1. objetivos do projeto

Andamento - 2002

PLANO NACIONAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO

SETOR PETRÓLEO E GÁS NATURAL

CTPETROProj. 1121/00 - PROTER – OCUCC

1. Objetivos do Projeto• Aumento de desempenho de UCC - melhoria das condições de

operação do processo

• Metodologia alternativa com base nos princípios da Termodinâmica,

Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos, que possa ser utilizada

no projeto de novas unidades

• Curto prazo - nova metodologia - estratégia otimizada de controle -

aumento da produtividade das unidades instaladas (gasolina e GLP)

• Médio prazo - aumento da durabilidade de equipamentos -

desenvolvimento de novos revestimentos para redução da erosão e

corrosão

• Redução do consumo energético, melhor aproveitamento de matéria-

prima e maior grau de automação da planta.

Andamento - 2002




2. Etapas do Projeto

Andamento - 2002




A) Otimização termodinâmica (realizado cerca de 60 %) – Prof. José Vargas (UFPR)As atividades previstas para este item são as seguintes:1. Revisão bibliográfica - PERÍODO: Jan/2001 a Abr/2001

2. Desenvolvimento de um modelo físico simplificado para ser utilizado por uma lei de controle - PERÍODO: Jan/2001 a Set/2001

3. Validação experimental de resultados numéricos simultaneamente com o ajuste do modelo matemático - PERÍODO: Jan/2001 a Jan/2002

4. Inserção do cálculo da geração de entropia no processo, identificando os mecanismos causadores de perdas termodinâmicas - PERÍODO: Fev/2002 a Set/2002

5. Otimização termodinâmica do processo para máxima produção de combustíveis (i.e., mínima geração de entropia) - PERÍODO: Mai/2002 a Dez/2002

6. Aplicativo computacional (“software”) para melhoria do desempenho de unidades existentes e para o projeto ótimo de novas unidades - PERÍODO: Jul/2001 a Dez/2002

Andamento - 2002




Resultados - Simulação computacional (“Risers”)

(A)

(B)(B)

(C) (D)

(B)(B)

(E)

2.0S~

;1Y out

1H~

04.0S~

;0Y out

3.0h~

3

25.0h~

2

15.0h~

1

Vin

Andamento - 2002




Riser sem entrada lateral

Velocidade na entrada do riser (Vin) = 4.5 m/s (SIX: H = 18 m; D = 0.508 m)

Porosidade = 0.98

Vazão de gasoleo = 170 kg/h

Vazão de vapor = 11 kg/h

Relação entre as vazões de catalisador e gasoleo = 6 (kg de catalisador

por kg de gasoleo)

malha com 70 (vertical) por 8 (horizontal) volumes

Andamento - 2002




Gásoleo LCO Gasolina GLP Gás Combustível

Coque

0.5625-0.6

0.525-0.5625

0.4875-0.525

0.45-0.4875

0.4125-0.45

0.375-0.4125

0.3375-0.375

0.3-0.3375

0.2625-0.3

0.225-0.2625

0.1875-0.225

0.15-0.1875

0.1125-0.15

0.075-0.1125

0.0375-0.075

0-0.0375

h = 2 m

h = 16 m

Andamento - 2002




Andamento - 2002




Temperatura do catalisador

670-700

640-670

610-640

580-610

550-580

520-550

490-520

460-490

430-460

400-430

370-400

340-370

310-340

280-310

250-280

220-250

Temperaturado gás

430-460

400-430

370-400

340-370

310-340

280-310

250-280

220-250h = 1 m

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Andamento - 2002




Riser isotérmico com entradas laterais

Velocidade do catalisador na entrada inferior do riser (Vin) = 4.5 m/s

Velocidade do gasoleo na entrada lateral do riser com um ângulo com a

horizontal de 30º = 10 m/s

Temperatura de reação (do catalisador) = 550 ºC

Porosidade = 0.98

Vazão de gasoleo = 170 kg/h

Vazão de vapor = 11 kg/h

Relação entre as vazões de catalisador e gasoil = 6 (kg de catalisador por kg de

gasoleo)

malha com 70 (vertical) por 8 (horizontal) volumes

Andamento - 2002




GásoleoLCO Gasolina

GLP Gás Combustível

Coque

0.5625-0.6

0.525-0.5625

0.4875-0.525

0.45-0.4875

0.4125-0.45

0.375-0.4125

0.3375-0.375

0.3-0.3375

0.2625-0.3

0.225-0.2625

0.1875-0.225

0.15-0.1875

0.1125-0.15

0.075-0.1125

0.0375-0.075

0-0.0375

h = 2 m

h = 16 m

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Andamento - 2002




Observações:

• Gao (1999) – modelo 3-D bifásico (gás+sólido)

• Gao (2001) – modelo 3-D trifásico (GOP líquido+gás+sólido)

• Apenas modelos – não foi feita nenhuma otimização

• OCUCC – permitirá a otimização de vários parâmetros (e.g., razão

catalisador/carga, vazão de carga, posicionamento dos bicos dispersores,

ângulos de injeção)

• Razão catalisador/GOP

• Vazão de GOP

• Várias Figuras de Mérito (e.g., eficiências de produtos nobres) e restrições

físicas (EGM identifica mínimo consumo para certa produção desejada)

• 560 volumes – menos de 1 min para convergência (Pentium III, 550 MHz, 128

MB RAM) – Windows

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PERSPECTIVAS:

A expectativa é que, conseguindo implementar a etapa 1.3

até julho de 2002, i.e., com um atraso final de 4 meses em

relação ao previsto originalmente, ainda se possa cumprir o

planejamento previsto de finalizar o projeto até jan/2003. A

idéia é desenvolver simultaneamente as etapas 1.4, 1.5 e

1.6 até o final do projeto.

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B) Bicos dispersores (realizado cerca de 80 %) – Prof. Dmitri Vlassov (UFPR)

As atividades previstas para este item são as seguintes:

1. Revisão bibliográfica - PERÍODO: Jan/2001 a Abr/2001

2. Melhoria do dispositivo dispersor de carga duplo-fluido (óleo/vapor) visando

tamanho de gotícula, velocidade, distribuição de fluxo e durabilidade -

PERÍODO: Mai/2001 a Jan/2002

3. Levantamento de correlações entre condições operacionais, disponibilidade

de recursos de atomização com resultados de conversão - PERÍODO: Set/2001

a Abr/2002

4. Aperfeiçoamento de bocais supersônicos de baixa perda de energia e

avaliação das correlações de atomização - PERÍODO: Nov/2001 a Abr/2002

5. Desenvolvimento de um modelo de simulação válido para o bico dispersor

duplo fluido (óleo/vapor) - PERÍODO: Set/2001 a Dez/2002

6. Proposição de sistemas alternativos para melhorar a dispersão - PERÍODO:

Mai/2002 a Dez/2002

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Resultados:1. Elaborado “software” BOCAL – i) calcula parâmetros de um gás a partir

da geometria do bocal e ii) dimensiona bocal (subsônico e supersônico). 2. Foram projetados e usinados 12 protótipos de bocais de bicos

dispersores do tipo duplo fluido: 5 subsônicos e 7 supersônicos. 3. Foram realizados cerca de 200 ensaios de medição de tamanhos de

gotículas, utilizando a metodologia de laser (Total: 1350). 4. Concluído o projeto do Laboratório de Particulas a Laser (LPL),

destinado a testes de bicos dispersores de carga em escala natural Laser PDPA com potência de 5W (SIX).

5. Concluída a montagem da bancada de espalhamento de raios laser(Malvern) com potência nominal de 0,5 mW, destinada a testes de protótipos em escala reduzida (SIX).

6. Visita ao Laboratorio Argonne - ANL em Chicago, EUA, para acompanhamento de teste com o bico dispersor de carga de FCC da Petrobras (versão subsônica) para verificação do estado da arte (SIX).

Andamento - 2002




)x(funcReWeALRV

VK

d

D edcb

l

ga

l

g

l

onde: - 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;

- relação de vazões mássicas do gás e do líquido;

- número de Weber (dens. Liq. X tensão sup. Liq. X dimensões);

- número de Reynolds (Velo. X dimensão X viscosidade) ;

- constantes a serem definidas dos ensaios.

l

g

m

mALR

We

ReedcbaK ,,,,,

D

ld

l e g

lg VV e

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Andamento - 2002




•Análise qualitativa (foto de alta velocidade)

•Análise quantitativa (raios laser – difração de Fraunhofer)

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• Sistemas alternativos para melhorar a dispersão

SMD é 3 vezes menor que bicos convencionais – atomização mais fina

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PERSPECTIVAS:

1. Este item está em dia com o cronograma e está se desenvolvendo

com resultados acima da expectativa inicial. A expectativa é a de

concluir o projeto com resultados concretos de melhoria significativa

em relação aos bicos dispersores em uso atualmente. Espera-se

também ao fim do projeto a disponibilização de protótipos testados

em operação real com quantificação de ganhos obtidos em relação

aos bicos convencionais.

2. Montagem de bancada de testes de bicos na UFPR em execução.

Compressor de ar de 35 bar – OCUCC e Laser a ser disponibilizado

pela SIX.

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C) Estudo para simulação e minimização da formação de coque no pré-

aquecimento do GOP (realizado cerca de 50 %) – Prof. Marcelo

Errera (UFPR)



2. Desenvolvimento de um modelo matemático para simulação

numérica - PERÍODO: Mai/2001 a Abr/2002

3. Validação experimental dos resultados numéricos do modelo,

utilizando unidades já existentes na PETROBRÁS - PERÍODO: Out/2001

a Out/2002

4. Propostas de modificações de parâmetros de operação e projeto

para aumentar o rendimento do processo - PERÍODO: Mai/2002 a

Dez/2002

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Motivação: injetar GOP pré-aquecido (600 – 700 graus) ao invés de 200 graus -> melhor vaporização e maior rendimento do FCC.

Atividades realizadas:

1) mecanismos e origem da formação de coque de GOP foi estudada

2) Simulacao Computacional: modelo pronto e aguardando dados especificos do GOP de Marlim e Cabiunas (solicitação aser enviada em julho/2002), i.e., parâmetros de cinética, solubilidade, entalpias de reação, etc.

3) Aparato experimental para validação do modelo e estudos (planta simplificada) em negociacao com a SIX para atender restricoes de recursos (fora do projeto FINEP) - decisão final sobre a planta em julho/2002

4) Recomendações para configuracao do forno de pré-aquecimento da carga aguardando detalhes dos fornos atuais.

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** MAIORES DIFICULDADES:

1) dispersao da equipe de engenheiros quimicos

(professores da UFPR e CEFET/PR)

2) dificuldade para encontrar bolsistas qualificados

3) falta de informação dos fornos da Petrobras

4) falta de parâmetros para realizar a simulação

Andamento - 2002




0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Reator tubular - coque

comprimento do tubo [m]

Con

cent

raco

es

C1C2C3C4C5C6C6C8

Variação de frações ao longo do tubo pré-aquecedor do FCC. (a espera de parâmetros mais precisos)

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Andamento - 2002




PERSPECTIVAS:

1) Aguardar retorno da Petrobrás sobre as propriedades físico-

químicas do GOP REPAR e das características dos fornos pré-

aquecedores da carga do FCC.

2) Iniciar a montagem do aparato experimental na SIX ou de uma

alternativa.

3) Calibrar o modelo computacional por comparação direta com

medidas experimentais para realizar simulações e otimização.

4) Estender o modelo numérico para o GOP REPAR e outras

duas cargas diferentes.

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D) Estratégias otimizadas de controle (realizado cerca de 60 %)

Prof. Flávio Neves Jr. (CEFET/PR)



2. Estudo sobre uma modelagem para controle tempo real – PERÍODO: Mai/2001

a Out/2001

3. Estudo sobre leis de controle multivariável e preditivo - PERÍODO: Mai/2001 a

Out/2001

4. Avaliação de controladores existentes e sua adequação ao projeto -

PERÍODO: Set/2001 a Dez/2001

5. Desenvolvimento do modelo e do controlador multivariável e preditivo -

PERÍODO: Out/2001 a Set/2002

6. Implementação, teste e avaliação do controlador desenvolvido - PERÍODO:

Set/2002 a Dez/2002

7. Desenvolvimento de procedimentos para padronização e documentação -

PERÍODO: Mai/2002 a Dez/2002

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Resultado:

• Proposta de estratégia de controle – baseada em conceitos de controle preditivo multivariável – espera-se performance superior a aplicação de controladores clássicos, como controladores PID

Modelo simplificado de FCC: Moro e Odloak (1995) – reduz esforço computacional (teórico – empírico) – implementado e simulado para um regime específico de operação

Dificuldade de Controle: operação estável requer equilíbrio de calor (temperatura de reação), pressão (fluxo catalisador no sentido correto) e químico (ou de coque – queima total no regenerador)

Aspectos considerados: i) sistema multivariável com dinâmica lenta – controlador digital com grande período de amostragem; ii) UCC altamente não linear; iii) limites impostos por qualidade do produto, capacidade, segurança e emissões; iv) maximização de produtos nobres, e v) esquema de otimização para minimizar consumo de energia.

Necessidade: otimização ou controle otimizado -> Controle preditivo (modelo do processo, entradas e saídas passadas, projeções de ações de controle usadas para prever resposta ainda com critério de custo)

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Modelos de algoritmos de controle preditivo desenvolvidos:

• DMC (Dynamic Matrix Control) – processos químicos, porém mais adequado a REPAR, não recomendado para unidades multipropósito (SIX)• GPC (Generalized Predictive Control) – aplicação geral (linear e não linear)• IMC (Internal Model Control) – vinculado à qualidade do modelo

Objetivos: Faixas de operação, e não “setpoints” específicos, portanto, controles implementados junto com restrições e procedimentos de otimização

Modelagem matemática alternativa da UCC: riser, regenerador, linhas de transporte do catalisador (conexões), vaso separador e “stripper”, com base nos princípios de conservação de massa, momento, energia e espécies químicas, e na segunda lei da Termodinâmica

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PERSPECTIVAS:

• A SIX foi contatada para colocar um turno do FCC no tempo

disponível para testar o modelo de controle implementado pelo projeto.

Se isto não for possível, ainda existe a possibilidade de colocar este

sistema em paralelo com o sistema convencional.

• A seguir, pretende-se utilizar o modelo mais completo e detalhado, em

desenvolvimento no item 1 deste projeto para realizar testes de

controle e otimização dentro da realidade de uma planta de

craqueamento catalítico (SIX). Assim, pretende-se que ao fim do

projeto, os produtos estejam disponíveis para aplicação direta pela

PETROBRAS. Também neste item, espera-se o cumprimento integral

do cronograma estabelecido.

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E) Revestimentos (realizado cerca de 60 %) – Profa Ana Sofia D’Oliveira (UFPR)



2. Otimização dos procedimentos de deposição por soldagem a plasma por arco

transferido e por aspersão térmica por arco elétrico em substratos idênticos

aos dos componentes a revestir na unidade de FCC - PERÍODO: Mai/2001 a

Jun/2002

3. Desenvolvimento de equipamento de simulação de erosão por partículas a

quente - PERÍODO: Jan/2001 a Jul/2001

4. Determinação da relação parâmetros de processamento, microestrutura, nível

de tensões residuais, características superficiais e comportamento erosivo -

PERÍODO: Mar/2001 a Dez/2002

5. Avaliação do desempenho em campo permitindo a análise de variáveis não

reproduzidas em laboratório - PERÍODO: Out/2001 a Dez/2002

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Itens desenvolvidos e problemas detectados:• Atrasos na entrega de uma máquina de PTA. Equipamento instalado em março

de 2002• Deposição de ligas resistentes a altas temperaturas, ligas a base de cobalto

rica em carbono.• Avaliação da influência do substrato com a deposição de ligas resistentes a

altas temperaturas sobre diferentes substratos (aço carbono, aços austeniticos e aços martensiticos)

• Deposição com diferentes taxas de alimentação de pó, com o objetivo de variar o nível de diluição

• Montagem de equipamento de desgaste tipo disco sobre pino, simulando contato metal-metal.

• Estão sendo otimizados os processos de deposição• É possível revestir válvulas com PTA – Será necessário providenciar uma

válvula que trabalhe a 700°C, que é a válvula diferencial de pressão do FCC. A SIX deverá fornecer a válvula. Além disso, a parede do ciclone do riser.

• O tempo para avaliar a durabilidade foi estimado em pelo menos 6 meses

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• Dificuldades para desenvolver equipamento de desgaste erosivo a quente – não foram avaliadas corretamente as dificuldades para a construção do equipamento, especificamente no aquecimento do ar e das partículas abrasivas

• Necessário utilizar pó de alumina no lugar do catalisador – possibilidade de sinterização do catalizador – 700 a 800ºC

• Será submetida a desgaste uma área de cerca 64 cm quadrados – amostras de PTA serão testadas

• Espaço físico concluído no CEFET/PR – professor comprometeu-se a disponibilizar equipamento em agosto/2002. A partir daí, será necessário controlar a repetibilidade do processo

• Em paralelo, foi desenvolvida a caracterização de revestimentos pela técnica da Dissolução Anódica Voltamétrica (DAV) – a frio, que é capaz de avaliar como o revestimento para altas temperaturas se comportará em operação real.

• Os revestimentos serão, portanto, 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.

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Equipamento PTA instalado na UFPR em março de 2002

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PERSPECTIVAS:

1. Realizar revestimento em uma válvula que opere em alta temperatura, realizando sua caracterização

2. Disponibilizar o equipamento para a realização de revestimentos por solicitação da PETROBRAS. A Expectativa é cumprir todos os itens previstos no projeto, dentro do prazo previsto em cronograma

3. O equipamento de desgaste erosivo deve estar operando em agosto de 2002

PRODUÇÃO CIENTÍFICA do OCUCC: 1. Foram produzidos vários artigos internacionais, publicados no congresso IMECE

2001 - International Mechanical Engineering Conference and Exposition e em revistas indexadas

2. Fruto da pesquisa realizada com o projeto OCUCC, vários artigosforam elaborados e apresentados no I Encontro dos Programas de Recursos Humanos para o Setor de Petróleo e Gás Natural dos PRH-10 e PRH-24 da ANP, no estado do Paraná, realizado em novembro de 2001. O Encontro ocorreu no Centro de Convenções de Curitiba, com a participação da ANP, da SIX, da UFPR, CEFET, autoridades e empresas do setor, alem dos alunos envolvidos no projeto, do CEFET e da UFPR

Andamento - 2002




3. Números e Administração do ProjetoExecutora: UFPR Co-executora: CEFET/PR

Equipe de Professores:

UFPR (DEMEC – 16; DTQ – 3) Total: 19

CEFET/PR – 14 OUTROS – 6 Total: 39

Bolsistas RHAE:

ITI-1B: 3; ITI-1A: 7; DTI-7H: 7 Total: 17

Bolsistas ANP (PRH 24):

Graduação: 12; Mest.: 3; Dout.: 2 Total: 17

Recursos OCUCC:

FINEP: R$ 547.365,36; PETROBRÁS: R$ 99.100,00

UFPR-CEFET/PR: R$ 517.392 (Pessoal); RHAE: R$ 197.925,84

Total: R$ 1.361.783,20

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• Custos previstos/realizado

Adquirido – 95 % do equipamento previsto

Bolsas RHAE – Todas implementadas

PETROBRÁS – recursos disponibilizados, com saldo ainda de cerca de R$ 20.000,00. Falta ainda o quarto repasse previsto, no valor de R$ 4.992,00 (Mar 2002)

FINEP/CTPETRO – saldo de cerca de R$ 20.000,00. Faltam ainda, o terceiro e quarto repasses previstos originalmente, nos valores de R$ 28.257,00 (Set 2001) e R$ 9.977,00 (Mar 2002), respectivamente

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Programa Interdisciplinar de Pós-Graduação em Engenharia (PIPE/UFPR):

http://www.pipe.ufpr.br

PRH 24 – ANP/UFPR:

http://www.pipe.ufpr.br/anp

Projeto OCUCC:

http://www.pipe.ufpr.br/PETROLEO/prog-petroleo.htm

1. objetivos do projeto

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