(OTIMIZAÇÃO E CONTROLE DE UNIDADES DE CRAQUEAMENTO CATALÍTICO)

1. PROJETO

1.1. PROPOSTA DO PROJETO

O projeto visa o aumento de desempenho de unidades de craqueamento catalítico para os crus nacionais através da melhoria das condições de operação do processo. Além disto, pretende-se desenvolver uma metodologia alternativa com base nos princípios da Termodinâmica, Transferência de Calor e Mecânica dos Fluídos, que possa ser utilizada no projeto de novas unidades. Em curto prazo, a nova metodologia permitirá a aplicação de uma estratégia otimizada de controle para o aumento da produtividade das unidades instaladas, em particular a maximização da produção de gasolina e GLP. Em médio prazo, objetiva-se apresentar soluções eficazes para o aumento da durabilidade de equipamentos pelo desenvolvimento de revestimento para redução da erosão e corrosão. Em conseqüência, o projeto também permitirá a redução do consumo energético, melhor aproveitamento de matéria-prima e maior grau de automação da planta.

1.2. JUSTIFICATIVA DO PROJETO

Em termos de modelagem, a alta não linearidade do processo de craqueamento catalítico exige modelos rigorosos de grande complexidade e fortes exigências computacionais, que só servem para simulação “off-line” sendo de difícil aplicação para o controle em tempo real. A justificativa para uma nova modelagem é (1) reduzir o tempo computacional através de uma metodologia de elementos de volume (volumes de controle) e (2) a aplicação de um conceito abrangente, isto é, a geração de entropia, que leva em consideração todos os efeitos que demandam o uso de energia. Efeitos diferenciados, tais como aumento de massa de catalizador e aumento de arrasto, por exemplo, são levados em consideração na mesma base, rigorosa e termodinamicamente correta. A arquitetura completa de um sistema (e.g., o sistema em análise neste projeto) será DEDUZIDA da minimização da taxa total de geração de entropia.

Para a melhoria do rendimento da unidade, será igualmente importante estudar o bico dispersor (modelagem e proposta de sistemas alternativos) e a formação de coque de gasóleo pesado no pré-aquecedor.

Em termos de operação, a experiência dos operadores garante um funcionamento estável do processo, seja determinando “setpoints” adequados aos controladores, seja informando valores de controle em modo manual. As exigências de mercado não permitem que procedimentos de equipes de trabalho diferentes apresentem resultados não uniformes. Além do mais, em nível de operação manual, dificilmente um critério de otimização é levado em consideração. Este projeto em nível de controle se justifica pela necessidade de padronizar os procedimentos operacionais de controle, tornando a qualidade do produto final independente das equipes de operação. Além disso, pretende-se gerar um modelo simplificado do comportamento dinâmico do processo, compatível com estratégias de controle avançado e aplicável em tempo real.

A otimização termodinâmica de processos na indústria petroquímica é freqüentemente limitada pela falha prematura dos materiais que os constituem. Nesse sentido é de extrema relevância que a modelagem do funcionamento de unidades de craqueamento catalítico seja acompanhada pelo estudo e otimização das características dos materiais utilizados. A utilização do crus encontrados na costa brasileira por si só exige uma otimização do processo de seleção de materiais. Esta pode ser por sua vez melhorada tendo por base modelos que permitam reproduzir a tendência do comportamento real do sistema. Sendo assim podemos subdividir o projeto em cinco tópicos específicos, a saber:

1. Modelagem e Controle da Unidade de Craqueamento Catalítico

2. Bico Dispersor

3. Formação de coque e Gasóleo Pesado

4. Controle Avançado

5. Revestimentos para Altas Temperaturas

1.3. DETALHAMENTO DO PROJETO POR TÓPICO ESPECÍFICO:

1. Modelagem e Controle da Unidade de Craqueamento Catalítico

A sigla FCC (“fluidized bed catalytic cracking”) é uma denominação antiga que ainda persiste, uma vez que anteriormente o processo era feito em leito fluidizado, mas que atualmente é realizado com tubos de elevação (“risers”). Existem 3 tipos fundamentais de modelos empregados para a simulação de reatores de FCC: Tipo I – Modelos simplificados de fluxo em pistão (“plug flow”); Tipo II – São modelos semi-empíricos, normalmente descritos como: centro-anelar (“core–annulus”) e Tipo III – Os modelos deste tipo são os que propõem resolver simultaneamente as equações da conservação de massa, quantidade de movimento, energia e conservação das espécies para ambas as fases . É necessário dizer que o equacionamento gerado é de grande complexidade, tornando os modelos difíceis de interpretar e de resolver, com esforço computacional muitas vezes proibitivo. Além do que, a modelagem da turbulência ainda não está bem resolvida, em particular para os sistemas bifásicos e depende de constantes empíricas para a descrição das interações interparticulares. Esta proposta está sendo apresentada como resultado de um esforço conjunto dos PRH/ANP 10 (CEFET/PR), PRH/ANP 24 (UFPR) e da PETROBRÁS/SIX.

Atualmente, existem grupos de pesquisa no país desenvolvendo modelos matemáticos para a simulação do comportamento do “riser” de unidades de FCC. A metodologia consiste na formulação das equações de conservação na sua forma mais completa. A maior dificuldade em tratar um modelo matemático complexo é dispor de resultados provenientes de outras abordagens do mesmo problema, para validação. Além disso, o tempo computacional para obtenção de resultados de simulações numéricas é elevado, o que torna necessário o surgimento de uma metodologia alternativa complementar que requeira tempo computacional reduzido para obtenção de resultados, viabilizando desta maneira a calibração do modelo mais complexo, além de viabilizar a implementação de estudos de controle e de otimização em tempo real.

Este projeto se propõe a resolver o problema de modelamento do funcionamento de unidades de craqueamento catalítico através do método de elementos de volume. O método incorpora os mais avançados conhecimentos em termos de equacionamento dos fenômenos físicos que ocorrem no domínio, através da combinação dos conceitos teóricos dos fenômenos e de vários resultados experimentais e correlações fenomenológicas disponíveis na literatura técnica. A diferença básica da nova metodologia proposta e da mais complexa em desenvolvimento atualmente por outros grupos de pesquisa, é que o método de elementos de volume permite a utilização de achados experimentais e correlações fundamentais já disponíveis em forma analítica. Desta maneira, desde o princípio, o novo método incorpora no equacionamento básico a hipótese de propriedades uniformes em cada um dos elementos de volume. Enquanto isso, no sistema, como um todo, a dependência espacial das variáveis de controle surge com a combinação de todos os elementos de volume, o que caracteriza o funcionamento real do sistema. Esta abordagem permite, portanto, capturar a tendência de comportamento real do sistema (i.e., possibilidade de controle e obtenção de regimes ótimos) combinando os princípios de Mecânica dos Fluidos, Transferência de Calor e Termodinâmica irreversível. Ao mesmo tempo, o resultado final é a obtenção de um modelo físico simplificado que mostra as tendências comportamentais dos equipamentos, com um equacionamento matemático também simplificado que requer baixo tempo computacional para a obtenção de soluções numéricas. Isto viabiliza a validação a luz de medidas experimentais e o ajuste do modelo em tempo viável na prática.

Para os estudos de controle e de otimização deve-se incorporar funções de regulação e otimização baseadas em um modelo viável para tempo real. Esta modelagem deverá representar o mais fielmente possível a dinâmica do processo, permitindo que cada ação de controle seja propagada para um horizonte pré-determinado, a fim de validar a qualidade do controle bem como impor uma dinâmica que satisfaça os requisitos de otimização e os limites operacionais da planta. A modelagem deve capturar dinâmicas relevantes para controle, levando em consideração as não-linearidades e as interações das variáveis do processo FCC entre si e com outras unidades da planta.

Atualmente, os controladores de unidades de craqueamento tem seus regimes de operação baseados em modelos de espectografia de massa propostos na literatura . Estes modelos não se aplicam ao petróleo nacional que apresenta uma composição química diferente, gerando problemas de rendimento da maioria das unidades de FCC nas refinarias brasileiras. Com um controlador preditivo multivariável baseado no modelo físico simplificado ora proposto, haverá uma maior flexibilidade para acomodar as variações de alimentação sem que o processo atinja limites críticos de operação.

A otimização termodinâmica de sistemas de potência tem uma longa e bem estabelecida tradição em engenharia térmica. A metodologia se baseia nas leis da Termodinâmica e no método de análise exergética. O método de exergia mostra ao projetista como a performance de um sistema se compara com o limite ideal, as perdas termodinâmicas de cada componente, e o que pode ser feito para projetar sistemas melhores (menos irreversíveis).

Um método análogo é o método da minimização da geração de entropia (ou minimização da destruição de exergia) onde o foco está na minimização, i.e., na redução da distância entre a performance de um projeto real e a performance de um sistema ideal “realístico” sujeito às mesmas restrições físicas de um sistema real . A maneira de aproximar o projeto das condições termodinamicamente ótimas de operação é através da variação de uma ou mais das características físicas e de operação do sistema.

A indústria do petróleo necessita de uma nova metodologia para a determinação do projeto ótimo termodinâmico (máxima produção de combustível) em seus sistemas e processos químicos. As metodologias atuais são inadequadas para a otimização termodinâmica de sistemas complexos, devido a restrições econômicas (alto custo) nas tentativas de desenvolver múltiplas modificações nos subsistemas, sem um direcionamento claramente definido, do ponto de vista físico. Como exemplo, citam-se os métodos numéricos aplicados às equações diferenciais parciais de conservação, em domínios complexos, com a presença de fluidos reativos e multicomponentes e diferentes sólidos, ocasionando alto custo e tempo computacional mesmo para uma única simulação, o que praticamente inviabiliza o estudo de otimização. O método de análise exergética convencional estabelece os limites teóricos da performance dos sistemas termodinâmicos, estuda os sistemas individualmente e, pura e simplesmente determina como sua performance real se compara com os sistemas de comportamento ideal, i.e., sem perdas termodinâmicas, porém, por si só, não fornece informação sobre as possíveis condições de funcionamento ótimo dos sistemas reais. Em suma, as metodologias atuais disponíveis buscam selecionar o ponto de ótimo a partir de um grupo de candidatos arbitrariamente selecionados. A nova metodologia, a ser proposta, deve prover um processo estruturado para sintetizar a configuração termodinâmica ótima dos sistemas diretamente das leis físicas.

Como um indicador da experiência dos proponentes deste projeto, vários integrantes da equipe desenvolveram recentemente estudos de otimização termodinâmica com base no método da minimização da geração de entropia em diferentes tipos de sistemas físicos .

2. Bico Dispersor

A literatura especializada internacional ensina, notoriamente, a relação entre a qualidade da dispersão da carga e os rendimentos de frações nobres como gasolina e diesel em processo de craqueamento catalítico (FCC). O dispersor de carga de FCC é o dispositivo responsável pela injeção da carga líquida no interior do reator “riser” onde o catalizador flui em movimento ascendente. Quanto melhor e mais uniforme essa injeção for feita tanto melhor será a conversão. O fluxo líquido totalmente atomizado, com velocidades e tamanhos de gotículas controlados, são alguns requisitos ligados ao dispositivo dispersor fortemente influentes no rendimento global de conversão.

3. Formação de coque e Gasóleo Pesado

A justificativa para este estudo surge da constatação de fenômenos antagônicos no processo de alimentação da unidade de craqueamento. Na alimentação do reator, deseja-se pré-aquecer o gasóleo pesado ao máximo para facilitar sua pulverização no tubo de elevação (“riser”), e assim contribuir para o rendimento de gasolina e GLP. Entretanto, ao fazer isto desencadeia a formação indesejada (deposição) de coque na tubulação de alimentação (pré-aquecedor) que eventualmente levará a interrupção da campanha no momento que houver obstrução parcial.

O estudo dos mecanismos de formação de coque vem sendo um grande desafio na indústria do petróleo. O gasóleo pesado em questão é o do petróleo de Marlim e Cabíunas. Assim, resultados de estudos semelhantes já realizados com outros petrólelos não podem ser diretamente aplicados.

4. Controle Avançado

O controle do processo de craqueamento catalítico apresenta as seguintes características inerentes ao controle dos processos petroquímicos: (1) É um sistema multivariável com dinâmica de baixa ordem, grandes constantes de tempo e atraso de transporte. Essa dinâmica lenta facilita a utilização de controladores digitais com grandes períodos de amostragem e portanto a aplicação de algoritmos de controle avançados. (2) O sistema de controle deve respeitar restrições relacionadas à qualidade do produto, limitações da capacidade do equipamento, limites de segurança de operação dos equipamentos e materiais e também, limites de emissão de poluentes ambientais. (3) A quantidade de energia envolvida afeta o custo de operação do processo viabilizando um esquema de otimização com o objetivo de minimizar a energia consumida. O custo do catalizador determina uma operação com recuperação máxima deste produto no regenerador. (4) A produção simultânea de produtos com valores diferentes de mercado determina um controle de processo que maximize os produtos mais nobres em detrimento dos produtos menos valorizados. (5) Existem severas não-linearidades no sistema de tal forma que um único modelo linear não consegue descrever todas as faixas de operação do processo.

Em conclusão a estratégia de controle está intimamente ligada ao problema de otimização do processo. A finalidade do algoritmo de controle é levar as variáveis controladas para os “setpoints” correspondentes aos pontos de operação ótimos do sistema sem perda de estabilidade [31-32]. Ressalta-se que os pontos ótimos são relacionados aos objetivos econômicos do processo. Atualmente e devido a interesses econômicos, as atividades de controle de processos tem sido bastante intensas principalmente na indústria petroquímica. O advento da instrumentação digital e a redução de custo e aumento da capacidade dos computadores, abriram uma imensa área de aplicação para os algoritmos de controle e otimização, ou seja, controle avançado. Em relação ao ambiente industrial destacam-se os seguintes pontos: (1) o problema de controle é normalmente enfocado usando-se controladores preditivos, baseados em modelos lineares, em grande parte obtidos de testes na própria planta. Para sistemas com não-linearidades muito fortes, como é o caso de unidades de craquamento, esses controladores geralmente não funcionam e não são robustos para grandes alterações nas condições de operação. Existe um campo de pesquisa bastante significativo nesta área, com a associação do controle e otimização em um mesmo sistema. O número de varáveis é grande e o trabalho de implementação do controlador é extremamente penoso, e (2) a integração da otimização ou controle otimizado é uma etapa complexa e poucas aplicações industriais são encontradas. A otimização depende de um modelo rigoroso do processo e mesmo quando a estrutura do modelo está disponível, o ajuste do modelo ao processo ou a identificação dos parâmetros é um procedimento que exige quase tanta especialização quanto o próprio desenvolvimento do modelo . Assim existe grande interesse em se desenvolver modelos que representem os processo de uma forma aceitável, sem as dificuldades da modelagem tradicional, ou seja, conforme os princípios físicos-químicos do processo.

O problema de otimização da operação dos processos químicos/petroquímicos se caracteriza como um problema de programação não-linear e não convexa. Nos projetos já implantados na indústria, ele é resolvido usando técnicas de otimização convexa e portanto nunca se tem certeza se a solução obtida é global. Também a otimização é feita em um nível acima do controle preditivo. Os resultados da otimização são normalmente passados para o controlador via “setpoints”. Algumas soluções passam também para o controlador informações sobre os ganhos do processo naquele ponto de operação. A otimização usa o modelo estático do processo, assim o problema só tem sentido ser revolvido quando o processo atinge o estado estacionário. Em plantas com alto nível de perturbação esse esquema pode ser inviável. Mesmo em plantas pouco perturbadas o período de atuação do otimizador é de várias horas. Aparentemente a otimização usando o modelo dinâmico do processo é raramente utilizada no industria.

5. Revestimentos para Altas Temperaturas

A deterioração de componentes em serviço é responsável por elevados gastos na manutenção de componentes que operam tanto em meios agressivos como em meios erosivos. A falha permatura de componentes/materiais impede que resultados otimizados possam ser atingidos, provocando assim uma procura constante por tecnologias e materiais que permitam atingir maiores tempos de vida útil de equipamentos. A indústria do petróleo há muito que recorre à engenharia de superfícies para aumentar a vida útil de equipamentos de processo , sendo que, dependendo do equipamento em questão o seu valor agregado pode ser de até 10 vezes. Hoje o desafio consiste em pesquisar técnicas mais eficientes, em termos de confiabilidade e reprodutibilidade de resultados, que permitam um aumento do tempo de campanha dos equipamentos. Os processos de revestimento podem ser classificados pela forma como afetam o substrato sobre o qual é depositado o material mais nobre. Sendo que a ligação substrato/revestimento pode ser metalúrgica ou mecânica, é de esperar diferentes desempenhos dependendo do processo em causa. O revestimento de materiais recorrendo a modernas técnicas da engenharia de superfícies como a aspersão térmica (ligação mecânica) e a soldagem a plasma por arco transferido – PTA (ligação metalúrgica), tem-se apresentado muito promissor, tanto em ambientes erosivos como em ambientes corrosivos . Considerando a utilização de modernas técnicas de revestimento de superfícies como mencionado, é de extrema importância não perder de vista a sua aplicabilidade em campo. Esta vai depender da facilidade em deslocar o equipamento ou componente até a instalação de revestimento ou vice-versa. O presente estudo tem por objetivo otimizar revestimentos produzidos por soldagem PTA e aspersão por arco elétrico, para aplicação na válvula de controle diferencial da pressão e da parede do ciclone do riser. Neste sentido, duas frentes serão avaliadas: o processo de revestimento e a posterior caracterização dos revestimentos. Quanto aos processos de revestimentos, serão determinados os parâmetros ótimos de processamento, para os materiais hoje utilizados, e analisados materiais alternativos que permitam obter melhores desempenhos com menores custos. Estes revestimentos serão avaliados quanto à presença de descontinuidades, tensões residuais e influência dos parâmetros de processamento na sua microestrutura, e quanto ao seu desempenho em ambiente erosivo a quente .