Dmitri Vlássov Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Paraná Centro Politécnico Caixa Postal 19011 81531-990 Curitiba - PR BRASIL Tel: + 55 41 361-32-39 Fax: + 55 41 361-31-29 E-mail: vlassov@demec.ufpr.br 30 de abril de 2002 RELATÓRIO TÉCNICO TÍTULO DO PROJETO Estudo teórico - experimental de bicos dispersores utilizados nos Reatores de Craqueamento Catalítico Fluido (FCC) em Refinarias. Embora as atividades estejam distribuídas ao longo de três anos de duração do presente projeto, segundo o Cronograma físico de execução do Projeto no período de 01.08.01 a 31.07.02 foi previsto desenvolver as atividades seguintes: Cronograma Físico e de Execução Itens Trimestre do plano 1 2 3 4 4a 4b 4c 4d 4e 4f 4g 4h Tabela 1 1
Sendo 4a Desenvolvimento de teoria de escoamentos s em bocais de expansão interna e externa em foco de bicos dispersores. 4b Pesquisa teórico - experimental de interação de escoamentos s com os jatos transversais de líquidos a dispersar. 4c Pesquisa teórico - experimental de escoamentos turbulentos torcidos bifásicos. 4e Otimização energética de sistema de dispersão no processo do craqueamento. 4g Ministração as disciplinas Gasodinâmica e Combustão no Programa Interdisciplinar de Pós-graduação em Engenharia (PIPE) e no Programa de Pósgraduação em Engenharia Mecânica (PG - MEC) da UFPR. 4h Orientação de teses de mestrado e doutorado. Relatório Importante Os desenhos, informações e dados contidos neste relatório sobre protótipos de atomizadores são apenas ilustrativos ao Relatório em curso. Tais informações são de caráter confidencial conforme contrato - convênio no. 650.4.019.01-1, cláusula X, item 2, projeto OCCUC firmado entre a FINEP/UFPR/Petrobrás à luz do programa CTPETRO-2000. 4a Desenvolvimento de teoria de escoamentos s em bocais de expansão interna e externa em foco de bicos dispersores. Na industria petrolífera brasileira, dado à crescente demanda por combustíveis automotivos, principalmente óleo diesel, os programas tecnológicos de maximização da conversão de frações nobres tornaram-se imprescindíveis. Dentre os processos de alta conversão está o de craqueamento catalítico fluido, conhecido internacionalmente como FCC. São unidades industriais que processam cargas normalmente oriundas da destilação atmosférica e à vácuo, proporcionando o craqueamento de hidrocarbonetos pesados. Os resultados econômicos de uma melhor eficiência de conversão em instalações de FCC são bastante sensíveis. Segundo Chang, estima-se que para uma capacidade de refino de 419000 barris 2
por dia (como o caso do Brasil), com um incremento de R$ 0,30/ barril em melhoria de conversão, tem-se ganhos de R$ 40 milhões por ano. Esses números indicam que a pesquisa e o desenvolvimento de equipamentos envolvidos em FCC têm grande potencial de retorno tanto sob o aspecto econômico quanto estratégico, dado o aumento de conversão de frações nobres oriundas de um mesmo petróleo. São vários os parâmetros envolvidos na eficiência de conversão de uma unidade de FCC. Um deles, de particular importância, é a efetividade da interação entre a carga injetada e a corrente de catalisador nos reatores ascendentes ("risers"). A carga líquida, normalmente um gasóleo pesado, é injetada ao reator na forma de um jato de gotículas, A carga é composta por hidrocarbonetos advindos da destilação atmosférica e a vácuo com a adição de alguns diluentes. O bico dispersor é o dispositivo responsável pela atomização da carga de óleo no interior do reator. É este componente que promove a interação da carga com o meio de transporte. Um dos elementos dispersores mais utilizados entretanto, no Brasil e em muitos outros países, é o tipo duplo-fluido. Através de uma geometria adequada o atomizador duplo-fluido utiliza um fluido auxiliar, denominado fluido de atomização, a altas velocidades, para a desintegração da carga líquida e formação de um jato bifásico (fluido auxiliar gasoso e gotículas da carga, também é chamado spray ). A carga líquida totalmente atomizada, com velocidades e tamanhos de gotículas bem controlados, sabidamente contribui para melhores rendimentos globais no processo de craqueamento (FCC). O tamanho das gotículas é um fator de grande importância para a obtenção de melhores rendimentos de produtos nobres, principalmente óleo diesel e gasolina. Atualmente o bico dispersor do tipo duplo fluido encontra-se em sua terceira fase de desenvolvimento. Busca-se, através de equações de transporte e da gasodinâmica, um modelo matemático representativo do fenômeno da atomização para este tipo de dispositivo. Através de relações teóricas e fenomenológicas, baseado em forte aporte experimental, é possível fornecer um modelo teórico-experimental confiável e amparado por validações. No caso de bicos dispersores de cara de FCC os fluidos envolvidos são a carga que é uma corrente líquida e o fluido de atomização, normalmente é um vapor d água gerado em caldeiras. O uso de fluidos reais na investigação experimental de sprays é advertido, dado aos riscos envolvidos com o manuseio de inflamáveis além dos custos de instalações muito elevados para garantir a segurança de ensaios. Nesse projeto, a bancada de ensaios foi então projetada tendo água como fluido de carga e ar comprimido como fluido de atomização. Nos processos reais no FCC a vazão de fluido de atomização deve ser mínima possível para garantir a qualidade de pulverização necessária. A otimização de processos no FCC obriga aproveito ao máximo possível de energia disponível do fluido de atomização que é a entalpia do vapor superaquecido. O fluido de atomização nos bicos dispersores é acelerado até as velocidades altas em bocais. O valor de velocidade depende de parâmetros de estagnação (pressão e temperatura) a montante do bocal, de forma do bocal e de pressão do meio aonde se realiza o escoamento. Em Anexo 1 é apresentado o modelo matemático de dimensionamento de bocais s. O modelo matemático é baseado em escoamentos isoentrópicos. O modelo matemático foi deduzido até as tabelas de funções gasodinâmicas (vide Anexo 1) que muito simplificam os cálculos. Usando as tabelas é muito mais fácil realizar vários cálculos de escoamentos subsônicos e s de fluidos comprimidos. Com base deste modelo matemático foi elaborado um algoritmo de dimensionamento de bocais tanto subsônicos, como s. Usando esse algoritmo foi elaborado um Software Bocal que calcula parâmetros de qualquer gás (basta saber a composição química do gás) e dimensiona o bocal. Empregando esse Software foram 3
dimensionados e posteriormente usinados todos bocais dos bicos dispersores que serão investigados no presente Projeto. O Software tem duas opções. 1 Dimensionamento de um bocal a partir da vazão, parâmetros de estagnação a montante do bocal, de pressão e de número de Mach necessários na saída do bocal. 2 Determinação de parâmetros de um gás ao longo do bocal a partir de geometria conhecida do bocal e de parâmetros de estagnação a montante do bocal. Empregando o Software Bocal foram projetados e fabricados vários bocais, tanto subsônicos, como s que estão atualmente em ensaios. Para revelar a influência só de número de Mach sobre os parâmetros de dispersão foi projetado um bocal especial. O bocal especial tem um corpo central, feito em forma de uma agulha cônica (vide o desenho em Anexo 3, folha 5). Deslocando a agulha em relação ao bocal para direita ou para esquerda podemos mudar a área da seção crítica. A essência desse bocal com o corpo central é que ele permite revelar só a influência de número de Mach (velocidade) sobre os parâmetros de dispersão, em particular sobre o diâmetro médio de partículas e sobre características de jatos bifásicos gerados e alcance deles. Dados experimentais desse s ensaios permitirão fazer a otimização energética de sistemas de dispersão no processo de craqueamento (vide item 4e). Para o efeito, nos ensaios, será mantida a vazão do ar e variando a ária da seção crítica do bocal e a pressão de estagnação serão criadas várias velocidades de escoamento (número do Mach) de fluido de bocal. Em Anexo 2 é apresentado um impresso de resultados de cálculo de um bocal empregando o Software Bocal. No impresso vemos os dados de entrada com parâmetros de gás, esquema de bocal, uma tabela que apresenta resultados de cálculo e variação de todos parâmetros do gás e dimensões do bocal em vários seções. Além disso imprime-se um gráfico que apresenta a variação de principais parâmetros do gás ao longo do bocal (seções). 4b Pesquisa teórico - experimental de interação de escoamentos s com os jatos transversais de líquidos a dispersar. Geralmente os resultados de pesquisa teórico experimental de dispersãosão apresentados em forma de uma equação adimensional (empregando vários critérios de teoria de similaridade. A equação pode Ter a forma seguinte D d l K g l a V V g l b ALR c We d Re e onde: D d l g e l V g ev l - diâmetro médio estatístico de gotículas( diâmetro estatístico de Sauter SMD); - diâmetro de orifício do líquido; - densidades de gás e do líquido; - velocidades de gás e do líquido; 4
m g ALR m l - relação de vazões mássicas do gás e do líquido; We - número de Weber; Re - número de Reynolds; K, a, b, c, d, e - constantes a ser definidas do ensaio. Para revelar a influência de cinco fatores adimensionais foi planejada e já está realizada uma série de ensaios, em total de 1350. Características de dos protótipos N o de Bocal de ar Velocidade m ág, ALR Observações protótipo m/s % Tipo Mach da água l/hora 10 A. Convergente, 0,8 12 300 2,0 Padrão existente hoje Subsônico 10b Convergente, 1,0 12 300 2,0 Regime sônico sônico 10c Convergente 1,64 12 300 2,0 Regime 10d Convergente 1,64 18,4 300 2,0 Varia velocidade do líquido 10e Convergente 10f Convergente 10g Convergente 10h Convergente 10i Convergente 1,64 12 300 2,0 Perfil do Vitoshinsky de parte convergente 1,64 12 300 4,0 Perfil do Vitoshinsky de parte convergente Influência da ALR 2,14 12 300 2,0 Perfil do Vitoshinsky de parte convergente. Influência do Número de Mach 2,45 12 300 2,0 Perfil do Vitoshinsky de parte convergente. Influência do Número de Mach varia 12 300 2,0 Com agulha. Influência só de Mach Em Anexo 3, folhas 1, 2, 3, e 4 são apresentados os desenhos técnicos de alguns protótipos a serem testados. Os desenhos apresentam: 5
1 Bico dispersor com bocal subsônico convencional (cônico). 2 Bico dispersor com bocal subsônico com perfil do Vitoshinsky. 3 Bico dispersor com bocal M=1,64. 4 Bico dispersor com bocal M=2,45. 5 Bico dispersor com bocal com número de Mach variável. Para realizar os ensaios de propriedades de dispersão foi construído um banco de ensaio (vide esquema na Figura 1 e foto do banco na Figura 2). O banco possui uma linha do ar Linha do ar Medidor de vazão p,t 0 0 Bico dispersor p ag, T ag Linha da água jato Medidor de vazão Laser Figura 1 Esquema do banco de ensaio de parâmetros de dispersão Figura 2 Banco de ensaio (vermelho é raio de laser) 6
comprimido proveniente de um reservatório e compressor. A linha possui um redutor de pressão para controlar a pressão de estagnação na entrada do banco. Na linha, perto do bico dispersor é montado um medidor de vazão de tipo placa orifício. Logo na entrada do dispersor são montados receptores de pressão e temperatura de estagnação. Na linha da água, também, é montado um medidor de vazão de tipo turbina. A pressão da água na entrado do bico é controlada por uma válvula. Nesta altura os ensaios têm um caráter preliminar para acertar a metodologia usada e verificar a exatidão de medição de todos os parâmetros físicos e de dispersão. As propriedades do jato e características de dispersão são investigadas empregando fotos de alta velocidade e o espalhamento de raios laser. No caso de dispersores de carga de FCC interessam parâmetros como o diâmetro das gotículas e sua velocidade. Os estudos mais profundos envolvem fenômenos ocorrem na pós-atomização como a determinação de trajetórias, colisão das gotículas de spray, perda de massa por etc. A maior interesse apresenta a determinação do diâmetro das gotículas e sua distribuição estatística. Nesse aspecto as técnicas são subdivididas nas qualitativas (fotos e filmes de alta velocidade) e as quantitativas, que efetivamente fornecem os diâmetros das gotículas e suas velocidades. A análise qualitativa (fotografia de alta velocidade), por sua vez, é amplamente empregada no estudo de sprays pois permite uma avaliação qualitativa das características do spray. A foto de alta velocidade consiste em reduzir o tempo de exposição a um mínimo de tal forma que a gota apareça com seu aspecto real. Obviamente os melhores resultados são obtidos com jatos de baixa velocidade que obviamente permitem o uso de maiores tempos de exposição. Na Figura 3 é apresentado foto típico do spray. A análise quantitativa (uso de raios de laser). Existem várias técnicas para a medição quantitativa do tamanho de gotícula. Neste trabalho optou-se pelo método baseia-se no princípio da Figura 3 Foto típico do spray difração de Fraunhofer causado por uma gotícula quando nela incide um feixe de luz coerente monocromático, ou seja, uma barra de laser. Os efeitos de difração causam o espalhamento dos raios formando anéis ou franjas de luz detectáveis por um receptor de luz espalhada. O nível de espalhamento depende do diâmetro das gotas do jato analisado. O instrumento medidor utilizado neste trabalho tem nome comercial de Medidor de Particulas a Laser Malvern modelo Mastersizer X, base longa. O principio de funcionamento: Espalhamento de raios laser. Parâmetro técnicos Transmissor: canhão de laser He-Ne de 2 mw, comprimento de onda de 633 nm; barra de luz com diâmetro de 18 mm; faixa de medição: gotículas de 4 a 2000 micras; sistema de alinhamento manual e automático. 7
Detector: 31 elementos em estado sólido para detecção de luz espalhada com amplificadores e conversores analógico/digital. Os dados de ensaio são tratados em computador com interface de dados RS232 e periféricos convencionais. O programa de tratamento de dados estatísticos versão 3.0 para ambiente Windows 95/98 Bico dispersor Raios de laser y x Figura 4 Esquema de mapeamento de medições O spray gerado pelos dispersores é de formato cônico cheio. Seções de medição foram distribuídas pelo todo o volume de spray, tanto pelo comprimento do jato, como seção transversal. Na Figura 4 é apresentado o esquema de mapeamento de midições. Pelo eixo x a coodinada varia na faixa de 10 a 150 mm. Pelo eixo y de zero no eixo do spray à periferia do jato, percorrendo 5 9 pontos em uma seção. Os resultados típicos de medições e de apresentação gráfica delas são anexados em duas páginas a seguir. 4c Pesquisa teórico - experimental de escoamentos turbulentos torcidos bifásicos. O modelo matemático apresentado em Anexo 4 permite efetuar o estudo teórico de propriedades e características de injetores centrífugos e escolher os regimes ótimos de funcionamento deles. A metodologia apresentada permite fazer dimensionamento de injetores que serão usados em estudos práticos de características de dispersão de cargas no FCC. Com base do modelo matemático foi projetado e usinado um injetor com corpo helicoidal. O injetor foi testado no banco de ensaio (vide a Figura 5). Figura 5 Injetor centrífugo Na Figura 6 é apresentado a distribuição de diâmetro médio das gotículas 8
em seção transversal de spray do injetor centrífugo. A dispersão de injetor centrífugo é muito mais uniforme que de injetor convencional. Os diâmetros de gotícula varia só na faixa de 70 a 100 micras. O que mais importante que SMD do injetor centrífugo é de 3 vezes menor que do convencional, pois a atomização é muito mais fina. Distancia do eixo mm O modelo matemático do injetor apresentado é baseado em liquido ideal, pois para o líquido que não possui a viscosidade. Mesmo assim esse modelo pode ser usado para cálculos práticos e dimensionamento dos injetores. Entretanto para cálculos mais exatos é necessário tomar em conta várias perdas de energia características para líquidos reais. As perdas mais importantes são as seguintes: Figura 6 SMD de gotículas de injetor centrífugo - perda de energia em canais tangenciais de entrada; - perdas em câmara de torção; - perdas em bocal do injetor: - perdas de energia devido ao atrito. Analise destas perdas de energia será o objetivo de estudo posterior de emprego de injetores centrífugos em processo de dispersão de cargas de óleos pesados de FCC. 4e Otimização energética de sistema de dispersão no processo do craqueamento. A análise final desse problema só será feita com base de dados de ensaios que estão em andamento 4g Ministração as disciplinas Gasodinâmica e Combustão no Programa Interdisciplinar de Pós-graduação em Engenharia (PIPE) e no Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica (PG - MEC) da UFPR. Segundo semestre de ano letivo leciona disciplina de Combustão. Primeiro semestre de ano letivo leciona disciplina de Gasodinâmica. No Programa Brasileiro de Formação em Motores e Combustíveis lecionou disciplina de Combustão em motores diesel 4h Orientação de teses de mestrado e doutorado. Aluno de Mestrado - Edson J.J. Souza (defesa prevista no final de junho de ano em curso). 9
Aluno de Mestrado - João Luiz Ángelo (em desenvolvimento). Aluno de graduação - Cristhian José F. Terres (bolsista de iniciação científica do CNPq) orientação de trabalho. Publicações (vide Anexo 5) 1 VLASSOV D., Estrutura de sub-camada viscosa em camada limite turbulenta na placa porosa penetrável, COBEM 2001. 2 SOUSA J. A., VARGAS J.V.C., von MEIEN F. and VLASSOV D., A simplified numerical model to predict the velocity Field in a catalytic cracking unity in oil refineries, Proceedings of IMECE, New York, 2001 3 VLASSOV D.,VARGAS J.V.C.,SOUZA E., Estudo teórico experimental de injetores centrífugos de cargas de unidades de craqueamento catalítico fluido FCC, 1-o encontro brasileiro de recursos humanos em petróleo e gás natural do Paraná, UFPR, 2001. 4 VLASSOV D., VARGAS J., Índices quantitativos de ciclos termodinâmicos de gás vapor, IX Congresso Brasileiro de Energia, RJ,2002 (será publicado em maio). 5 VLASSOV D., Atrito superficial sobre plano poroso permeável. II-o Congresso Nacional de Engenharia Mecânica. João Pessoa, UFPB,2002 (será publicado em agosto). 10