302 K. O comprimento e diâmetro do riser foram de 2,3 m e 0,032 m, respectivamente. Os gráficos apresentados nas Figs. 2 e 3 mostram a variação das velocidades do sólido e do gás ao longo do riser; note que as escalas das velocidades são diferentes e o comprimento do riser é adimensional. Na Fig. 2 observa-se uma região de aceleração de sólidos durante o comprimento inicial do riser, entretanto, esta velocidade tende a se tornar constante na região de escoamento completamente desenvolvido. De forma oposta ao comportamento dos sólidos, a fase gasosa sofre uma redução de velocidade ao longo da região de aceleração dos sólidos, após esta desaceleração, a região de escoamento completamente desenvolvido começa a prevalecer e a velocidade do gás se estabiliza em um valor que é 1,27 vezes maior que a velocidade de deslocamento dos sólidos.

6 Figura 2: Evolução da velocidade da fase sólida. Figura 3: Evolução da velocidade da fase gasosa. A variação da pressão ao longo da altura relativa do riser é apresentada na Fig. 4. Uma relação quase linear da queda de pressão é observada. Este gradiente de pressão é o fator responsável por ocasionar o fluxo ascendente da mistura. Figura 4: Variação da Pressão ao longo do riser. Os dois últimos resultados apresentados nas Figs. 5 e 6, foram obtidos da equação da variação da fração volumétrica do gás ao longo do riser e de sua equação complementar representada pela variação da fração volumétrica da fase sólida. Na parte inicial da altura relativa do riser, observa-se um diminuição da fração volumétrica da fase sólida (Fig. 5) e um aumento da fração volumétrica da fase gasosa (Fig. 6). Este comportamento compara-se muito bem com os resultados encontrados na literatura, e é explicado pelo fato de que as reações de quebra do gás-oléo em produtos mais leves (representados pela fase gasosa) e as reações de consumo do catalisador (representados pela fase sólida) ocorrem, majoritariamente, nos comprimentos iniciais do riser, ou seja, logo após a entrada dos reagentes no reator. Ainda, através da análise dos gráficos, pode-se observar uma semelhança entre o comportamento da variação das frações volumétricas de ambas as fases durante o regime de escoamento completamente desenvolvido, isto é, nesta região, a qual é caracterizada por uma maior diluição, as frações volumétricas das duas fases são praticamente constantes.

7 Figura 5: Evolução da fração volumétrica da fase sólida. Figura 6: Evolução da fração volumétrica da fase gasosa. Conclusões Os resultados iniciais obtidos utilizando o modelo apresentado em Farias (2007) mostraram-se bastante satisfatórios, apresentando coerência com os valores apresentados na literatura. Contudo, algumas informações relevantes para uma análise mais detalhada da fluidodinâmica de um riser são ignoradas devido às considerações utilizadas, como a hipótese de isotermia ao longo do reator. Isto porque, tal como já comentado, este trabalho está ainda em seu estágio inicial. Entretanto, em trabalhos futuros, pretende-se incluir os efeitos da cinética química e conseqüentemente será possível a obtenção do campo de temperatura assim como o balanço de massa para cada componente formado das reações de craqueamento gás-óleo, por exemplo gasolina, gases liquefeitos do petróleo e coque. Referências Bibliográficas ALI, H., ROHANI, S. e CORRIOU, P., Modeling and control of a riser type fluid catalytic cracking (FCC) unit, Trans ICHemE, vol. 75, pp , FARIAS, G. S. Análise da Sensibilidade do Modelo Fluidodinâmico de um riser através do formalismo diferencial pertubativo. 138 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) - Universidade Federal de Pernambuco, Recife HAN, I. S. e CHUNG, C. B., Dynamic modeling and simulation of fluidized catalytic cracking process. Part I: Process modeling, Chemical Engineering Science, vol. 56, pp , HAN, I. S. e CHUNG, C. B., Dynamic modeling and simulation of fluidized catalytic cracking process. Part II: Property estimation and simulation, Chemical Engineering Science, vol. 56, pp , MALLADI, M. P. H.; OTERO-SCHIPPER, F. J. An analysis of gas solid transport in small and large diameter riser reactor. Mobil Research & Develp. Corp., Research departament, March 2, SANTOS, F. P e MEDRONHO, R. A., Simulação numérica da fluidodinâmica de um riser de craqueamento catalítico. In: Anais do CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS (IV PDPetro), Campinas, SP, pp. 1-2, 2007.