OTIMIZAÇÃO DO PERÍODO DE LIMPEZA DE TROCADORES DE CALOR UTILIZADOS NO REFINO DE PETRÓLEO

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS DE CURITIBA DEPARTAMENTO DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA E DE MATERIAIS - PPGEM MÁRCIO MADI OTIMIZAÇÃO DO PERÍODO DE LIMPEZA DE TROCADORES DE CALOR UTILIZADOS NO REFINO DE PETRÓLEO CURITIBA 2005

2 MÁRCIO MADI OTIMIZAÇÃO DO PERÍODO DE LIMPEZA DE TROCADORES DE CALOR UTILIZADOS NO REFINO DE PETRÓLEO Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica e de Materiais, do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, do Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação, da Unidade de Curitiba, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Orientador: Prof. Cezar O. R. Negrão, PhD CURITIBA 2005

3 TERMO DE APROVAÇÃO MÁRCIO MADI OTIMIZAÇÃO DO PERÍODO DE LIMPEZA DE TROCADORES DE CALOR UTILIZADOS NO REFINO DE PETRÓLEO Esta Dissertação foi julgada para a obtenção do título de mestre em engenharia, área de concentração em engenharia térmica, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais. Prof. Silvio Luiz de Mello Junqueira, DSc. Coordenador de Curso Banca Examinadora Prof. Cezar O. R. Negrão, PhD UTFPR Prof. Ricardo Augusto Mazza, Dr.Eng. UFPR Prof. Admilson Teixeira Franco, Dr.Eng. UTFPR Prof. Luciano F. dos S. Rossi, Dr.Eng. UTFPR Curitiba 2005

4 iv Esta dissertação é dedicada às pessoas que amo muito: à minha noiva Karin que compreendeu a importância deste momento na minha vida, a meus pais, Nabil e Carmen, pelo amor, incentivo e confiança, a meus irmãos pela ajuda de toda uma vida.

5 v AGRADECIMENTOS ao professor Cezar Otaviano Ribeiro Negrão, pela oportunidade pelos conhecimentos passados, pela ajuda, pelo incentivo e pela amizade, ao CNPq e ao FINEP pela ajuda financeira através de bolsa e projetos, à ANP através do Programa de Recursos Humanos para o setor de Petróleo e Gás (PRH), ao Departamento Acadêmico de Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, ao Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT) pela utilização de toda a infraestrutura e equipamentos, aos professores do Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT) e demais professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais que contribuíram na realização desta dissertação, à todos meus amigos.

6 vi RESUMO A deposição de impurezas, materiais orgânicos, compostos metálicos e partículas pesadas do petróleo nas superfícies de um trocador de calor podem resultar em incrustação. O problema relacionando incrustação em trocadores de calor e a perda de eficiência no processo vem sendo motivo de vários estudos. Segundo Bott (1995), um grande estudo, publicado em 1981, fornece valores de despesa adicional de energia devido à presença das incrustações. A estimativa é de que nos Estados Unidos, em 1993, este gasto adicional ficou entre 2 e 3 milhões de dólares para uma refinaria com capacidade de 10 mil barris de petróleo por dia. Segundo a American Petroleum Institute (API, 1999), um dos desafios da indústria de petróleo nas próximas décadas é a melhoria na eficiência energética do processo de refino do petróleo. O processo de incrustação nos trocadores de calor do pré-aquecimento do petróleo é uma grande barreira a ser vencida nesta área. O presente trabalho visa apresentar uma metodologia com propósito de identificar parâmetros técnicos através da resolução de equações que permitam encontrar valores seguros para as temperaturas de saída, quantidade de calor trocado, efetividade e resistência térmica da incrustação dos trocadores. Desta forma, pode-se fazer a modelagem de uma rede de trocadores de calor e otimizar o período de limpeza desta rede empregando o modelo. Para isso, são utilizados dados coletados em campo, de uma rede de trocadores de calor, que são comparados com os resultados obtidos por um programa de simulação desenvolvido para este estudo. Além disso, esta metodologia procura a possibilidade de estender este estudo para uma rede completa de trocadores de calor com configuração diferente da analisada no presente trabalho. Palavras chave: Trocadores de calor, incrustação, otimização

7 vii ABSTRACT The deposition of impurities, organic materials, metallic composites and heavy particles of the crude oil in the surfaces of a heat exchanger characterizes the fouling. The problem relating fouling in heat exchangers and the loss of efficiency in the process have been the reason of many studies. According to Bott (1995), a great study, published in 1981, supplies values of additional expenditure of energy due to the presence of the fouling. The estimate is that in the United States, in 1993, this additional expense reached between 2 and 3 millions of dollars for a refinery with a capacity of 10 thousand barrels of oil per day. In addition, according to the American Petroleum Institute (API, 1999), one of the challenges of the oil industry in the next decades will be the improvement of the energy efficiency of the oil refining process. The fouling process in the heat exchangers during the oil preheating stage is a great barrier to be eliminated in this area. The present paper aims to present a methodology with the intention to identify technical parameters through the resolution of equations that allow to find safe values for the exit temperatures, amount of exchanged heat, effectiveness and thermal resistance of the fouling in the heat exchangers. This way, the period of cleanness of heat exchangers network can be made the modeling of this network and be optimized using the model. To do that, it is used data from a network of heat exchangers collected in the field, which is compared to the results gotten from simulation program developed for this study. Moreover, this methodology looks for the possibility of extending this study to a complete network of heat exchangers with different configuration when compared to the one analyzed in the present dissertation. Keywords: Heat exchangers, fouling, optimization

8 viii SUMÁRIO RESUMO......vi ABSTRACT...vii LISTA DE FIGURAS...x LISTA DE TABELAS...xiii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...xiv LISTA DE SÍMBOLOS...xv ÍNDICES...xvii 1 Introdução Pré-aquecimento Incrustação Custos relacionados à incrustação Objetivo do trabalho Revisão Bibliográfica Trocadores de Calor Modelos de incrustação Monitoramento do desempenho térmico de trocadores de calor Despesa adicional com perda do desempenho térmico em trocadores de calor Simulação de uma rede de trocadores de calor Otimização de uma rede de trocadores de calor O presente trabalho Resistência térmica da incrustação e índice de incrustação Resistência térmica da incrustação Metodologia de Jerónimo et al. (1997) Comparação entre IF e a resistência térmica da incrustação...43

9 ix Resistência da incrustação Índice de incrustação Metodologia proposta para o cálculo da resistência de incrustação Correlação entre a resistência térmica da incrustação e o índice de incrustação Modelagem da rede Modelo matemático Solução das equações Simulação Verificação do modelo Potencialidades do modelo Resultados da simulação para o estudo de caso Período único de limpeza para a rede do estudo de caso Otimização Função objetivo Método de otimização Estudo de caso Duas paradas para limpeza Influência do índice de incrustação (IF) no período ótimo de limpeza Influência do período ótimo de limpeza dos trocadores de calor no período ótimo de limpeza de um trocador de calor da rede Conclusão Recomendações para trabalhos futuros...99 Referências...100

10 x LISTA DE FIGURAS Figura 1. Rede de trocadores de calor analisada Figura 2. Resistência térmica da incrustação do trocador de calor TC Figura 3. Resistência térmica da incrustação do trocador de calor TC Figura 4. Resistência térmica da incrustação do trocador de calor TC Figura 5. Índice de Incrustação para o trocador de calor TC Figura 6. Índice de Incrustação para o trocador de calor TC Figura 7. Índice de Incrustação para o trocador de calor TC Figura 8. Comparação entre a resistência térmica da incrustação com o seu valor correspondente estimado para o trocador TC Figura 9. Comparação entre a resistência térmica da incrustação com o seu valor correspondente estimado para o trocador TC Figura 10. Comparação entre a resistência térmica da incrustação com o seu valor correspondente estimado para o trocador TC Figura 11. Algoritmo de solução das equações...59 Figura 12. Rede de trocadores de calor considerados na simulação Figura 13. Temperatura de saída do petróleo do trocador de calor TC Figura 14. Temperatura de saída do petróleo do trocador de calor TC Figura 15. Temperatura de saída do petróleo da rede de trocadores de calor...65 Figura 16. Temperatura de saída do petróleo da rede de trocadores de calor...66 Figura 17. Calor trocado pelo petróleo na rede de trocadores de calor...67 Figura 18. Temperatura de saída do cru do trocador de calor TC Figura 19. Temperatura de saída do cru do trocador de calor TC Figura 20. Temperatura de saída do cru do trocador de calor TC Figura 21. Temperatura de saída do cru do trocador de calor TC Figura 22. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente ao trocador de calor TC

11 xi Figura 23. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente ao trocador de calor TC Figura 24. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente ao trocador de calor TC Figura 25. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente ao trocador de calor TC Figura 26. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente à rede Figura 27. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente à rede, acumulada no período...75 Figura 28. Despesa extra acumulada com combustível queimado nos fornos da rede, referente à limpeza do trocador de calor TC-05 ao longo de 36 meses...77 Figura 29. Despesa extra acumulada com combustível queimado nos fornos da rede, referente à limpeza do trocador de calor TC-07 em diferentes datas de limpeza...77 Figura 30. Despesa extra acumulada com combustível queimado nos fornos acumulado da rede em diferentes datas de limpeza do trocador de calor TC-07, dado que o trocador de calor TC-05 foi limpo no décimo oitavo mês Figura 31. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente à rede, considerando a limpeza dos trocadores de calor TC-05 e TC-07 no décimo oitavo mês Figura 32. Despesa extra acumulada com combustível a ser queimado nos fornos referente à rede, considerando a limpeza dos trocadores de calor TC-05 e TC-07 no décimo oitavo mês Figura 33. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente à rede, considerando a limpeza dos trocadores de calor TC-05, TC-06 e TC-07 no décimo oitavo mês...82 Figura 34. Despesa extra acumulada com combustível a ser queimado nos fornos referente à rede, considerando a limpeza dos trocadores de calor TC-05, TC-06 e TC-07 no décimo oitavo mês....83

12 xii Figura 35. Despesa extra com combustível a ser queimado nos fornos referente à rede, considerando a limpeza dos trocadores de calor TC-04, TC-05, TC-06 e TC-07 no décimo oitavo mês Figura 36. Despesa extra acumulada com combustível a ser queimado nos fornos referente à rede, considerando a limpeza dos trocadores de calor TC-04, TC-05, TC-06 e TC-07 no décimo oitavo mês...85 Figura 37. Rede de trocadores de calor considerados na otimização Figura 38. Data ótima de limpeza dos trocadores de calor para a parada de um trocador de cada vez...90 Figura 39. Datas ótimas de limpeza dos trocadores de calor para duas paradas Figura 40. Período ótimo de limpeza dos trocadores de calor para uma parada com influência da variação do índice de incrustação...94 Figura 41. Período ótimo de limpeza do trocador de calor TC-05, para uma parada, dado que os demais trocadores foram limpos em seus respectivos períodos ótimos....96

13 xiii LISTA DE TABELAS Tabela 1. Produtos, área de troca térmica e resistência térmica da incrustação de projeto para os trocadores de calor da rede analisada....89

14 xiv LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS API cru LMTD MINLP REPAR TC TEMA American Petroleum Institute combinação de vários tipos de petróleo diferença de temperatura média logarítmica programação não linear inteira mista Refinaria Presidente Getúlio Vargas trocador de calor Tubular Exchanger Manufactures Association

15 xv LISTA DE SÍMBOLOS ε NTU UA IF R f U A m c p T F t Q R h a b efetividade do trocador de calor número de unidades de transferência de calor condutância térmica do trocador índice de incrustação resistência térmica da incrustação em um trocador de calor coeficiente global de transferência de calor área de transferência de calor fluxo de massa calor específico do fluido temperatura fator de correção da temperatura calor transferido pelo trocador de calor razão entre a mínima e a máxima temperatura coeficiente de convecção dependência do coeficiente de convecção em relação à vazão mássica devido ao escoamento interno dependência do coeficiente de convecção em relação à vazão mássica devido ao escoamento externo T variação de temperatura J c fator de correção que leva em consideração o escoamento pela janela das chicanas J l fator que considera os vazamentos entre chicana-casco e chicana-tubo J b fator de correção que inclui o efeito dos desvios de fluxo pela folga entre o feixe de tubos e o casco J s fator de correção que avalia o efeito do espaçamento das chicanas nas seções de entrada e saída do casco

16 xvi J r fator de correção para escoamento com número de Reynolds < 100 Nu número de Nusselt Re i número de Reynolds Pr i número de Prandtl K condutividade térmica do fluido ρ i massa específica do fluido µ i viscosidade dinâmica do fluido na temperatura do meio fluido µ w viscosidade dinâmica do fluido na temperatura da parede do tubo V i velocidade média do fluido nos tubos d i diâmetro interno dos tubos t tempo CAC despesa adicional com combustível a ser queimado nos fornos CGC custo unitário do combustível CT custo total CAC despesa adicional com combustível a ser queimado nos fornos CTP custo total de parada para limpeza

17 xvii ÍNDICES f trocador sujo cl trocador limpo c corrente fria h corrente quente 1 entrada do trocador 2 saída do trocador m valores medidos max valores máximos i lado interno dos tubos o lado externo dos tubos p valor estimado d valor de projeto e valor estimado para resistência térmica cruz escoamento cruzado L condição da rede limpa S condição da rede suja r rede

18 18 1 Introdução A deposição de impurezas, compostos metálicos e demais partículas pesadas do petróleo nas superfícies de um trocador de calor caracteriza a incrustação. O problema relacionando incrustação em trocadores de calor e perda de eficiência no processo vem sendo motivo de vários estudos. Sendo assim, não poderia ser diferente no refino de petróleo, principalmente no pré-aquecimento do cru (combinação de vários tipos de petróleo). Isto ocorre devido aos altos custos relacionados à perda de energia no aquecimento do petróleo. A análise da incrustação torna-se algo complicado quando observado a origem desta incrustação. Isto se dá devido aos diferentes tipos de petróleo encontrados em todo o mundo. Segundo Speight (1998), a composição química do petróleo não é algo fácil de se estabelecer, e é dependente de vários fatores, tais como, percentual de elementos metálicos, concentração de hidrocarbonetos e outros. As características dos poços também têm sua parcela de influência. Localização continental e profundidade podem diferenciar a qualidade do petróleo. Entretanto, pela dificuldade de se refinar o petróleo pesado e óleos betuminosos, tem ocorrido uma evolução no estudo da composição química do petróleo ao longo dos anos. Infelizmente, o petróleo não é composto somente de hidrocarbonetos. Segundo Speight (1998), os compostos orgânicos de Nitrogênio, Enxofre e Oxigênio, juntamente com os organometálicos, estão presentes e dificultam o refino do petróleo. Exemplo disso são os componentes sulfurados, tais como as mercaptanas, sulfídricos e ciclosulfídricos que têm grande influência na dificuldade de processar o petróleo. Speight (1998) mostra que quanto maior o teor de Enxofre maior é a viscosidade e menor o grau API (American Petroleum Institute). Isto representa uma maior dificuldade de aquecimento e maiores problemas com a deposição de partículas orgânicas. Da mesma forma, tem-se o comportamento do Nitrogênio influenciando a viscosidade e a deposição de matéria orgânica. A quantidade de compostos metálicos no petróleo, segundo Speight (1998), influencia diretamente no processamento, principalmente no craqueamento catalítico.

19 19 As pequenas quantidades de Ferro e Cobre usualmente encontradas têm pouco efeito, entretanto as quantidades de Níquel e Vanádio, que não são tão pequenas assim, poderão influenciar negativamente no processamento do petróleo. Quanto maior for a quantidade destes elementos, maior será a formação de gases e coque, podendo assim diminuir o aproveitamento para produção de produtos como gasolina. Para uma análise inicial e simplificada, pode-se dizer que um bom petróleo para o refino e aproveitamento dos combustíveis deve ser rico em hidrocarbonetos e ter baixo nível de compostos organometálicos, e desta forma um alto grau API. 1.1 Pré-aquecimento O processo de destilação tem início com o bombeamento do petróleo (cru) através de uma rede de trocadores de calor. Durante o aquecimento do cru, ocorre simultaneamente o resfriamento dos produtos que deixam as torres de destilação. Este conjunto de trocadores de calor é chamado de rede de pré-aquecimento. O pré-aquecimento se dá em duas etapas, sendo que após a primeira etapa o cru passa por um equipamento chamado dessalgadora, com o objetivo de remover sais, água e partículas sólidas suspensas no petróleo. Depois de passar pela dessalgadora, o petróleo segue para uma segunda etapa de pré-aquecimento. Após passar pela rede de pré-aquecimento, o cru é aquecido em fornos para obter a temperatura necessária à destilação atmosférica. Desta forma, quanto maior for a temperatura do cru na saída da rede de pré-aquecimento, menor vai ser o consumo de combustível nos fornos.

20 Incrustação Desde o primeiro momento de funcionamento de um trocador de calor, inicia-se a formação da incrustação. Devido às variações de temperatura e principalmente das propriedades físico-químicas dos fluidos de trabalho, tem-se sempre uma taxa de formação para cada condição de operação. Segundo Kern and Seaton (1959), a taxa de formação da incrustação pode ser definida como uma simples diferença entre a taxa de deposição e a taxa de remoção. Dentre os principais mecanismos de formação da incrustação, Bott (1995) relacionou: Deposição de partículas: Neste mecanismo, tem-se uma grande influência da geometria, pois a deposição se dá pela atuação da força da gravidade. Entretanto, não é verificada de forma acentuada quando a velocidade do escoamento é alta. Cristalização: Este mecanismo está diretamente ligado à temperatura de trabalho. Através do aumento ou diminuição da temperatura pode-se atingir insolubilidade, e assim ocorrer uma cristalização de sais. No refino do petróleo, tem-se a passagem da carga (mistura de vários tipos de petróleo) pelos trocadores antes da torre de destilação. O pré-aquecimento do cru (carga) acontece em duas etapas: uma antes e outra após as dessalgadoras. O objetivo das dessalgadoras é retirar boa parte dos sais presentes no petróleo. Estes sais podem ter sua insolubilidade originada pelo aumento ou diminuição da temperatura, o que complica o controle da cristalização. Solidificação da incrustação: Quando se tem a incrustação, geralmente no estado líquido se movimentando dentro do trocador, poderá ocorrer a solidificação desta incrustação na parede do trocador. Incrustação devido à corrosão: Este processo pode ser iniciado pela presença de impurezas ou mesmo pela reação natural dos compostos de oxigênio e hidrogênio. A deterioração e perda de material em um ponto da tubulação seguida pela deposição deste material em outro ponto representa a formação da incrustação devido à corrosão. Formação de incrustação por reação química: Este mecanismo não é uma exclusividade das refinarias. Indústrias químicas e de processamento de alimentos

21 21 também podem ter este tipo de problema. A deposição dos asfaltenos, oxidação dos óleos lubrificantes, formação de coque durante o craqueamento de hidrocarbonetos leves, formação de lama e deposição de produtos de carvão são as possíveis reações que conduzem à deposição. No caso da formação de lama, tem-se como resultado da, reação química um polímero geralmente insolúvel. Nos demais casos, têm-se como resultado a deposição do coque, ácidos orgânicos e mais freqüentemente grandes moléculas de produtos pesados. Crescimento biológico nas superfícies do trocador de calor: Este mecanismo de formação é usualmente identificado quando se trabalha com sistemas aquosos e temperaturas próximas à temperatura ambiente. A presença de material biológico na superfície dos trocadores de calor pode promover outros mecanismos de formação da incrustação. É comum encontrar oxidação junto ao crescimento biológico nas superfícies de trocadores. 1.3 Custos relacionados à incrustação Segundo Bott (1995), um grande estudo, publicado em 1981, fornece valores de despesa adicional de energia devido à presença das incrustações. A estimativa é de que só nos Estados Unidos, em 1993, este gasto adicional ficou entre 2 e 3 milhões de dólares para uma refinaria com capacidade de 10 mil barris de petróleo por dia. Assim fica claro a importância de se combater este problema nas formas preventivas e corretivas. No primeiro caso, pode-se utilizar aditivos misturados ao petróleo para prevenir a incrustação, enquanto que as paradas programadas para limpeza dos trocadores de calor são realizadas para corrigir o problema. Quanto às despesas adicionais na manutenção de uma bateria de trocadores de calor incrustada, pode-se destacar: o investimento adicional em equipamentos, os custos adicionais de operação, a perda de produtividade e o custo de ações remediadoras. Com relação aos investimentos adicionais de equipamentos, a grande vantagem de ter um trocador trabalhando em regime de espera (stand-by) é a de não consumir

22 22 combustível em excesso quando ocorrer uma parada para limpeza. Entretanto a aquisição deste trocador majora significativamente o projeto. Sendo assim, existe a necessidade de uma análise mais apurada durante o projeto, no que diz respeito à área de transferência de calor do trocador. A presença da incrustação é sem dúvida uma das causas do aumento dos custos de manutenção. A prova disso é a necessidade de paradas para limpeza. No entanto, os maiores custos relacionados com à incrustação e cuidados com a operação estão na utilização de agentes anti-incrustação. Estes agentes e as substâncias utilizadas na limpeza dos trocadores devem ser tratadas antes de retornar à natureza, acrescendo ainda mais o custo de operação. Os depósitos de material na superfície dos trocadores influenciam diretamente na vazão do petróleo e na eficiência de troca de calor. Isto acarreta em um custo maior com o combustível queimado nos fornos, já que o petróleo chega no forno com uma temperatura abaixo daquela que poderia chegar com os trocadores limpos. 1.4 Objetivo do trabalho Os gastos com energia no processamento do petróleo são realmente onerosos. Quando se considera que certa parte desta energia está sendo gasta para suprir a má gerência dos recursos energéticos, se faz necessário um estudo e o levantamento de características que possam minimizar ou até mesmo eliminar este dispêndio excessivo. A minimização das despesas relacionadas a incrustações nos trocadores de calor, é o principal objetivo do presente trabalho. Usando técnicas que serão abordadas nos próximos capítulos, procura-se o período ótimo de limpeza em trocadores de calor. Com a intenção de planejar um funcionamento com o máximo desempenho dos trocadores de calor, deve-se tomar conhecimento dos fatores que ajudarão nesta minimização das despesas relacionadas a incrustações. Sendo assim, a necessidade deste estudo é visível e os resultados podem beneficiar uma refinaria que esteja preocupada em minimizar custos relativos ao processamento do petróleo.

23 23 2 Revisão Bibliográfica Trocadores de calor são usados no pré-aquecimento do cru com o propósito de recuperar energia do processo e, portanto, reduzir o consumo de uma planta industrial. A presença da incrustação representa uma resistência à transferência de calor e diminui, com o passar do tempo, a performance térmica destes equipamentos. O monitoramento e a medição (simulação) do desempenho térmico de trocadores de calor e de suas redes podem auxiliar na redução de custo de uma refinaria de petróleo. Métodos simples e seguros de monitoramento e simulação devem estar disponíveis para os engenheiros de processo. O emprego destes métodos permite que a performance atual do equipamento seja conhecida e pode ajudar na determinação do momento ideal para limpeza do trocador de calor. 2.1 Trocadores de Calor Os trocadores de calor são classificados segundo as suas configurações de escoamento e tipo de construção. Nos trocadores de calor de correntes paralelas os fluidos quente e frio escoam no mesmo sentido. Nos trocadores contracorrente, os fluidos escoam em sentidos opostos. Em certos casos, os fluidos podem se mover em escoamento cruzado, no qual um fluido escoa perpendicularmente ao outro. Nestes trocadores, o escoamento pode ser não-misturado, no caso deste ocorrer entre as aletas, ou misturado para um escoamento em trocadores sem aletas. Segundo Incropera e de Witt (1998), a natureza da condição de mistura dos fluidos pode influenciar significativamente o desempenho do trocador de calor, pelo fato de que a temperatura pode variar em mais de uma direção. Uma outra configuração usual é o trocador de calor casco-tubo. Formas específicas desse tipo de trocadores de calor diferem de acordo com o número de passes no casco e nos tubos. Sua forma mais simples envolve uma única passagem nos casco e nos tubos. Geralmente, são instaladas chicanas no lado do casco para

24 24 aumentar o coeficiente de transferência de calor no fluido, induzindo a turbulência e uma componente da velocidade na direção perpendicular ao feixe de tubos. O estudo da configuração dos trocadores de calor se faz necessário neste trabalho, pois é de grande importância no cálculo do coeficiente global de transferência de calor (U). Segundo Incropera e de Witt (1998), mesmo sendo a mais imprecisa das análises feitas em trocadores de calor, o cálculo do coeficiente global de transferência de calor é definido em função da resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos. Este valor é determinado levando em consideração as resistências térmicas entre os fluidos separados por uma superfície. A falta de precisão se dá pelo fato de que o resultado se aplica em casos de superfícies limpas e sem aletas. A presença da incrustação na superfície de transferência de calor tem grande importância no coeficiente global de transferência de calor e é um dos focos deste trabalho. 2.2 Modelos de incrustação A incrustação pode ter uma evolução diferente em cada trocador de calor. Segundo Taborek et al. (1972), e Somerscales (1990) a relação entre a taxa de deposição e a taxa de remoção é que resulta em uma grande variedade de modelos de incrustação. A taxa de deposição depende do mecanismo de incrustação, enquanto a taxa de remoção depende da força de adesão do depósito e da tensão de cisalhamento. Se a taxa de deposição é constante e a taxa de remoção é desprezível ou se a diferença entre a taxa de deposição e a taxa de remoção é constante, a curva representativa da evolução da incrustação com o tempo assumirá a forma de uma reta. Segundo Zubair et al. (2000), este tipo de incrustação representa, geralmente, depósitos duros e de difícil remoção. A incrustação assintótica ocorre se a taxa de deposição é constante e a taxa de remoção é proporcional à espessura da camada de incrustação. Isto sugere que a força

25 25 de cisalhamento na superfície da camada está aumentando ou que os outros mecanismos que deterioram a estabilidade da camada estão tomando lugar. A incrustação denominada falling rate, que é um tipo de incrustação intermediária aos tipos linear e assintótica, ocorrerá se a taxa de deposição for inversamente proporcional a espessura da camada de incrustação. Uma prática comum nas refinarias de petróleo é a mudança periódica nas condições operacionais. Isso resulta em uma configuração de incrustação denominada dente de serra. Este modelo descreve uma trajetória assintótica com variações periódicas, para mais e para menos, nos valores de resistência. Um modelo generalizado de incrustação é proposto por Kern e Seaton (1966). Este modelo é essencialmente uma interpretação matetmática do modelo de incrustação assintótica. Entretanto, não existe um procedimento para prever os valores de incrustação sem que um trabalho experimental detalhado possa ser realizado. O uso de modelos generalizado para análise da incrustação é muito atrativo pela simplicidade e generalização das condições. Entretanto, a limitação na obtenção de dados experimentais satisfatórios não permite sua aplicação em problemas específicos e, portanto, é de pouca utilidade. Segundo Brons e Rudy (2000), a incrustação pode ocorrer ao longo da rede e diferentes mecanismos têm sido identificados como a causa da incrustação em diferentes trocadores de calor. Apesar da diversidade de mecanismos presentes, algumas considerações podem ser feitas. Nos trocadores de calor localizados na primeira fase de aquecimento, os mecanismos predominantes da incrustação estão associados com a presença de sais inorgânicos, resinas e particulados levados com a carga de petróleo. Nos trocadores de calor localizados na segunda fase de aquecimento, os mecanismos predominantes na incrustação estão associados com as reações químicas. Segundo Wilson e Watkinson (1997), este fato deve-se a presença e instabilidade dos asfaltenos presentes no petróleo. Os trocadores de calor localizados no final da segunda fase de aquecimento são os mais importantes na recuperação de calor global da rede e os mais suscetíveis à incrustação. Segundo Polley et al. (2001), o mais significante desenvolvimento em modelagem foi o reconhecimento que o mecanismo predominante da incrustação, nestes trocadores, é a reação química. Esta