CNTRO FDRAL D DUCAÇÃO TCNOLÓGICA DO PARANÁ UNIDAD D CURITIBA DPARTAMNTO D PSQUISA PÓS-GRADUAÇÃO PROGRAMA D PÓS-GRADUAÇÃO M NGNHARIA MCÂNICA D MATRIAIS PPGM JOBR CHAVS PNTADO MTODOLOGIAS D SOLUÇÃO NUMÉRICA PARA MODLOS D RGNRADORS D UNIDADS D CRAQUAMNTO CATALÍTICO CURITIBA AGOSTO 2003
JOBR CHAVS PNTADO TÍTULO DA DISSRTAÇÃO MTODOLOGIAS D SOLUÇÃO NUMÉRICA PARA MODLOS D RGNRADORS D UNIDADS D CRAQUAMNTO CATALÍTICO Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em ngenharia Mecânica, do Curso de Pós- Graduação em ngenharia Mecânica e de Materiais, do Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação, da Unidade de Curitiba, do CFT-PR. Orientador: Prof. Cezar O. R. Negrão, PhD. Co-orientador: Prof. Luciano F. dos Santos Rossi, Dr. CURITIBA AGOSTO 2003
TRMO D APROVAÇÃO JOBR CHAVS PNTADO MTODOLOGIAS D SOLUÇÃO NUMÉRICA PARA MODLOS D RGNRADORS D UNIDADS D CRAQUAMNTO CATALÍTICO Dissertação de Mestrado aprovada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre em ngenharia Mecânica, do Curso de Pós-Graduação em ngenharia Mecânica e de Materiais, do Departamento de Pesquisa e Pós- Graduação, da Unidade de Curitiba, do CFT-PR, pela seguinte banca examinadora: Orientador: Prof. Cezar Otaviano Ribeiro Negrão, PhD. Departamento de Acadêmico de Mecânica, CFT-PR. Co-orientador: Prof. Luciano Fernando dos Santos Rossi, Dr. Departamento de Acadêmico de Mecânica, CFT-PR. Prof. Rubens Maciel Filho, PhD. Departamento de Processos Químicos, UNICAMP. Prof. Waldir Martignoni, PhD. PTROBRÁS S/A Prof. Silvio Luiz de Mello Junqueira, Dr. Departamento de Acadêmico de Mecânica, CFT-PR. Curitiba, 29 de Agosto de 2003.
A Oração da Serenidade como escrita por Reinhold Niebuhr: "Deus, dai-me a serenidade para aceitar as coisas que eu não posso mudar, coragem para mudar as coisas que eu possa, e sabedoria para que eu saiba a diferença: vivendo um dia a cada vez, aproveitando um momento de cada vez; aceitando as dificuldades como um caminho para a paz; indagando, como fez Jesus, a este mundo pecador, não como eu teria feito; aceitando que Você tornaria tudo correto se eu me submetesse à sua vontade para que eu sea razoavelmente feliz nesta vida e extremamente feliz com você para sempre no futuro. Amém". Dedico este trabalho aos meus pais (Sr. Mário e D. Dirce) e àqueles que me incentivaram.
AGRADCIMNTOS De forma geral agradeço a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para o meu crescimento pessoal e profissional. Neste grupo se incluí a família, os amigos, os professores e todas as pessoas que passaram pela minha vida deixando um pouquinho de si para a minha formação. Agradeço aos professores Almabrouk Mansor Abagderah e dson Antônio da Silva do DQ/UNIOST por terem me incentivado a ingressar no mestrado. Ao meu orientador Prof. Cezar Otaviano Ribeiro Negrão, pelos direcionamentos, principalmente aqueles que me foram dados nos momentos de indecisão. Sem sua orientação possivelmente esta dissertação não teria sido concluída a tempo. Ao Prof. Luciano Fernando dos Santos Rossi, por estar sempre pronto a auxiliar. Ao colega e também Prof. Raul Henrique rthal pelos assuntos debatidos que sempre dava origem a valiosos esclarecimentos, ao estagiário Ricardo S. Handa, pelo apoio no início da programação em linguagem C e aos demais integrantes do Laboratório de Ciências Térmicas (LACIT), que proporcionaram um ambiente de trabalho agradável e descontraído. Agradeço também à PTROBRÁS que unto com a FINP, financiou o proeto OCUCC (Otimização e Controle de Unidades de Craqueamento Catalítico). À Agência Nacional do Petróleo ANP e a Financiadora de studos e Proetos FINP através do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo de Gás PRH ANP/MCT. À CAPS pelo apoio financeiro que me permitiu inteira dedicação a este trabalho.
Aos pesquisadores do assunto.
RSUMO O presente trabalho apresenta um modelo matemático do comportamento dinâmico do regenerador de uma unidade de craqueamento catalítico. A modelagem é baseada nos princípios da conservação da massa e da energia. À hidrodinâmica e à cinética das reações, empregam-se correlações encontradas na literatura. Considera-se que o regenerador é dividido em duas regiões, densa e diluída. A região densa é constituída pelas fases bolha e emulsão. São propostos dois modelos: o primeiro incorpora apenas a região densa (modelo de leito borbulhante), enquanto o segundo considera tanto a região densa quanto a diluída (modelo de duas regiões). A região densa é considerada um tanque de mistura perfeita e variação unidimensional das propriedades com a altura na região diluída. As equações de conservação são do tipo diferenciais ordinárias na região densa e diferenciais parciais na região diluída. Os modelos são resolvidos pelo método de Runge-Kutta e o de diferenças finitas. Os métodos de solução são comparados, mostrando que os resultados são similares. ntretanto, a estabilidade do método de Runge-Kutta apresenta-se muito dependente do passo de tempo de integração. Por outro lado, a solução por diferenças finitas, empregando a aproximação implícita, não é dependente da magnitude do passo de tempo e portanto, seu tempo de processamento computacional é bem menor. Comparações do modelo proposto com resultados experimentais em regime estacionário de uma planta piloto industrial apresentam uma boa concordância entre os valores. Fez-se também uma comparação com um modelo dinâmico da literatura e os resultados do presente modelo são corroborados. Finalmente, uma análise de sensibilidade em relação às condições de contorno mostra a importância destes valores na operação do regenerador. Palavras-chave: modelagem dinâmica, regenerador de unidades FCC, combustão de coque.
ABSTRACT The current work presents a dynamic mathematical model of a FCC Regenerator. The model is based on the conservation principles of mass and energy. The fluid flow and kinetic of reactions are approached by correlations found in the literature. The regenerator is considered to be divided in two regions (dense and diluted). The dense region is composed of two phases: bubble and emulsion. Two models are proposed: the first accounts only for the dense region (bubble bed model) and the second considers both dense and diluted regions (two regions model). The dense region is considered as a continuous stirring tank reactor and the variables change one-dimensionally in the diluted region. The conservation principles are ordinary and partial differential equations in the dense and diluted regions, respectively. The models are solved by the Runge-Kutta s and finite difference methods. The solution methods are compared and their results are quite similar. However, the stability of the Runge-Kutta s method is much dependent on the time-step. On the other hand, the finite difference solution, employing the implicit approximation, is not a time-step dependent one and the computational time needed is much smaller. Comparisons of the current model with steady-state experimental results of an industrial pilot plant show good agreement. The proposed model is still compared with a dynamic model found in the literature and the results are corroborated. Finally, a sensibility analysis is carried out which show the importance of the boundary conditions on the operation of the regenerator. Keywords: dynamic modeling, regenerator of an FCC unit, combustion of coke
LISTA D FIGURAS Figura 1: squema dos principais equipamentos da seção de conversão.... 20 Figura 2: Regenerador em corte (FCC en revista, 2001).... 26 Figura 3: Leito fluidizado borbulhante idealizado por Levenspiel (1972)... 34 Figura 4: squema do modelo de duas regiões... 48 Figura 5:Volume de controle utilizado nos balanços de massa da região diluída.... 57 Figura 6: squema do modelo de Leito Borbulhante.... 66 Figura 7: Discretização unidimensional.... 72 Figura 8: Algoritmo do método das diferenças finitas.... 75 Figura 9: Algoritmo de solução para o método de Runge-Kutta... 78 Figura 10: Temperatura e fração de coque para diferentes t s. Solução do modelo de leito borbulhante através do método de Runge- Kutta... 82 Figura 11: volução da temperatura e da fração de coque para um t instável. Solução do modelo de leito borbulhante através do método de Runge-Kutta... 82 Figura 12: Temperatura para diferentes resíduos e um t de 2 min. Solução do modelo de leito borbulhante através do método de diferenças finitas... 84 Figura 13: Fração de coque para diferentes resíduos e um t de 2 min. Solução do modelo de leito borbulhante através do método de diferenças finitas... 84 Figura 14: Temperatura e Fração de coque para diferentes t s. Solução do modelo de leito borbulhante através do método de diferenças finitas.... 85
Figura 15: Perfil de temperatura para o modelo de duas regiões com diferentes números de pontos na região diluída. Solução por Runge-Kutta.... 87 Figura 16: volução temporal da temperatura do catalisador regenerado para diferentes valores do passo de tempo, considerando a região diluída com 40 pontos. Solução por diferenças finitas... 89 Figura 17: volução da temperatura da fase densa com passo de tempo de 15 s e diferentes números de pontos na região diluída. Solução utilizando o método de diferenças finitas... 90 Figura 18: Resposta de temperatura pelo método de diferenças finitas para diferentes condições iniciais de temperatura.... 92 Figura 19: Resposta da fração de coque pelo método de diferenças finitas para duas condições iniciais de temperatura... 92 Figura 20: Comparação entre as frações molares avaliadas pelo método de Runge-Kutta e pelo método de diferenças finitas.... 93 Figura 21: Vazões de catalisador e o degrau na vazão de alimentação de ar (Han e Chung, 2001)... 102 Figura 22: Fração de coque e temperatura do catalisador gasto (Han e Chung,2001)... 102 Figura 23: Quantidade de massa de catalisador e pressão no regenerador. Comparação do presente modelo com a literatura.... 105 Figura 24: Fração de coque e temperatura do catalisador regenerado. Para o presente modelo e o modelo de Han e Chung (2001)... 105 Figura 25: Fração molar do CO e do O 2 na saída do regenerador, para o presente modelo e o de Han e Chung (2001)... 106
Figura 26: Degrau na vazão de catalisador gasto e variação da temperatura do regenerador em função do degrau.... 108 Figura 27: Variação na composição dos gases de saída e fração de coque no catalisador regenerador em função do degrau na vazão de catalisador... 108 Figura 28: Comportamento da temperatura e fração de coque no catalisador regenerado em função da vazão de catalisador gasto.... 109 Figura 29: feito de degraus na fração de coque do catalisador gasto sobre a temperatura e fração de coque no catalisador regenerado... 111 Figura 30: Diferentes estados estacionário da temperatura do regenerador e de fração de coque regenerado em função da fração de coque no catalisador gasto... 111 Figura 31: feito de degraus na temperatura do catalisador alimentado na temperatura do regenerador e na fração de coque do catalisador regenerado... 112 Figura 32: Diferentes estados estacionários da temperatura do regenerador e fração de coque em função da temperatura de alimentação do catalisador gasto.... 113 Figura 33: Diferentes estados estacionários da fração molar de Oxigênio em função da temperatura de alimentação do catalisador gasto. 114 Figura 34: Diferentes estados estacionários da concentração de oxigênio e monóxido de carbono na saída do regenerador em função da vazão de alimentação de ar... 115 Figura 35: Diferentes estados estacionários da fração de coque e temperatura do catalisador no regenerador em função da vazão de alimentação de ar.... 116
LISTA D TABLAS Tabela 1: Valores da propriedade φ, φi, e coeficientes a d i,, R, Rb,, para as equações de conservação da massa.... 69 Tabela 2: Valores da propriedade φ, φi, e coeficientes a d i,, R, Rb,, das equações de conservação da energia.... 70 Tabela 3: Valores da propriedade φ e coeficientes ω, ψ,.... 71 S e Sb, Tabela 4: Condições de contorno do regenerador... 80 Tabela 5: Valores comparativos para a variação da temperatura em função da variação do número de pontos da malha.... 87 Tabela 6: Diferença relativo na temperatura variando-se o passo de tempo.. 90 Tabela 7: Dados comparativos dos métodos de solução utilizando um computador Pentium III de 1,1GHz com 512MB de memória.... 94 Tabela 8: stado estacionário da simulação comparada com dados reais, considerando diferentes diâmetros da bolha.... 97 Tabela 9: Resultados da simulação estacionária comparando dois modelos cinéticos da literatura.... 98 Tabela 10: Resultados da simulação estacionária comparando o modelo de Duas regiões com o modelo de leito borbulhante.... 99 Tabela 11: Dimensões do regenerador da literatura (Han e Chung, 2001)... 100 Tabela 12: Condições de contorno utilizadas na comparação estacionária.. 103 Tabela 13: Resultados da simulação estacionária comparada com os valores de Han e Chung (2001)... 104
LISTA D ABRVIATURAS SIGLAS B- Bolha mulsão CO Monóxido de Carbono CO 2 Dióxido de Carbono CSTR Tanque de Mistura Perfeita DTR Distribuição do Tempo de Residência DP quações Diferenciais Parciais FCC Fluid Catalytic Cracking GLP Gás Liquefeito de Petróleo GHz Gigahertz K Kelvin H 2 O Vapor de Água HTR High Temperature Regeneration N 2 O 2 MB nitrogênio oxigênio Megabytes MTT Modelo com ficiência de Troca Térmica MDF Método das Diferenças Finitas MVF Método dos Volumes Finitos tol. Tolerância UOP Universal Oil Products
LISTA D SÍMBOLOS Nome Descrição Unidade u - velocidade de ascensão da bolha b m/s u - velocidade de ascensão do gás na emulsão e m/s u - velocidade de mínima fluidização mf m/s u - velocidade superficial dos gases 0 m/s δ - fração de volume da bolha - α - fração do rastro - g - aceleração da gravidade m/s² d - diâmetro da bolha b m β - fração do leito ocupado pela nuvem - D - difusividade mássica m²/s kbc kbc ε mf - coeficiente de troca de massa entre a bolha e a nuvem - coeficiente de troca de massa entre a nuvem e emulsão - fração de vazios na mínima fluidização - m - massa de catalisador kg m - vazão mássica kg/s w - fração de coque no catalisador kg coque /kg cat r - taxa de consumo de coque por unidade de cq, volume 1/s 1/s kgmol/(m³s) M - massa molecular kg/kgmol V - volume m³ - vazão mássica saindo da fase emulsão kg/s m i, F DB - coeficiente de difusão de massa entre a fase bolha e a fase emulsão C - concentração molar kgmol/m³ r, - a taxa de reação do componente i kgmol/(m³s) i 1/s
Nome Descrição Unidade A - área da seção transversal da região densa D m² L - altura da região densa D m ρ - massa específica do catalisador c kg/m³ h - entalpia total da fase emulsão kj H - a entalpia do ar alimentado AR kj/kg Q - perda de calor para as vizinhanças loss kw Q - energia trocada com a bolha. B kw T - temperaturas da fase emulsão K H r - entalpia de reação kj/(m³s) c - calor específico p kj/(kg K) H B Coeficiente de troca de calor entre a fase bolha e a fase emulsão kw/(m³k) U Coeficiente global de transferência de calor D kw/(m²k) v g, B - velocidade de ascensão da bolha m/s Re - número de Reynolds de mínima fluidização mf - Ar - número de Arquimedes - d - diâmetro médio das partículas de catalisador p m µ - viscosidade do gás m²/s ϕ p - esfericidade da partícula - ρ g - massa específica dos gases kg/m³ L - altura do regenerador rg m ε c,f ε g,f v g, F ε cf - fração de catalisador na região diluída - - fração de gases na região diluída - - velocidade superficial do gás na região diluída m/s - fração de vazios na saturação dos gases -
Nome Descrição Unidade R g,d - quantidade de gases formada na região densa kg/s R g,f - quantidade de gases formada na região diluída kg/s P - pressão no regenerador rg bar Z g - fator de compressibilidade dos gases - kv - constante da válvula X - posição de abertura da válvula v - α v - razão entre a máxima e a mínima abertura da válvula P - diferencial de pressão na válvula bar x - razão de hidrogênio/carbono - k - constantes das taxas de reações kgmol/(m³s) r - taxa de reação kgmol/(m³s) y - fração molar - k - constante da taxa global de combustão do coque c kg/(m³s) - β c - razão de CO/CO 2 na superfície do catalisador - B F LCV TCV CL cq AR c g Subscritos bolha emulsão diluída catalisador gasto catalisador regenerado ciclone coque alimentação catalisador gases i O 2, CO, CO 2, H 2 O e N 2.
SUMÁRIO AGRADCIMNTOS RSUMO ABSTRACT LISTA D FIGURAS LISTA D TABLAS LISTA D ABRVIATURAS SIGLAS LISTA D SÍMBOLOS SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO....17 1.1 SÇÕS D UMA UNIDAD FCC.... 19 1.2 O PROCSSO D CRAQUAMNTO CATALÍTICO.... 20 1.3 MODLO MATMÁTICO.... 21 1.4 OBJTIVOS.... 22 2 RVISÃO BIBLIOGRÁFICA...24 2.1 DSCRIÇÃO DA RGNRAÇÃO... 25 2.1.1 VARIÁVIS DO RGNRADOR... 28 2.2 MODLOS PARA LITO FLUIDIZADO.... 30 2.2.1 MODLO D LITO BORBULHANT D KUNII LVNSPIL... 33 2.2.2 MODLOS D RGNRADORS.... 37 2.2.3 MODLOS INTGRADOS.... 40 2.3 COMNTÁRIOS FINAIS... 44 3 MODLAGM DO RGNRADOR....45 3.1 MODLO D DUAS RGIÕS: DNSA DILUÍDA... 46 3.1.1 RGIÃO DNSA... 49 3.1.2 RGIÃO DILUÍDA... 57 3.1.3 BALANÇO D MASSA GLOBAL... 61 3.1.4 CINÉTICA D COMBUSTÃO... 63 3.2 MODLO D LITO FLUIDIZADO BORBULHANT.... 65
4 MTODOLOGIA D SOLUÇÃO DAS QUAÇÕS...67 4.1 MÉTODO DAS DIFRNÇAS FINITAS... 68 4.2 MÉTODO D RUNG-KUTTA... 75 5 ANÁLIS NUMÉRICA....79 5.1 SOLUÇÃO DO MODLO D LITO BORBULHANT.... 81 5.1.1 SOLUÇÃO PLO MÉTODO D RUNG-KUTTA.... 81 5.1.2 SOLUÇÃO PLO MÉTODO D DIFRNÇAS FINITAS.... 83 5.2 SOLUÇÃO DO MODLO D DUAS RGIÕS.... 86 5.2.1 SOLUÇÃO PLO MÉTODO D RUNG-KUTTA.... 86 5.2.2 SOLUÇÃO PLO MÉTODO D DIFRNÇAS FINITAS.... 88 5.3 COMPARAÇÃO NTR OS MÉTODOS D SOLUÇÃO.... 93 6 POTNCIALIDADS DO MODLO....96 6.1 COMPARAÇÃO COM DADOS XPRIMNTAIS... 96 6.2 COMPARAÇÃO DO MODLO COM A LITRATURA... 100 6.2.1 MTODOLOGIA D COMPARAÇÃO... 100 6.2.2 RGIM STACIONÁRIO.... 103 6.2.3 COMPORTAMNTO DINÂMICO... 104 6.3 ANÁLIS D SNSIBILIDAD... 106 6.3.1 CATALISADOR GASTO.... 107 6.3.2 ALIMNTAÇÃO D AR.... 115 6.3.3 Comentários finais.... 117 7 CONCLUSÕS RCOMNDAÇÕS...118 RFRÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...122 APÊNDIC A...126 ANXO A...129
Capítulo 1 Introdução 17 1 INTRODUÇÃO. Sea mais preocupado com o seu caráter do que com sua reputação, porque caráter é o que você realmente é, enquanto, reputação é tão somente o que outros pensam que você é. John Wooden. O craqueamento catalítico passou a ser conhecido comercialmente a partir da segunda metade do século XX, quando o crescente mercado automobilístico aumentou significativamente a demanda por gasolina, tornando este o derivado do petróleo de maior importância nas refinarias. nquanto a gasolina era um produto da destilação direta do petróleo, a sua quantidade e qualidade dependiam exclusivamente das características do cru (petróleo sem processamento). Abadie (1997) cita que no final da segunda década do século XX, inicia-se a busca por alternativas para aumentar a produção de derivados nobres, principalmente a gasolina. sta busca propiciou a utilização do craqueamento de frações pesadas do petróleo (cadeias carbônicas longas de elevado peso molecular e baixo valor comercial). O craqueamento teve início na forma térmica (quebra das cadeias por meio de vigoroso aquecimento sob pressão elevada, em torno de 20bar), sendo esta a rota tecnológica mais empregada até 1943 (Abadie 1997). O emprego do craqueamento utilizando catalisadores teve início em 1915. Nos primeiros registros do craqueamento catalítico, notava-se que frações pesadas do petróleo, quando misturadas à argila e expostas à alta temperatura, davam origem a hidrocarbonetos leves e médios. Como no craqueamento térmico, o coque estava presente e depositava-se na superfície do catalisador impedindo sua reutilização. Mesmo com o atrativo de condições de trabalho mais
Capítulo 1 Introdução 18 brandas, o craqueamento utilizando argila não logrou êxito devido ao custo para a recuperação do catalisador (Lanzarin, 1997). A evolução do craqueamento catalítico foi adiada até se encontrar alternativas para reduzir o custo da recuperação do catalisador. ugéne Houdry (engenheiro francês), verificou que a queima controlada do coque restaurava o catalisador devolvendo a sua capacidade de quebrar cadeias (craquear) pesadas do petróleo (Lanzarin, 1997). A regeneração do catalisador, por meio da combustão do coque depositado na sua superfície, foi a chave para o desenvolvimento do craqueamento catalítico, que por operar em condições mais brandas, passou a ser empregado com maior freqüência. O método foi então ganhando flexibilidade operacional até superar o craqueamento térmico. O craqueamento catalítico fluido, em sua concepção atual, é um processo indispensável numa refinaria. ste processo é responsável por cerca de 85 a 90% da produção mundial de gasolina proveniente de frações pesadas (Abadie, 1997). Como principais características do craqueamento catalítico têm-se: a) possibilidade de austar a produção às necessidades reais do mercado (flexibilidade); b) reaproveitamento de frações de baixo valor advindas de outras partes da refinaria, tornando o processo muito rentável. Com uma operação flexível, o processo pode ser austado para maximizar um determinado produto de interesse. ntretanto o que o consagrou está relacionado a os aspectos econômicos. O processo torna-se também rentável economicamente pela sua auto-suficiência energética. A partir da queima do coque durante a regeneração do catalisador promovida no regenerador o processo tem energia necessária para o craqueamento. Para identificar as funcionalidades do regenerador (obeto de estudo do presente trabalho), segue nesta parte introdutória uma breve descrição de uma unidade FCC.
Capítulo 1 Introdução 19 1.1 SÇÕS D UMA UNIDAD FCC. Quando se fala em unidade FCC (Fluid Catalytic Cracking), diferentes configurações e proetos de equipamentos estão disponíveis. ntretanto, alguns processos são comuns para qualquer configuração. Uma unidade FCC é normalmente dividida em três seções: a de conversão 1, a de fracionamento e a de recuperação de gases. O craqueamento da carga (gasóleo e/ou resíduos) e a regeneração do catalisador ocorrem efetivamente na seção de conversão (conversor). sta seção é composta pelo riser, vaso separador/stripper, regenerador de catalisador, além de outros equipamentos auxiliares como, trocadores de calor, sopradores e a caldeira de CO. Do regenerador saem os gases com elevada temperatura provenientes da queima do coque. O potencial térmico da corrente de gases é aproveitado nas caldeiras recuperadoras de calor, produzindo vapor d'água a alta pressão e resfriando os gases antes dos mesmos serem lançados à atmosfera (Santos, 2000). Os principais equipamentos da seção de conversão estão esquematizados na Figura 1. Os produtos do craqueamento, efluentes do reator, são encaminhados à seção de fracionamento. Por intermédio de uma torre de destilação, obtém-se a separação primária dos cortes produzidos. Pelo fundo da torre, produz-se o resíduo de craqueamento (óleo pesado e denso). Lateralmente, é produzido o óleo leve de reciclo (diesel de craqueamento) e no topo retira-se uma corrente gasosa contendo nafta de craqueamento e hidrocarbonetos mais leves. sta corrente gasosa é enviada à seção de recuperação de gases que realiza operações de compressão, absorção, retificação e destilação para obtenção e separação dos produtos mais leves (gás combustível, GLP e gasolina). As correntes resultantes são enviadas ao tratamento com produtos químicos, reduzindo consideravelmente o teor de enxofre. Após todas essas operações, 1 O Anexo A contém uma breve descrição histórica dos conversores.
Capítulo 1 Introdução 20 os produtos são destinados à estocagem e o enxofre é recuperado na forma de enxofre elementar (Santos, 2000). Figura 1: squema dos principais equipamentos da seção de conversão. 1.2 O PROCSSO D CRAQUAMNTO CATALÍTICO. A flexibilidade de operação do conversor da unidade de craqueamento catalítico permite processar resíduos oriundos de várias outras unidades da refinaria (das destilações atmosférica e a vácuo). stes resíduos podem ser misturados ao petróleo cru ou processados separadamente. A quebra das moléculas pesadas é um processo endotérmico (absorve energia) e que se processa em um reator tubular de fluxo ascendente (riser), pela ação de um catalisador a alta temperatura (500 a 700 C). A ruptura das ligações acontece
Capítulo 1 Introdução 21 com o contato rápido do catalisador que vaporiza a carga (gasóleo e/ou resíduos), possibilitando a fluidização do leito e ação seletiva do catalisador (promoção das reações de craqueamento). Neste processo, ocorre a formação de compostos com 3 a 12 átomos de carbono, que darão origem a produtos mais nobres, além de outros compostos que terão suas características definidas na seção de fracionamento (Santos, 2000). Na seqüência, os produtos são rapidamente separados do catalisador no vaso separador para interromper o processo de craqueamento. Isto reduz o sobrecraqueamento evitando a queda no rendimento dos produtos de interesse e a excessiva formação/deposição de coque na superfície do catalisador. A deposição do coque na superfície do catalisador promove a sua desativação. Com o obetivo de restaurar a atividade do catalisador, este é continuamente retirado do vaso separador e após passar por um processo de lavagem com vapor (retificação no stripper) é enviado ao regenerador. No regenerador, o coque depositado na superfície do catalisador sofre queima transformando-se em gases de combustão. sta queima devolve a atividade do catalisador pela liberação de sua área efetiva para reação. A combustão do coque acontece em função da alta temperatura e da presença de oxigênio inetado com ar, através do distribuidor (pipe-grid), localizado no fundo do vaso. A queima do coque no regenerador tem dupla função, ambas fundamentais ao processo de craqueamento: i) reativação do catalisador, devolvendo-lhe a sua atividade catalítica; ii) elevação da temperatura do catalisador para que este possa retornar ao riser com energia suficiente para vaporizar a carga e alimentar o craqueamento. Com o retorno do catalisador regenerado ao riser, fecha-se o ciclo do catalisador. 1.3 MODLO MATMÁTICO. A importância econômica do craqueamento catalítico em leito fluidizado é o que motiva o seu estudo. Uma pequena melhoria no rendimento do processo pode significar milhões em unidades monetárias. Para a otimização do rendimento, um profundo conhecimento do processo é requerido. A
Capítulo 1 Introdução 22 modelagem dos equipamentos de um determinado sistema auxilia no entendimento do problema, permitindo expressar através do equacionamento matemático o fenômeno físico. Um modelo matemático permite o estudo do comportamento de um equipamento ou das suas interações com os demais componentes de um sistema, como é o caso dos subsistemas formados pelo regenerador e pelo reator (riser). Do ponto de vista de modelagem a regeneração é altamente desafiante. Trata-se de um processo hidrodinâmico com reações químicas em duas fases: o catalisador sólido e os gases, o que configura um sistema nãolinear de alta complexidade. As não-linearidades encontradas no regenerador e na unidade FCC dificultam a modelagem, a operação e a aplicação de estratégias de controle. ntretanto, a modelagem possibilita determinar as condições nas quais o processo possui melhor rendimento, pode servir de base no estudo de controladores ou ainda permite avaliar a segurança da unidade de craqueamento. 1.4 OBJTIVOS. O presente trabalho apresenta um modelo matemático com o obetivo de simular o comportamento dinâmico do regenerador de uma unidade de craqueamento catalítico. Um levantamento bibliográfico revelou modelos com diferentes níveis de detalhamento e complexidade. ntretanto, procurou-se um comprometimento entre simplicidade e fidelidade do modelo na representação do fenômeno físico. stas características buscadas no modelo obetiva sua aplicação em controladores. O modelo proposto é fruto de uma investigação bibliográfica, incorporando características de diferentes modelos existentes. No capítulo 2, Revisão Bibliográfica, apresenta-se os modelos de regenerador encontrados na literatura, que servem de base ao modelo do presente trabalho. sta revisão envolve modelos específicos para o regenerador e modelos de regenerador desenvolvidos em trabalhos de modelagem para todo o conversor.
Capítulo 1 Introdução 23 No Capítulo 3, é apresentada a modelagem matemática do regenerador. Dois modelos são considerados: um com o regenerador formado por duas regiões distintas (densa e diluída), e o segundo é obtido com uma simplificação do primeiro. No capítulo 4, Metodologia de Solução, discute-se as metodologias de solução para as equações do modelo. Neste capítulo descreve-se as metodologias e os algoritmos das soluções. O capitulo 5, destinado à análise numérica, compara os resultados dos modelos através das duas metodologias de solução propostas. São ainda discutidas as vantagens de cada metodologia. O capítulo 6 se preocupa com a verificação do modelo através da comparação dos resultados com valores experimentais e resultados de outro modelo encontrado na literatura. ste capítulo faz ainda uma análise de sensibilidade do modelo em relação às condições de contorno. Finalmente, o capítulo 7 apresenta as conclusões da dissertação e algumas sugestões para trabalhos futuros.
Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 24 2 RVISÃO BIBLIOGRÁFICA. Ninguém é maior do que aquele que está disposto a que lhe assinalem os seus erros. Dave Barry A deposição do coque na superfície do catalisador foi o problema que inviabilizou a aplicação industrial do craqueamento catalítico por volta de 1915, quando o craqueamento com cloreto de alumínio foi observado. Neste primeiro momento, uma pequena unidade foi construída e embora a produção de gasolina fosse aumentada em 20%, a recuperação do catalisador era cara e impedia o uso generalizado do processo (Lansarin, 1997). O alto custo para recuperar o catalisador fez com que as pesquisas sobre o processo fossem abandonadas. Até que em 1927, ugéne Houdry (engenheiro francês radicado nos stados Unidos) acreditou na viabilidade da idéia e passou a estudar o processo. Sem a preocupação de evitar ou diminuir a formação de coque, seus esforços foram dirigidos na busca de soluções para eliminar o coque depositado na superfície do catalisador que é função do tempo de contato entre a carga e o catalisador (Lansarin, 1997). Houdry observou que a queima controlada do coque depositado devolvia ao catalisador sua atividade catalítica. Com isso, surge a primeira patente de um processo de craqueamento catalítico e regeneração através da queima do coque. ste processo era operado em leito fixo e o seu maior problema era o elevado tempo de regeneração quando comparado ao tempo de desativação do catalisador que ocorria em minutos. Além disto, a regeneração necessitava de vários reatores operando alternadamente. ste processo, mesmo com muitos