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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA ANP PARA O SETOR PETRÓLEO E GÁS – PRH – ANP/MME/MCT
RELATÓRIO DA GRADUAÇÃO
Bolsista Nível Graduação: Gilson Atanásio
Orientador: Clovis R. Maliska, Ph.D.
Florianópolis, agosto de 2002.
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ÍNDICE
1. Apresentação..................................................................................... Pág. 4
2. Introdução.......................................................................................... Pág. 5
3. Objetivos............................................................................................ Pág. 6
4. Primeira Parte.................................................................................... Pág. 7
a. A unidade de Negócio da Industrialização do Xisto................ Pág. 8
b. O Processo PETROSIX........................................................ Pág. 10
5. Segunda Parte................................................................................. Pág. 27
a. Apresentação........................................................................ Pág. 28
b. Programa de Estágio............................................................ Pág. 29
i. Equipamentos Visitados e Estudados....................... Pág. 30
ii. Simulação Numérica.................................................. Pág. 37
c. Atividades Durante e Pós Estágio........................................ Pág. 47
i. Craqueamento Catalítico........................................... Pág. 47
ii. Simulação de ciclones............................................... Pág. 55
iii. Compressores e Turbina Francis.............................. Pág. 63
iv. Tubo de Hilsch........................................................... Pág. 70
v. Câmara de combustão .............................................. Pág. 78
vi. Geometria e Malha Solicitada pela PETROBRAS.... Pág. 94
6. Conclusão ....................................................................................... Pág. 95
7. Agradecimentos............................................................................... Pág. 97
8. Referências Bibliográficas .............................................................. Pág. 98
9. ANEXO
a. Disciplinas Cursadas do Programa PRH-ANP-MME-MCT... Pág. 99
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APRESENTAÇÃO
Este relatório tem por objetivo apresentar as atividades desenvolvidas durante o
estágio supervisionado na Superintendência da Industrialização do Xisto (SIX), no
período de 5 de fevereiro a 27 de julho de 2001, e as atividades desenvolvidas pós
estágio no SINMEC até a formação acadêmica do graduando, em junho de 2002.
O presente trabalho divide-se em duas partes. A primeira parte retrata a sua área
de atuação, produtos e processos, e da PQ – Gerência de Pesquisa – setor ao qual o
estágio foi realizado. A segunda parte apresenta as atividades desenvolvidas durante e
após o estágio.
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INTRODUÇÃO A efetivação do estágio na empresa PETROBRAS S/A deve-se ao vínculo
existente entre esta e o SINMEC – Laboratório de Simulação Numérica em Mecânica
dos Fluidos e Transferência de Calor, à qual o estagiário realizava pesquisas de
iniciação científica anteriormente. O acadêmico é bolsista da ANP - Agência Nacional
do Petróleo, e apresenta como cláusulas para continuidade da bolsa realizar estágio na
área de engenharia do setor petróleo e gás.
O estagiário esteve presente na PQ – Gerência de Pesquisa, na SIX – Unidade
de Negócio da Industrialização do Xisto, pertencente ao grupo PETROBRAS S/A.
Gerência esta a qual é afiliada ao CENPES e realiza-se pesquisas de campo e
computacionais sobre equipamentos utilizados e em desenvolvimento em diversas
unidades do país, objetivando otimizar processos de refino de petróleo.
Esta efetivação deve-se ao fato do estagiário ter realizado treinamento sobre
pacotes computacionais na área de CFD (Mecânica dos Fluidos Computacional)
denominados de CFX 4.4, ICEM CFD e CFX TASCflow da AEA Technology, além de
ter realizado trabalhos de pesquisa em CFD no setor de petróleo no SINMEC, tendo
eles como ferramentas de trabalho. Pacotes estes utilizados em pesquisas na empresa.
O presente relatório também apresenta as atividades realizadas pelo bolsista
durante o segundo semestre de 2001 e primeiro semestre de 2002 no SINMEC. Estas
atividades baseiam-se em trabalhos de pesquisa passados pelo seu orientador de
estágio, Waldir P. Martignoni, sendo estes portanto de interesse para a PETROBRAS
S/A.
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OBJETIVOS
Os objetivos dos trabalhos de pesquisa focam-se na aplicação de técnicas de
CFD - Fluidodinâmica Computacional, visando otimizar e buscar maior entendimento no
aspecto fluidodinâmico e de reações existentes em unidades de refino e estudo dos
fenômenos que ocorrem nos motores de combustão interna. Também como projeto de
novos equipamentos de interesse da PETROBRAS S/A, tais como o Tubo de Hilsch
para utilização fabril, além de buscar maior conhecimento referente a engenharia do
setor de petróleo.
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PRIMEIRA PARTE
Apresentação da PETROBRAS - SIX
A UNIDADE DE NEGÓCIO DA INDUSTRIALIZAÇÃO DO XISTO
A Superintendência da Industrialização do Xisto (SIX) foi constituída em 1º de
junho de 1954, com a missão de estudar as potencialidades do xisto betuminoso e a
viabilidade econômica de sua transformação industrial. Ela incorporou o acervo da
extinta Comissão de Industrialização do Xisto Betuminoso (CIXB), órgão do Governo
Federal que tinha sido repassado a PETROBRAS quando de sua criação em 3 de
outubro de 1953.
A sede está localizada no município de São Mateus do Sul, no Paraná, a 140
quilômetros de Curitiba, onde também se encontram a mina e a área industrial.
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A SIX conta com 265 empregados e cerca de 580 contratados. Em suas
atividades, mantém harmoniosa convivência com a comunidade, procurando respeitar o
interesse comum não só no município onde está inserida, como também naqueles
situados em suas proximidades.
Em função da capacidade tecnológica desenvolvida na exploração do xisto, a
PETROBRAS S/A resolveu transformar a planta industrial do xisto também num centro
avançado de pesquisa na área de refino. Hoje, vários projetos estão sendo
desenvolvidos em conjunto com universidades e centros de pesquisa. Além disso, a
SIX confere atenção especial à preservação dos ecossistemas, promove e apóia os
órgãos públicos de defesa do meio ambiente e entidades ambientalistas.
TUDO SE APROVEITA
O xisto, folhelho pirobetuminoso, é uma rocha sedimentar que contém
querogênio, um complexo orgânico que se decompõe termicamente e produz óleo e
gás. O xisto gera também uma infinidade de subprodutos e rejeitos que podem ser
aproveitados pelos mais diversos segmentos industriais.
Só para se ter uma idéia, o xisto retortado pode ser utilizado como matéria-prima
na produção de argila expandida, que é empregada em concretos estruturais e
isolantes termoacústicos. Pode ser usado também na produção de vidros, cerâmicas
vermelhas e cimento.
O calxisto (uma rocha carbonatada geologicamente denominada marga
dolomítica) é um dos rejeitos da mineração do xisto e é empregado na agricultura para
corrigir a acidez do solo. Outros rejeitos aproveitáveis do ponto de vista econômico são:
cinzas de xisto, como insumo para a produção de cimento; torta oleosa, como
combustível sólido alternativo à lenha e ao carvão mineral; finos de xisto, como
combustível e em cerâmica; água de retortagem, para a produção de adubo e
defensivos agrícolas.
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TIRANDO O ÓLEO DA PEDRA
O interesse pela potencialidade do xisto é antigo. Já no final do século XVIII, nos
Estados Unidos, cerca de 200 instalações extraíam querosene e óleo desta rocha.
No Brasil, a primeira extração aconteceu em 1884, na Bahia. Em 1935, em São
Mateus do Sul, uma usina instalada por Roberto Angewitz - mais conhecido como o
Perna-de-Pau - chegou a produzir 318 litros de óleo de xisto por dia. Em 1949, o
governo Federal decide investigar cientificamente as potencialidades do xisto e a
viabilidade econômica de sua industrialização. Um ano mais tarde, é criada a Comissão
de Industrialização do Xisto Betuminoso (CIXB), para estudar a construção de uma
usina na cidade de Tremembé, em São Paulo, com capacidade para produzir 10 mil
barris diários de óleo de xisto. Com a criação da PETROBRAS em 1953, o acervo desta
Comissão é incorporado a ela e, em 1957-58, os técnicos da PETROBRAS
desenvolveram um novo processo de transformação de xisto que recebeu o nome de
PETROSIX. Hoje, esse processo é reconhecido mundialmente como o mais avançado
no aproveitamento industrial desse minério.
O PROCESSO PETROSIX
A principal característica da tecnologia desenvolvida pela PETROBRAS é a
simplicidade operacional. Depois de minerado a céu aberto, o xisto vai para um
britador, que reduz as pedras a tamanhos que variam de 6 a 70 milímetros. Então,
estas pedras são levadas a uma retorta, onde são pirolisadas (cozidas) a uma
temperatura de aproximadamente 500 ºC liberando-se a matéria orgânica nelas contida
sob a forma de óleo e gás.
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O calor para a pirólise é fornecido por uma corrente gasosa de elevada
temperatura, que entra na zona de retortagem e se mistura com uma segunda corrente,
injetada pela base da retorta, para recuperar o calor do xisto já retortado. Nas zonas de
aquecimento e secagem, a massa gasosa ascendente cede calor ao xisto e se resfria,
resultando na condensação dos vapores de óleo sob a forma de gotículas,
transportadas para fora da retorta pelos gases. Estes, com as gotículas de óleo passam
por dois outros equipamentos (ciclone e precipitador eletrostático), onde são coletados
o óleo pesado e as partículas sólidas arrastadas na etapa anterior. O gás limpo de
neblina de óleo (ou seja, das gotículas de óleo pesado condensado durante a
retortagem) passa por um compressor e se divide em três correntes: uma retorna para o
fundo da retorta, outra também volta à retorta após ser aquecida em um forno, e a
terceira, denominada gás produto, vai para um condensador onde o óleo leve é
recuperado. Depois de retirado o óleo leve, o gás é encaminhado à unidade de
tratamento de gás para a produção de gás combustível de xisto e para a recuperação
do GLX (gás liquefeito de xisto, mais conhecido como gás de cozinha) e do enxofre.
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O óleo produzido é vendido diretamente para as indústrias e também é enviado
para a REPAR. A nafta é toda processada pela refinaria, produzindo gasolina. O GLX e
o enxofre são vendidos diretamente para terceiros.
Terminado o processo de retirada do óleo e gás da rocha, o xisto, agora dito
"retortado", é devolvido à área minerada que será reabilitada.
DESCRIÇÃO DO PROCESSO PETROSIX
Uma jazida de xisto como a da formação Irati, pela sua característica tabular,
com grande extensão lateral e ocorrendo a pouca profundidade, é explorada a céu
aberto pelo método de tiras com recuperação simultânea da área minerada.
Para efeito de mineração a jazida compõe-se de 4 camadas distintas:
• Capeamento: camada de estéril composta de argila e rochas, situada
acima do xisto superior, com espessura variável;
• Xisto Superior: xisto da camada superior, com 6,4 metros de altura;
• Intermediária: camada de rocha estéril de óleo com espessura média de 9
metros, situada entre as camadas de xisto superior e inferior;
• Xisto Inferior: xisto da camada inferior, com 3,2 metros de espessura;
A camada intermediária e as camadas de xisto são desmontadas por explosivos
antes de serem escavadas. O capeamento e a camada intermediária são removidos por
uma escavadeira de grande porte, a Dragline Marion 7500. O xisto a ser beneficiado é
retirado pelas escavadeiras 150B e 195B através da camada superior e inferior. O
remanuseio das pilhas de estéril e eventuais apoios à Marion, à 150B e à 195B é feito
pela Dragline 7W.
Na seqüência, o xisto é transportado pelo britador primário.
O TRATAMENTO DE MINÉRIO
O xisto oriundo da mina é descarregado dos caminhões para o britador primário,
de onde, após a redução inicial, é dirigido para restaurações de peneiramento e
britagem secundária, de forma a adequá-lo à faixa granulométrica de ¼” a 2 ½”. A
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carga, na granulometria especificada, é realimentada de forma contínua à retorta por
sistemas de balanças. Neste trajeto tem lugar a amostragem, que fornece ao laboratório
as quantidades representativas dos materiais para análises químicas e granulométricas
de carga.
RETORTAGEM
A retortagem de pirólise de xisto é um processo de tratamento térmico do xisto
em ambiente controlado, visando a produção do óleo, gás e subprodutos.
O processo de pirólise do xisto na SIX é feito através de duas retortas. A menor,
em funcionamento na UPI, possui um diâmetro de 5,5 metros. A maior, com diâmetro
de 11 metros, está em funcionamento em módulo industrial.
A retortagem consiste no aquecimento da rocha em condições de temperatura
controlada na ordem de 580ºC em atmosfera isenta de oxigênio, de modo que a matéria
orgânica (betume e querogênio) se decomponha pela ação do calor. Nestas condições,
uma grande parte da matéria orgânica decomposta vaporiza a rocha mãe na forma de
hidrocarbonetos gasosos e uma fração de matéria orgânica não vaporizada permanece
agregada ao rejeito com o carbono residual.
A corrente gasosa, após um processo de resfriamento, condensa a parte mais
pesada em forma de óleo e a parte não condensável constitui o gás de pirólise.
Nas condições que ocorre retortagem, acontecem também transformações da
matéria orgânica do xisto: a perita pela ação do hidrogênio gera gás sulfídrico (H2S) e,
da mesma forma os carbonetos presentes decompõem-se parcialmente em óxidos e
gás carbônico (CO2). Em função disto, os gases de pirólise apresentam em sua
composição H2S e CO2, além de hidrocarbonetos e hidrogênio.
PRODUTOS DA RETORTAGEM
São obtidos como produtos da retortagem:
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• Gás combustível para consumo local e gás liquefeito para consumo doméstico
ou industrial;
• Nafta, utilizado como combustível industrial;
• Óleo, utilizado como combustível industrial;
• Enxofre;
Como subprodutos da retortagem se enquadram:
• Cinzas de xisto, insumo industrial para produção de cimento;
• Torta oleosa, combustível sólido alternativo, para lenha e carvão mineral;
• Finos de xisto, insumo energético com aproveitamento por combustão;
• Xisto retortado, insumo industrial para produção de cerâmica vermelha;
• Cal xisto, corretivo de acidez para solos agricultáveis.
TRATAMENTO DOS PRODUTOS DE RETORTAGEM
Os produtos de retortagem do xisto ainda não estão prontos para o uso e
necessitam de tratamentos para adequá-los ao uso direto ou como de matéria-prima
para outras aplicações.
LIMPEZA DO ÓLEO
Em geral, os processos que produzem óleo por retortagem são portadores de
impurezas sólidas que devem ser eliminadas antes do tratamento do óleo.
O óleo sujo proveniente da unidade é recebido em um tanque de carga e
homogeneização, de onde é bombeado para o primeiro estágio de centrifugação. Neste
estágio de centrifugação no qual, através de centrífugas, a carga é separada em três
fluxos: óleo limpo, água oleosa e borra decantada.
A torta oleosa efluente do primeiro estágio de centrifugação e após diluição com
nafta para extração residual é bombeada para o tanque de carga dos filtros.
A torta do filtro prensa, com baixo teor de óleo, constitui o rejeito final da
unidade, sendo transportada às cavas de mineração. O filtrado, composto de óleo, nafta
e água, após a decantação desta, é misturada ao óleo semi-limpo efluente do primeiro
estágio de centrifugação.
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TRATAMENTO DOS GASES DE PROCESSO
Como citado anteriormente, depois de retirado o óleo leve, as correntes de gás
de processo são encaminhadas à unidades de tratamento para produção de gás
combustível de xisto e para a recuperação do gás liquefeito de xisto e do enxofre.
Primeiramente as correntes gasosas, compostas por hidrocarbonetos leves
(metano, propano e butano), gás carbônico, gás hidrogênio e ácido sulfúrico, são
alimentadas ao fundo de uma absorvedora onde são tratadas com uma solução de Di-
Etanol-Amina (DEA), alimentada pelo topo, para a remoção do H2S. O processo baseia-
se no fato de que a solução DEA combina-se com o H2S a temperaturas próximas à
ambiente.
A solução DEA segue para uma torre regeneradora, onde é submetida a
aquecimento para a liberação do H2S. Após o tratamento, a DEA regenerada é resfriada
e retorna ao processo.
A corrente de ácido proveniente do tratamento DEA, rica em H2S, é normalmente
enviada à Unidade de Recuperação de Enxofre (URE), onde, através de uma queima
controlada, têm-se a produção de enxofre elementar. A produção de enxofre é
conseguida por oxidação parcial do H2S através do processo Clauss. É queimado 1/3
do H2S presente no gás ácido sendo o restante reagido com o SO2 formado, conforme
as reações abaixo:
H2S + 3/2 O2 ⎯⎯⎯→ SO2 + H2O
2 H2S + SO2 ⎯⎯⎯→ 3S + 2 H2O
A mistura de gás liquefeito de gás proveniente do tratamento DEA é basicamente
composta por hidrocarbonetos leves, dentre eles C3 e C4, componentes do gás
liquefeito do petróleo (GLP). A separação destes dois compostos dos demais
hidrocarbonetos é economicamente viável a partir de uma certa produção de
combustível e representa uma forma de valorização dos produtos de xisto.
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O primeiro procedimento para a separação do GLX é a absorção em nafta que,
por semelhança molecular, retira do combustível as frações de C3 e C4. Uma
seqüência de compressões e retificações irá enquadrar o GLX produzido.
As frações mais leves não absorvidas pela nafta serão as formadoras do gás
combustível, cujo destino é o forno de aquecimento do gás de processo e o consumo
por compradores (INCEPA).
REJEITO DO XISTO RETORTADO
O xisto retortado é removido do fundo das retortas por transportadores de pás
até os transportadores de correia, de onde seguem até os silos. Nos silos são
carregados os caminhões que transportam a rocha exaurida até as cavas da mina.
PRODUÇÃO DIÁRIA
Óleo Combustível 480 t. Nafta Industrial 90 t. Gás Combustível 132 t. Gás Liquefeito 50 t. Enxofre 80 t. Calxisto 8.000 t. Xisto Fino 1.500 t. Xisto Retortado 6.600 t. Água de Retortagem 300 m3
O Brasil tem um dos maiores volumes mundiais de xisto: reservas de 1,9 bilhão
de barris de óleo, 25 milhões de toneladas de gás liquefeito, 68 bilhões de metros
cúbicos de gás combustível e 48 milhões de toneladas de enxofre só na formação Irati.
Por isto, a PETROBRAS S/A não poderia deixar de pesquisar esta fonte geradora de
hidrocarbonetos, na condição de empresa que tem a responsabilidade constitucional de
garantir o abastecimento de petróleo e seus derivados em todo o território brasileiro.
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A maior parte do xisto localizado em território nacional pertence à formação Irati,
que abrange os Estados de São Paulo, Paraná, Santa Catarina, Rio Grande do Sul,
Mato Grosso do Sul e Goiás. A PETROBRAS concentrou suas operações na jazida de
São Mateus do Sul, onde o minério é encontrado em duas camadas: a camada
Superior de xisto com 6,4 metros de espessura e teor de óleo de 6,4%, e a camada
inferior com 3,2 metros de espessura e teor de óleo de 9,1%. Em 1972, entra em
operação a Usina Protótipo do Irati (UPI), que comprova a viabilidade técnica do
processo PETROSIX, testa equipamentos e levanta dados básicos para projetos de
usinas industriais. O processo de consolidação da tecnologia PETROSIX se completa
em dezembro de 1991, quando entra em operação o Módulo Industrial (MI), em plena
escala. Hoje a UN-SIX processa diariamente 7.800 toneladas de xisto betuminoso, que
geram 3.870 barris de óleo de xisto, 120 toneladas de gás combustível, 45 toneladas de
gás liquefeito de xisto e 75 toneladas de enxofre.
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INCUBADORA TECNOLÓGICA
Para viabilizar o surgimento de novas empresas que utilizem e desenvolvam
novos processos a partir do xisto, foi criada, em dezembro de 1992, a Incubadora
Tecnológica de São Mateus do Sul, por meio de convênio firmado entre a PETROBRAS
S/A e o Centro de Integração de Tecnologia do Paraná (CITPAR).
A Iniciativa conta com o apoio de várias outras instituições, como o Banco
Regional de Desenvolvimento do Extremo Sul (BRDE), a Federação das Indústrias do
Paraná (FIEP), o Serviço de Apoio à Pequena Empresa (SEBRAE), a Universidade do
Paraná (UFPR), a Prefeitura Municipal de São Mateus do Sul e a Mineropar Com o
objetivo de incentivar o nascimento de empresas que tenham processos inovadores do
ponto de vista tecnológico, a Incubadora de São Mateus do Sul, localizada na área da
SIX, oferece, por três anos, espaço físico, uso de instalações e serviços a baixo custo,
infra-estrutura técnica e administrativa, informações tecnológicas e orientação
empresarial. Fornece, também, energia elétrica, vapor, água e ar comprimido.
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RESPEITANDO O MEIO AMBIENTE
Muito antes da atual legislação ambiental, a PETROBRAS começou um trabalho
de recomposição das áreas degradadas pela mineração do xisto, com o objetivo de
reconstruir a antiga cobertura vegetal e reintroduzir espécimes da fauna regional.
Trabalhando em colaboração com universidades e centros de pesquisa, os
técnicos da UN-SIX conseguiram desenvolver metodologias da reabilitação das áreas
mineradas, de modo a garantir o retorno das florestas nativas ou a utilização para
atividades agropecuárias, num total de mais de 275 hectares de áreas mineradas e
reabilitadas.
Na UN-SIX, o programa de recuperação ambiental é permanente, fazendo com
que a PETROBRAS seja considerada modelo entre as empresas mineradoras que
atuam no País e mostrando que é possível harmonizar mineração e meio ambiente.
Em São Mateus do Sul, as escavações chegam a atingir 40 metros de
profundidade, mas, a cada etapa de escavação e retirada do xisto, o solo é
reconstituído com a recomposição das camadas originais, podendo, então, ser utilizadO
para o plantio de florestas nativas, desenvolvimento da agricultura ou atividades
pecuárias.
A UN-SIX pesquisou, também, por meio de convênio firmado com a
Universidade Federal do Paraná, a reconstituição da cobertura vegetal para fins
agrossilvopastoris, através da sucessão de culturas e forrageiras, comprovando a
possibilidade de reutilizar os terrenos reabilitados para desenvolver lavouras e áreas de
pastagens.
A fim de auxiliar no trabalho das áreas mineradas, foram instaladas colméias,
para que as abelhas acelerassem a polinização das flores, ajudando a reconstituir a
cobertura vegetal. Os resultados desta experiência não poderiam ser melhores. Já na
primavera de 1993, foram produzidos 300 quilogramas de mel de qualidade
considerada excelente pelo Instituto de Tecnologia do Paraná.
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UM CENTRO DE PESQUISAS
Desde sua criação, a UN-SIX vem atuando como um centro de desenvolvimento
de tecnologia, inicialmente para o aproveitamento do xisto e, a partir de 1991, em
outros projetos, principalmente na área de refino, trabalhando em conjunto com o
Centro de Pesquisas da PETROBRAS (Cenpes).
Com a implantação do Programa de Desenvolvimento de Tecnologias
Estratégicas de Refino (PROTER), que busca compatibilizar a maior oferta de petróleos
nacionais com o aumento de demanda de combustíveis e maior exigência da sociedade
por uma melhoria da qualidade do ar e dos produtos, a UN-SIX passou a trabalhar nas
áreas de craqueamento catalítico, desasfaltação, hidrogenação e no desenvolvimento
de novas rotas para o aproveitamento do coque e do resíduo asfáltico.
A UN-SIX também vem desenvolvendo tecnologia na área ambiental, com a
implantação do laboratório de combustão, que irá analisar a emissão de gases durante
o processo de combustão em unidades industriais. Essas informações serão fornecidas
aos legisladores, para que possam formular leis ambientais mais adequadas.
A UN-SIX desenvolveu e patenteou ainda uma tecnologia para a incineração de
resíduos oleosos. Esta alternativa apresenta as vantagens da simplicidade operacional
e queima simultânea de diversos combustíveis, aliadas ao baixo custo de construção e
manutenção. Grande parte destes projetos estão sendo desenvolvidos em conjunto
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com as universidades. Assim, a UN-SIX sedia um dos maiores esforços de
desenvolvimento tecnológico do País.
A MINERAÇÃO
A jazida de xisto de São Mateus do Sul está situada na Bacia do Paraná e
pertence à Formação Irati. A coluna de interesse econômico é composta de duas
camadas de folhelho pirobetuminoso (xisto), separadas por uma camada intermediária
constituída por margas e siltitos. As camadas de xisto apresentam espessuras de 6,50
e 3,20 m com teores de óleo da ordem de 7,5 e 9,1% (em peso), respectivamente.
Embora a espessura da camada de xisto inferior seja de 3,20 m (litológica), a de lavra é
de 2,0 m a 2,4 m, o que proporciona um teor aproximado de 11,5%. A camada
intermediária é constituída na parte superior por intercalações de marga dolomítica, que
corresponde a uma rocha carbonática rica em sílica e magnésio e folhelho preto,
denominado calxisto, utilizado para produção de brita e corretivo de solos. Na parte
inferior ocorrem siltitos de coloração cinza escuro, não apresentando matéria orgânica
em quantidades significativas.
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PESQUISA - PQ
A SIX possui diversas plantas piloto utilizadas na realização de estudos para
desenvolvimento de processos e equipamentos que fazem parte, juntamente com o
setor de Laboratório, da Gerência de Pesquisa e Desenvolvimento – PQ.
SETOR DE LABORATÓRIO
O laboratório realiza análises referentes à pesquisa geológica, como as
destinadas à caracterização geoquímica das rochas, análises relativas ao controle de
qualidade dos produtos comercializados e análises químicas e físico-químicas das
amostras geradas nos testes em escala de bancada, piloto e protótipo do processo
Petrosix e dos processos alternativos e complementares. Além disso, o laboratório
realiza experimentos que, devido à sua natureza, fornecem melhores resultados em
escala de laboratório do que em bancadas ou plantas piloto.
As análises de laboratório podem ser divididas, de um modo geral, em quatro
grupos: xisto, óleo, gases e água.
UNIDADES DE PESQUISA
PLANTA DE HIDROGENAÇÃO CATALÍTICA
Os processos de hidroconversão consistem em converter as frações pesadas a
altas temperaturas (acima de 400ºC), em altas pressões parciais de hidrogênio (acima
de 70 kgf/cm2) e na presença de um sistema catalítico. A carga (resíduo de vácuo) é
formada por compostos de elevado peso molecular, os asfaltenos, que concentram a
maior parte dos metais, N e S do resíduo. Tais moléculas rompem algumas ligações em
função do calor, resultando em radicais livres que, caso não sejam hidrogenados,
ligam-se em cadeia gerando coque. O hidrogênio estabiliza os radicais livres,
impedindo a formação do coque.
Para que a reação de hidroconversão se processe, o hidrogênio necessita de
catalisador com sítios ativos. Entretanto, trabalhar com resíduo de vácuo como carga
implica em uma alta taxa de desativação do catalisador, resultando dificuldade em
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hidroconverter resíduo em leito fixo. Por isso os processos de hidroconversão são
desenvolvidos em leito expandido, que permite trabalhar com reposição de catalisador,
mantendo a atividade do sistema catalítico, além de eliminar problemas de formação de
pontos quentes, má distribuição de fluxo e entupimento.
LABORATÓRIO DE COMBUSTÃO
O laboratório de combustão tem como principais objetivos avaliar combustíveis
líquidos em processo de combustão quanto à geração de poluentes gasosos,
particulados, eficiência energética, manuseio e segurança, e testar queimadores e
equipamentos ligados à combustão.
U-2110 – PLANTA PILOTO DE DESTILAÇÃO
A planta piloto de destilação está a todo vapor, destilando naftas diversas para a
composição das gasolinas de competição fornecidas pela PETROBRAS,
principalmente, à Fórmula 1, para a Equipe Williams, agora com motor BMW.
Estão sendo feitos diversos testes, na REFAP, REPLAN e no CENPES e sendo
estudada a composição para 2001.
Está sendo desenvolvido, entre outras coisas, um modelo matemático para
estudos em motores.
UNIDADE MULTIPROPÓSITO DE FCC
O processo de craqueamento catalítico tem por objetivo converter
hidrocarbonetos de elevado ponto de ebulição em frações leves de hidrocarbonetos,
como gasolina e gás liquefeito de petróleo.
O FCC emprega catalisador na forma de pó muito fino, cujas partículas
comportam-se como um líquido quando fluidizadas com vapor d’água ou ar.
A técnica tradicional consiste em alimentar a mistura íntima de catalisador na
forma de suspensão quente com a carga de hidrocarbonetos atomizada em pequenas
gotículas, em reator tubular de fluxo ascendente – “riser”, onde ocorrem as reações de
craqueamento.
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Ao final do riser ocorre a rápida separação das partículas de catalisador
coqueado da suspensão de hidrocarbonetos craqueados. A suspensão de catalisador e
hidrocarbonetos craqueados proveniente do riser é direcionada para o interior de um
vaso separador, geralmente na forma de um jato descendente, onde ocorre a
separação da maior parte do catalisador e pela ação gravitacional. Hidrocarbonetos
coqueados e fluido de retificação arrastando algum catalisador escoam pela parte
superior do vaso separador.
Assim, a unidade multipropósito de FCC tem como objetivo testar condições
operacionais, catalisadores, cargas e equipamentos de uma unidade de craqueamento
catalítico fluido através do craqueamento de resíduos atmosféricos, resíduos
atmosféricos, resíduos de vácuo e gás-óleo pesado.
UNIDADE À FRIO DE CICLONES (UNIDADE – U111)
Sabe-se que as Unidades de Craqueamento Catalítico (UFCC) apresentam um
sério problema que é a perda de catalisador durante a sua operação.
Nessas unidades é usual a utilização de ciclones como mecanismo separador
dos sólidos em suspensão. Tais ciclones normalmente dispõem de uma válvula em
suas extremidades de descarga do material sólido. Esta válvula atua como elemento de
selagem, impedindo o contra-fluxo da corrente gasosa para o interior do ciclone, o que
reduziria consideravelmente a sua eficiência de separação. Entretanto, por melhor que
seja projetada, é mecanicamente impossível para uma única válvula eliminar
completamente o arraste de partículas sólidas devido ao contra fluxo da corrente
gasosa, no intervalo entre a abertura e o conseqüente fechamento da válvula. A
pressão interna no ciclone é sempre inferior à pressão no vaso, sendo necessária a
selagem da perna do ciclone, através do emprego de algum tipo de válvula de selagem
em sua extremidade inferior.
Tipicamente empregam-se conjuntos de dois ciclones em série para se obter a
máxima separação das partículas. A separação da maior parte das partículas ocorre no
primeiro estágio de ciclone, sobrando uma concentração baixa e de distribuição
granulométrica reduzida para o segundo estágio.
22
De forma a minimizar o rearraste de particulados durante o ciclo de abertura da
válvula de selagem, visando manter a alta eficiência de operação do ciclone, estudou-
se o emprego de duas válvulas de selagem em série na mesma perna, formando uma
câmara de acúmulo de sólidos entre as duas válvulas.
Realizados diversos testes para avaliação da perda de calor da unidade, estudos
de troca térmica entre o leito do regenerador e uma serpentina imersa no leito,
utilizando como fluido para retirada de calor água ou ar. Com isso, pudemos quantificar
o calor possível de ser removido do regenerador. Realizados, também, testes com
vaporização parcial e completa da carga (gasóleo pesado). O objetivo da vaporização
da carga é reduzir o rendimento de coque e gás combustível e com isso aumentar a
quantidade de carga processada, o que acarreta maior rentabilidade das unidades de
craqueamento catalítico, além de verificar a influência da vaporização da carga no
rendimento de produtos.
U-2325 - Unidade Piloto de Desasfaltação.
23
SEGUNDA PARTE
ATIVIDADES DESENVOLVIDAS
APRESENTAÇÃO
As atividades desenvolvidas baseiam-se em simulações em unidades de
ciclones, unidades com escoamentos em regime de leito fluidizado, simulações de
câmaras de combustão e simulações de elementos rotativos. A presente parte
demonstrará novamente em uma breve explicação referente à simulação numérica e os
pacotes computacionais empregados, descreverá os equipamentos industriais e
automobilísticos que foram e estão sendo simulados, bem como os trabalhos realizados
até o presente momento e os resultados.
Deve-se enfatizar a limitação que foi empregada pela PETROBRAS S/A para a
descrição deste relatório pois todos os trabalhos realizados pelo estagiário foram de
cunho altamente confidencial, devendo, portanto, ser respeitada a posição da empresa.
24
PROGRAMA DE ESTÁGIO As atividades de estágio na empresa foram referentes à simulação numérica de
fenômenos na área de mecânica dos fluidos, reações químicas, transferência de calor e
massa que ocorrem na câmara de combustão de automóveis e em diversos
equipamentos utilizados para o refino de petróleo. Para a resolução destes casos foram
utilizados os pacotes computacionais CFX-4.4, CFX-TASCFlow e ICEM CFD que
apresentam grande confiabilidade nos resultados. Estes softwares resolvem problemas
pelo método de Volumes Finitos conforme em [7].
1- Trabalhos com CFD (Fluidodinâmica Computacional)
• Criação de malhas em CFX-4.4 e ICEM CFD;
• Estudos Fluidodinâmicos em CFD sobre equipamentos utilizados no
processo de craqueamento catalítico (FCC) sobre as seguintes geometrias:
o Ciclones;
o ”Risers”;
o Equipamentos (fornos, caldeiras, regeneradores);
o Tubulações.
2- Modelagem e Simulação da Câmara de Combustão.
• Foi simulado no ambiente do software CFX-TASCFlow;
• Modelagem Dinâmica;
• Estudos de Combustíveis;
3- Elaboração de relatórios Durante o período de estágio foram confeccionados relatórios para outros
setores da referida empresa, como material informativo sobre o desenvolvimento dos
trabalhos e resultados.
Equipamentos Visitados e Estudados Durante Estágio Unidades de Craqueamento Catalítico - FCCs
25
O objetivo deste item é apresentar o funcionamento de equipamentos que foram
trabalhados e simulados, tais como ciclones e risers, bem como suas finalidades dentro
do processo de craqueamento catalítico procurando evitar apresentação dos problemas
enfrentados por questões de sigilo industrial.
O Craqueamento Catalítico (FCC) é um processo de conversão primária em uma
refinaria integrada conforme indicado em [5] e [6]. Para muitas refinarias, o
craqueamento (quebra) é a chave para lucratividade em que o sucesso na operação da
unidade pode determinar ou não um grande negócio.
Há aproximadamente 400 tipos de FCCs operando mundialmente com um total
de processamento de mais de 12 milhões de barris por dia.
Várias companhias de óleo, como Exxon, Shell e outros têm seus próprios
formatos. Contudo, unidades de operação atuais têm sido designados por três grupos
de engenharia VOP, M. W. Kellog e Stone & Webster.
Contudo a configuração mecânica das unidades FCC podem ser arranjadas
diferentemente, seus objetivos comuns são a eficiência na conversão de matéria prima
em produto.
É importante notar que mundialmente 45% de toda gasolina produzida vêm do
FCC, assim como unidades de alquilação.
Desde o início da primeira unidade comercial em 1942, muitos aperfeiçoamentos
têm sido desenvolvidos para aumentar a sua capacidade de craqueamento.
A unidade de FCC utiliza catalisadores micro-esféricos que fluidizam quando
apropriadamente aerados. A principal propriedade é converter frações de petróleo
vaporizadas chamadas gás-óleo para gasolina, óleo diesel etc. Gás óleo é a porção de
óleo cru que aquece entre 330ºC a 550ºC e contém uma diversificada mistura de
parafinas, naftênos, aromáticos e olefinas. A figura 1 mostra foto de uma unidade FCC.
A figura 2 ilustra o diagrama esquemático de uma unidade de FCC.
26
Figura 1: Foto de uma unidade FCC [3].
27
Figura 2: Diagrama esquemático de uma unidade de FCC [3].
28
Alimentação a quente, junto com pouco vapor (Steam), é introduzida na parte
inferior o Riser via distribuição especial sobre um bocal. Aqui ele encontra um fluxo de
catalisador quente proveniente do regenerador (Regenerator) descendo de um tubo
inclinado conforme em [3].
O catalisador de craqueamento em leito fluidizado desempenha três funções
principais no processo:
a) Promotor das reações de craqueamento – é a principal função do catalisador no
processo. Ele promove a ocorrência de reações de quebra em condições mais suaves do
que as requeridas no craqueamento térmico. Além disso, a quantidade e a qualidade dos
produtos são superiores ao processo realizado sem a presença de catalisador.
b) Agente de transporte de coque – o carbono depositado na superfície do catalisador é
transportado do reator ao regenerador, onde é queimado produzindo energia, sendo esta
a principal fonte de calor para o processo. Caso não houvesse o catalisador, o coque
formado tenderia a se depositar no interior dos vasos de reação, provocando
entupimentos e reduzindo o tempo de operação contínua da unidade.
c) Agente de transferência de calor – o calor gerado pela queima do coque no regenerador é
parcialmente utilizado para o aquecimento do catalisador, elevando sua temperatura de
100 a 350ºC. A circulação do catalisador retira esta energia do regenerador e a utiliza
para aquecer e vaporizar a carga, de modo a possibilitar e manter as reações de
craqueamento.
O FCC é um processo no qual devem existir três equilíbrios simultâneos em sua operação:
• Equilíbrio de calor: o excesso de geração de energia causa elevadas
temperaturas, causando danos ao equipamento e ao catalisador. A baixa
geração de energia causa temperaturas insuficientes do catalisador, fazendo
com que as reações não ocorram corretamente.
• Equilíbrio de pressões: é fundamental para que o catalisador circule
corretamente e não ocorra inversão do fluxo.
29
• Equilíbrio químico: também chamado de equilíbrio de coque ou balanço de
carbono, consiste na queima do coque gerado na reação. A insuficiência da
queima de coque causa um acúmulo deste no catalisador, o que afeta as
conversões. Por outro lado, a insuficiência na geração de coque afeta o balanço
térmico.
Assim, o Craqueamento Catalítico é um processo bastante complexo devido à
quantidade de variáveis que estão envolvidas. Classificar as variáveis operacionais em
dois grandes grupos: variáveis independentes (ou de ação direta), nas quais atua-se
através de um controlador e variáveis dependentes (ou de ação indireta), que são
alteradas em conseqüência da mudança de alguma variável independente. O óleo é
aquecido e vaporizado pelo catalisador quente e as reações de craqueamento iniciam.
O gás, inicialmente formado pela vaporização e sucessivamente por craqueamento,
eleva o catalisador ao longo do riser entre 10 e 20 m/s em regime de leito fluidizado
numa fase diluída. Na saída do riser o catalisador e os hidrocarbonetos são
ligeiramente separados em um equipamento especial. O catalisador (agora
parcialmente desativado pela deposição de coque) e o vapor entram no reator. O vapor
se eleva via um separador gás-sólido chamado ciclone para remover do catalisador
antes deste entrar no fracionador e demais equipamentos para separação de produto. A
figura 3 ilustra um “raio x” de um ciclone em funcionamento e o movimento das
partículas em forma de espiral.
30
Figura 3: Representação do escoamento no interior de um ciclone. [6]
O catalisador então desce e vai para o Stripper onde os hidrocarbonetos que
ainda são arrastados e elevados novamente por injeção de vapor (Steam), antes de
escoar via rampas inclinadas dentro do Stripper para o regenerador. Ar é fornecido para
o regenerador por um soprador e distribuído através da camada de catalisador. O
31
coque depositado é queimado e o catalisador regenerado desce pelo tubo e vai para
realimentar o riser, e o ciclo recomeça.
Simulação Numérica
O engenheiro para resolver um determinado problema apresenta três
ferramentas: métodos analíticos, métodos numéricos, experimentação em laboratório
[8]. O método numérico é um campo amplamente usado nos setores de engenharia e
física e que cresce muito com o avanço da tecnologia dos computadores reduzindo o
tempo de processamento, e dos softwares, cada vez mais fieis na resolução, mais
fáceis e capazes de resolverem problemas cada vez mais complexos. O método
utilizado pelos softwares trabalhados no presente estágio resolvem pelo método dos
volumes finitos. A bolsa de estudos da ANP foi efetivada em março de 2000. Durante o primeiro
semestre, com o ingresso no SINMEC, por ser uma área que exige grande
conhecimento na área de informática foi realizado treinamento de diversos softwares,
tais como Windows, Word, Excel, Power Point, Corel Draw, ambiente DOS e ambiente
UNIX. Após, foi realizado estudos referentes à Mecânica dos Fluidos Computacional e
treinamento em programação nas linguagens C e C++, além de noções do método de
Volumes Finitos.
No final do mês de agosto iniciou-se treinamento através de manuais indicada
em [1] dos pacotes computacionais ICEM CFD, CFX 4.4 e do CFX-TASCflow da
empresa AEA Technology, sendo estes os pacotes mais avançados e utilizados para a
resolução de problemas na área de CFD nos diversos setores industriais e
principalmente na indústria de petróleo.
As etapas do processo e respectivos pacotes dividem-se em cinco partes
principais:
• Desenvolvimento da Geometria através do ICEM CFD DDN e do CFX 4.4
Build;
32
• Desenvolvimento da malha numérica hexaédrica através do ICEM CFD
Hexa e do CFX 4.4 Build;
• Implantação das condições de contorno através do CFX 4.4 Comand File e
do CFX Tascflow;
• Rodagem do problema através do CFX 4.4 Solver e do CFX Tascflow;
• Análise dos resultados através do CFX 4.4 Visualize, Analise e do CFX
TASCFlow;
As etapas serão explicadas abaixo.
ICEM CFD
Proporciona uma sofisticada aquisição de geometria e geração de malha. Uma
relação fechada com a geometria durante a geração da malha é mantida. Ele suporta
todos os solvers e analistas de códigos que utilizam malhas estruturadas.
CFX-4
O CFX-4 é um programa para a predição de escoamento laminar e turbulento, e
transferência de calor, massa e reações químicas, junto com modelos adicionais tais
como escoamento multifásico, combustão e transporte de partículas. O programa CFX-
4 consiste de um número de módulos:
• O módulo de pré-processamento, ou geometria e geração da malha
• O CFX-4 Solver propriamente dito
• O módulo da solução do CFX-4 Solver
• O módulo de Pós-Processamento ou gráfico
A geometria e a geração da malha podem ser usadas para definir o domínio a
ser estudado para a simulação numérica posterior. O solver propriamente dito
transforma os dados descritos pelo usuário para linguagem de comando de forma que o
33
programa possa resolver. O módulo da solução resolve a representação discretizada do
problema. O módulo gráfico permite a visualização dos resultados.
CFX-TASCflow
É um softwares que apresenta basicamente módulos semelhantes ao CFX-4 tais
como pré-processamento, processamento e pós-processamento, porém este resolve
sem acoplamento das propriedades envolvidas, enquanto que o CFX-TASCFlow é
acoplado. Este software é largamente utilizado na área de elementos rotativos, tais
como bombas, compressores e câmaras de combustão, além deste apresentar um
processamento dos resultados melhor que o solver do CFX-4. Os itens à seguir
apresentam as etapas seguidas pelo simulador numérico que utilizam estes pacotes,
bem como uma descrição mais detalhada.
1 Pré-Processador
Desenvolvimento da Geometria
Através do ICEM CFD DDN é construído o problema físico a ser estudado.
O DDN é um sistema CAD semelhante ao Auto CAD da Microsoft onde pode-se
criar geometrias desde simples tubulações até aviões e submarinos
detalhadamente. As figuras 4 e 5 ilustram exemplos de um simples cilindro e
ciclone respectivamente. Ciclones são equipamentos utilizados na indústria de
refino basicamente para separar partículas sólidas de gasosas.
34
Figura 4: Representação da geometria de um cilindro feito no ICEMCFD DDN.
35
Figura 5: Representação de um ciclone tangencial feito no CFX-Build.
Geração da Malha Hexaédrica
Com a geometria feita, deve-se criar uma malha numérica a fim de que o
software resolva numericamente o problema físico. O ICEMCFD Hexa realiza este
processo através de associações dos blocos da malha com a geometria. Nesta etapa a
geometria é tratada como um “molde” para a malha onde esta deverá ficar com o
formato o mais próximo possível da geometria.
36
O tipo de malha estudado foi a estruturada hexaédrica, onde os volumes são
sólidos de 6 faces retangulares, já que o CFX 4.4 resolve problemas com malhas
estruturadas. Trata-se do meio físico a ser estudado.
As figuras 6 e 7 mostram a malha do cilindro, apresentado acima, e de um
automóvel como exemplo. Com a malha formada, pode-se resolver problemas de
escoamentos, transferência de calor e reações. Para o caso do automóvel é criada a
geometria de um túnel de vento com um automóvel dentro para avaliar o coeficiente
aerodinâmico por exemplo.
Figura 6: Representação da malha hexaédrica do cilindro.
37
Figura 7: representação da malha hexaédrica do túnel de vento até a superfície de um automóvel.
As malhas, como apresentadas acima, estão prontas para definir as condições
de contorno. Outro software estudado foi o CFX 4.4 Build. Neste, trabalha-se com a
criação da geometria e malha simultaneamente, ou seja cria-se a geometria
preocupando-se com a relação inter-bloco da malha, diferente dos explicados acima
onde realiza-se cada etapa separadamente.
Definição das Condições de Contono (Comand File)
Nesta etapa o usuário define as condições de contorno bem como as variáveis
que deseja serem calculadas. Para o caso do joelho, que fluido está passando, ar, água
ou petróleo; sua fase gás, líquido ou sólido; qual o fluxo, temperatura, ocorre reação
química, há ação de particulado, enfim, diversos casos podem ser colocados no CFX
4.4 Comand File e no CFX Tascflow. Para o caso do ciclone foi definida uma entrada
38
pela voluta, ou seja, a face retangular, e duas saídas pelo topo (Cilindro menor
conforme mostrado na Fig. 2) e pela face inferior do tronco de cone, não visualizado na
figura.
2 Processador
Solver (Processador)
Nesta etapa, o software realiza os cálculos escolhidos pelo usuário sobre a
malha formada pelo método de volumes finitos, ou seja, o software realiza um balanço
de massa, energia, quantidade de movimento etc, pelas equações de Navier-Stokes,
para cada elemento da malha hexaédrica. Nestes volumes avalia-se balanços de
massa, energia, quantidade de movimento e outros termos fonte. Esta etapa pode ser
feita pelo CFX-4.4 Solver e pelo CFX-TASCFlow. A figura 8 ilustra o gráfico de resíduo,
ou seja, variação de entrada e saída de fluxo nos elementos.
39
Figura 8: Representação do gráfico de resíduo do CFX TASCFlow.
40
3 Pós-Processamento
Análise dos Resultados
Com a convergência alcançada, os resultados são avaliados através de:
• Dados calculados pelo software como fluxo na entrada da geometria e na
saída, força de arraste na parede, temperatura, resíduo máximo, pressão e
outros;
• Visualização dos resultados através de mapeamento vetorial sobre um plano
qualquer, mapeamento de pressão, velocidade e temperatura, e também
através de gráficos em quaisquer pontos escolhidos sobre a geometria.
Figuras ilustrando o processo de pós-processamento serão apresentadas
posteriormente.
Atividades Realizadas Durante e Pós Estágio Curricular Neste tópico apresenta-se as atividades realizadas mais relevantes pelo bolsista
graduação desde o primeiro semestre de 2001 até julho de 2002. Estas concentram em
estudos no tocante aos aspectos físicos e numéricos do Tubo de Hilsch, Câmara de
Combustão, Reator de Craqueamento Catalítico e outros trabalhos solicitados pela
PETROBRAS como a construção de geometria e malha numérica para posterior
simulação pela empresa.
41
MODELAGEM E SIMULAÇÃO 3-D DE UM REATOR DE CRAQUEAMENTO CATALÍTICO (FCC): MODELO CINÉTICO-FLUIDOTERMODINÂMICO
Realizou-se estudos sobre um Reator de Craqueamento Catalítico – FCC (Fluid
Catalitic Cracking) na forma de auxílio de tese de doutorado da ANP, que está sendo
feita no SINMEC.
O Projeto de pesquisa tem como objetivo modelar e simular um reator de
craqueamento catalítico denominado “Riser” e auxiliará a tese de doutorado da ANP
“Modelagem e Simulação 3-D de um Reator de Craqueamento Catalítico (FCC): Modelo
Cinético-Fluidotermodinâmico”, e consiste no desenvolvimento de um modelo que
simule o padrão de escoamento e sua influência nas taxas de reação objetivando assim
encontrar a melhor configuração de alimentação de catalisador e matéria prima, bem
como o estudo de aspectos relacionados ao projeto da unidade. Um dos aspectos
importantes de uma unidade de craqueamento catalítico refere-se a região de
alimentação, onde ocorre forte interação entre o catalisador, que retorna da unidade de
regeneração, e o gás-óleo. Esta interação pode gerar pontos quentes produzindo gases
leves indesejáveis, este fato exige um estudo mais aprofundado nesta região, onde os
mecanismos de turbulência influenciam as taxas de reação. A simulação será realizada
utilizando pacotes computacionais da AEA Technology.
No reator de craqueamento catalítico mistura-se o óleo bruto “atomizado”, ou
seja, na fase gás com o catalisador, que são partículas porosas na fase sólida onde,
ambos em contato promovem reações químicas, objetivando em outras partes da
refinaria alcançar o refino de petróleo e conseqüente formação de diversos produtos.
Sua geometria consiste de uma tubulação na vertical, onde entra por baixo
petróleo bruto na fase gás, unida com outra tubulação de diâmetro menor, onde entra
catalisador, que são partículas com formato aproximadamente arredondado, diâmetro
médio da ordem de 70μm, presente na fase sólida, e são despejados no tubo maior. Na
indústria de petróleo, a geometria do Riser é encontrada com dimensões variadas, com
diâmetros do tubo maior da ordem de 0,1m a 0,3m e altura de 10m, podendo chegar
até a 40m. O caso estudado tem diâmetro de 1,24m e altura de 50m na tubulação maior
42
e 0,3m de diâmetro da tubulação menor angulados de 60º entre si. A figura 37 ilustra a
geometria do reator.
50 m
60 °
Figura 37: Vista lateral (acima) e geometria do Riser.
As partículas são arrastadas pelo gás-óleo, em regime de leito fluidizado, e
ambas alcançam a parte superior do tubo maior. Durante o regime de leito fluidizado, as
moléculas de gás-óleo em contato com as regiões de “sítios ativos”, localizados na
superfície externa e na superfície interna da região porosa do particulado, sofrem
reações químicas denominadas adsorção. Os sítios ativos são regiões do particulado
aptas a reagir quimicamente sobre o gás-óleo.
O reator FCC tem como região crítica a de alimentação, devido aos efeitos de
turbulência associados à forte interação entre o catalisador, proveniente da unidade de
regeneração que entra em contato com o gás-óleo da alimentação do Riser. Pelo fato
de cerca de 80% das reações ocorrerem na junção entre os dois cilindros, deve-se ter
uma boa representação física aumentando o refino de malha nesta região.
Após, passou-se para a etapa de geração da malha numérica. As figuras 38 e 39
mostram regiões da malha feita no ICEM CFD Hexa. Na região interna das tubulações
foi feita uma malha cartesiana nas regiões centrais e cilíndrica nas bordas, com a
finalidade de melhorar a ortogonalidade entre os elementos. Para que a malha
apresente boa qualidade, os volumes devem ser o mais próximos da forma cúbica.
43
Porém quanto maior a complexidade da geometria, torna-se inevitável a não
deformação dos elementos. Busca-se uma malha com menor distorção possível.
Ângulos mínimos entre as arestas dos volumes devem ser maiores que 13 graus. A
malha criada apresenta ótima qualidade pois o menor ângulo esteve acima de 20 graus.
Este modelo apresenta 120.000 volumes. Pode-se notar também um maior refino de
malha na região de alimentação, na junção dos cilindros.
Figura 38: Vista da malha na região de alimentação do Riser.
44
Figura 39: Vista da malha na região de alimentação do catalisador. Por ser uma região de
altos gradientes, neste local apresenta-se maior refino.
Inicialmente foram feitos testes sobre a malha, definindo condições de contorno
com menor complexidade como aplicação de escoamento monofásico, ar nas duas
entradas, isotérmico e em regime permanente.
Alcançada a convergência, aplicar-se-ão condições de contorno cada vez mais
complexas e mais próximas do objetivo final do trabalho. Nesta etapa as condições
serão a aplicação de fluxo de ar nas duas entradas com injeção de partículas no cilindro
menor. A dimensão das partículas são próximas da dimensão das partículas do
catalisador, apresentando forma arredondada com diâmetro de 70μm. O modelo de
injeção de partículas simulado no CFX TASCflow avalia a influência de agentes
externos sobre o particulado denominado modelo Lagrangiano. Porém o objetivo de
estudo é avaliar também a influência das partículas sobre o escoamento que é o
modelo Euleriano, onde simular-se-á em etapas seguintes. Há diferença de temperatura
nas duas entradas, avaliando transferência de calor.
As figuras abaixo representam resultados da simulação de um escoamento
turbulento monofásico com transferência de calor. A condições de contorno utilizadas
foram:
45
• Parâmetros do fluido:
o Viscosidade 2,0E-05 kg/m.s;
o Densidade 7,20E+00 kg/m3;
o Condutividade Térmica 7,0E-02 W/m.K;
o Calor Específico do Fluido 3350,0 J/kg.K;
• Condição de contorno na entrada de gás inferior pelo tubo maior:
o Velocidade 4,91E+00 m/s;
o Intensidade Turbulenta 3.7000E-02;
o Comprimento de Escala da Dissipação Turbulenta: 1,24E+00 m;
o Temperatura 7,7300E+02 K;
• Condição de contorno na entrada de gás inferior pelo tubo menor:
o Velocidade 3,047E+00 m/s;
o Intensidade Turbulenta 3.7000E-02;
o Comprimento de Escala da Dissipação Turbulenta: 3,00E-01 m;
o Temperatura 9,7300E+02 K;
• Condição de contorno na saída de gás superior pelo tubo maior:
o Pressão Manométrica: 0 Pa (Atmosférica);
o Intensidade Turbulenta 3.7000E-02;
A figura 40 mostra o mapeamento dos vetores velocidade na região de união dos
tubos. Nota-se a presença de uma forte zona de recirculação. A figura 41 mostra o
mapeamento do campo de velocidades W na direção Z, que é paralela ao tubo. Nota-se
a presença de velocidades negativas na região acima da junção.
46
Figura 40: Mapeamento do vetores velocidade na região de união dos tubos.
47
Figura 41: Mapeamento do campo de velocidade W na direção Z.
A figura 42 mostra o mapeamento do campo de temperaturas na região da
junção dos tubos. Nota-se a presença de fortes gradientes.
48
Figura 42: Mapeamento do campo de temperaturas na região de união dos tubos.
Os trabalhos referentes ao Riser prosseguirão com o objetivo de rodar casos
com condições de contorno mais complexas incluindo modelos que procurem
representar ao máximo fenômenos que ocorrem na realidade, ou seja, escoamento
multifásico, reações químicas, transferência de calor, partícula porosa além de avaliar a
influência das partículas sobre o escoamento e vice versa (modelo Euleriano) e analisar
o modelo de turbulência. E também variar a geometria do Riser objetivando estudar sua
influência nas taxas de reação.
49
Simulação de Ciclones
Ciclones são equipamentos utilizados na indústria petrolífera. São localizados após a
unidade de craqueamento catalítico (FCC) e geralmente são conectados a mais de uma unidade
ciclone, de duas a três conforme bibliografia recomendada, dispostos em série entre si.
Na unidade de FCC – Reator de craqueamento catalítico (fluid Catalitic Cracking), que
significa quebra de moléculas, onde se mistura o óleo bruto “atomizado” (gás-óleo), ou seja, na
fase gasosa, a temperaturas entre 330º e 550ºC com o catalisador, a temperaturas entre 270º e
357ºC que são partículas porosas na fase sólida onde, ambos em contato promovem reações
químicas, objetivando em outras partes da refinaria alcançar o refino de petróleo e conseqüente
formação de diversos produtos, tais como gasolina, óleo diesel etc.
A sua geometria é simples. Consiste de uma tubulação na vertical, onde entra petróleo
bruto na fase gás, unida com outra tubulação de diâmetro menor, onde entra catalisador,
composta por partículas porosas com diâmetros da ordem de 60μm, e são despejados no tubo
maior.
As partículas são arrastadas pelo gás-óleo, em regime de leito fluidizado, e juntas
alcançam a parte superior do tubo maior. Durante o regime, as partículas de gás-óleo em contato
com as regiões de “sítios ativos”, localizados na superfície externa das partículas e na superfície
interna da região porosa do particulado, sofrem reações químicas denominadas adsorção. Os
sítios ativos são regiões do particulado aptas a promover reações químicas sobre o gás-óleo. As
reações químicas que ocorrem são complexas. O tempo necessário para as partículas escoarem no
reator é de 3 a 4 segundos.
Após alcançar o topo da unidade de FCC, o escoamento de gás-partícula é jogado para o
reator/stripper, onde ocorre a retirada de catalisador coqueificado (inativo). As reações continuam
ocorrendo no reator, mas são consideradas indesejáveis. Após esta separação de regenerador que
consiste de um cilindro na vertical que contém ciclones. Entre os ciclones e a parede do
regenerador está presente o escoamento gás-partícula proveniente do riser. As partículas são
depositadas no fundo juntas com gás-óleo. Na base do regenerador é injetado ar de forma que as
partículas sejam elevadas até a entrada das unidades de ciclone, posicionadas no topo do
regenerador. Um ciclone separador é um equipamento econômico para remoção de partículas
50
sólidas em um sistema fluidizado. A indução das forças centrífugas é tangencialmente imposta
sobre a parede cilíndrica do ciclone. Esta força aumenta a diferença de densidade entre o fluido e
o sólido e desta forma aumenta o estabelecimento da velocidade relativa. Os gases são arrastados
e saem pela parte superior do ciclone, onde são levados a unidades de condensação e separação
de produtos, e as partículas caem por gravidade e saem pela parte de baixo do ciclone onde são
depositadas novamente ao fundo do regenerador onde podem reiniciar novamente o ciclo ou irão
ser realimentados no riser. Separadores de ciclone são equipamentos extremamente importantes
para o sucesso da operação de craqueamento catalítico. Sua performance pode melhorar diversos
fatores, incluindo a redução da quantidade de substituição de catalisadores, por ser uma estrutura
simples apresenta baixo custo de manutenção, apresentando ainda grande eficiência na separação
de gás partícula. Devido ao interior dos ciclones apresentar pressão inferior ao ambiente externo,
as partículas são forçadas a entrar junto com o gás-óleo. Neste ocorre entrada de particulado
(catalisador) e gás no ciclone. Este escoamento multifásico entra pela seção transversal conforme
mostrado na figura 5 e após encontrar com a zona cilíndrica as partículas tangenciam a parede do
ciclone, descendo por esta e arrastando o gás. À medida que as partículas descem no ciclone e
alcançam a parte cônica cria-se uma região de alta pressão agindo sobre o escoamento. Isto faz
com que o gás migre para a parte central do ciclone saindo pela face superior e que apresenta
menor pressão separando do catalisador, esta que sai pela parte inferior do ciclone. Esta variação
de pressão pode ser suficiente para que ocorra arraste de particulado para a zona superior.
O particulado desce para voltar ao riser e promover novamente reações com o gás-óleo e o
vapor e algumas partículas que escapam pela parte superior vão para outras unidades de ciclone
de forma a haver nova separação partícula-gás. Após a passagem pelo segundo ciclone o gás sai
novamente pela parte superior deste e encontra unidades de destilação onde posteriormente será
fracionado, e o particulado que sai pela parte inferior dos ciclones descem para unidades de
regeneração onde é separado catalisadores de produtos indesejáveis tais como o coque formado
em sítios ativos do catalisador e este volta a unidade de craqueamento catalítico, de forma a
promover novamente reações com o gás-óleo, fechando assim o ciclo. A unidade riser e a
unidade ciclone, conforme explicadas acima, foram estudadas para simulação numérica na
PETROBRAS S/A de forma a solucionar problemas enfrentados sobre estes equipamentos.
Devido a normas da empresa, não será possível apresentar as geometrias das unidades de ciclone
e as malhas deste desenvolvidas pelo estagiário por serem considerados de assunto confidencial.
51
A geometria do ciclone apresentado no presente trabalho é um exemplo típico encontrado em
bibliografia recomendada.
A título de ilustração, apresenta-se abaixo figuras que representam geometrias e
escoamentos correntes em ciclones, mas sem qualquer relação com geometrias estudadas durante
os estágio na PETROBRAS S/A. A figuras 9 ilustra o escoamento bifásico gás/partícula mapeado
por vetores velocidade. Nota-se que há maiores velocidades na região próxima às paredes do
ciclone, identificando maior concentração de massa na parte da parede, comprovando maior
tendência do escoamento tangenciá-la. Conforme literatura recomendada, as partículas giram 3
vezes em torno do eixo do ciclone pela parede até atingir a saída pela parte inferior.
Figura 9: Representação dos resultados do ciclone através de mapeamento vetorial de velocidade.
Nas figuras 10.1 e 10.2 nota-se os vetores em azul que são maiores na entrada e
encontrando a câmara do cilindro do ciclone reduz-se a sua velocidade e concentração de massa
devido a esta região ser considerada como uma região de expansão. As figuras ilustram os
52
vórtices formados. Uma parcela maior de fluido sai pela parte superior. O tom das cores é
definido através do cálculo de velocidade em cada elemento localizado no centro do volume.
Figuras 10.1: Representação do fluxo de gás mapeado pelos vetores velocidade. Figura 10.2 (à direita): mapeamento do campo de velocidades sobre o mesmo plano que na figura 10.1.
As figuras 11.1 e 11.2 representam o mapeamento da trajetória das partículas sobre o
interior do ciclone, identificando a influência do diâmetro das mesmas no escape para a saída
superior. Na figura à esquerda, foi mapeada a trajetória de 10 partículas com diâmetro de 35μm e
à direita, com 125μm de diâmetro. Nota-se que as partículas mais leves escapam pela saída
53
superior, enquanto que as mais pesadas saem inteiramente pela saída inferior, identificando
assim, a influência das paredes do ciclone sobre o escoamento. Deve-se enfatizar a importância
que a visualização dos resultados numéricos têm para maior conhecimento sobre os fenômenos
físicos existentes nos escoamentos de forma a auxiliar em projetos e na solução de problemas de
engenharia.
Figura 11.1 (esquerda): Trajetória das partículas com 35μm de diâmetro. Figura 11.2 (direita): trajetória de partículas com 125μm de diâmetro.
Os ciclones de separação estão localizados no interior de unidades de regeneração. Estas
unidades promovem a separação entre as partículas de catalisador e gás-óleo. O escoamento
bifásico incide na unidade de regeneração e encontra correntes de ar injetadas à partir da base do
regenerador para seu topo forçando o escoamento a entrar em regime de leito fluidizado.
54
Este escoamento encontra unidades de ciclone posicionadas próximas a do regenerador
com entrada na vertical. O escoamento é forçado por diferença de pressão a entrar nos ciclones e
tangenciar sua parede cilíndrica de forma a criar uma variação de densidade forçando os gases a
migrarem para o eixo central do ciclone e sair deste pela saída superior.
As partículas, agora com menos presença de gás-óleo ao redor de seus corpos, caem por
gravidade, saindo pela saída inferior do ciclone e são depositadas no fundo do regenerador,
formando um nível de particulado. Na base das unidades de regeneração há presença de tubos
que ligam o regenerador a unidades de craqueamento catalítico. As partículas de catalisador são
então levadas para o FCC realimentando-o.
As unidades de ciclone são geralmente dispostas em série de forma a promover maior
separação de gás/catalisador.
Simulou-se o escoamento na região de entrada de ciclones buscando maior compreensão
sobre colisões de particulado sobre as paredes deste. O pacote utilizado para a aquisição da
geometria e malha foram o ICEMCFD da AEA Technology. O tipo de malha foi a hexaédrica.
O solver utilizado foi o CFX-TASCFlow que já apresenta modelos para cálculos e
visualização gráfica de fenômenos de erosão. A figura 12, abaixo mostra um exemplo de um
problema de colisão de partículas próximas à junção destes dois tubos.
55
Figura 12: Representação do modelo de erosão contido no CFX-TASCFlow. A geometria trata-se de uma
junção.
As partículas entram pelo tubo menor e chocam-se com a parede inferior da caixa. A
figura mostra a região que as partículas chocaram com maior intensidade.
As figuras e os resultados não poderão ser mostrados neste texto por serem considerados
assuntos de sigilo industrial.
56
Simulação de Compressores e Turbina Francis
Pretende-se com este trabalho apresentar as vantagens do CFX-TASCFlow na simulação
de elementos rotativos. O compressor estudado apresenta malha hexaédrica construída em duas
partes, ou blocos. Um bloco seria a parte estacionária (estator) e outra a parte rotativa, o rotor. A
grande vantagem deste software para a simulação deste caso é que ele admite deslizamento entre
blocos, ou seja, um bloco estacionário (estator) e o bloco do rotor com velocidade de rotação e
deslizando sobre os limites entre o bloco do rotor e do estator. Com este giro representa-se o
efeito das forças centrífugas que o rotor provoca sobre o fluido expulsando-os para o estator.
Quanto a simulações de compressores o processo ocorre no sentido inverso onde o fluido de
trabalho entra pela parte externa, chegando ao distribuidor. Este, através do movimento das pás
direciona o fluxo para dentro do runner. O fluido cria uma força sobre este, forçando-o a girar. A
figura 17 representa a geometria. Trata-se de uma turbina Francis composta de uma parte
estacionária, o distribuidor e uma parte girante, o runner.
57
Figura 17: Geometria da turbina Francis [10].
A figura abaixo representa a malha da turbina para o caso avaliado. Esta malha apresenta
número de elementos muito alto, provocará sérios problemas de convergência.
Figura 18: Malha hexaédrica da turbina Francis [10].
A figura 19 representa a malha empregada para a simulação. Trata-se de uma parte da
geometria, pois, admite-se que a condição se repete nas outras partes, não necessitando, portanto,
simular todo o domínio. Esta síntese do modelo beneficia na redução do tempo computacional
para a convergência. As condições de contorno utilizadas foram inflow (Entrada com velocidade
em ângulo), outflow (saída) com condição de pressão, parede sem deslizamento nas pás do
runner, e condição de contorno periódica onde a condição nas laterais do distribuidor, onde a
condição de fluxo da superfície do lado esquerdo repete-se em direção contrária na superfície do
lado direito. Ou seja, condição de fluxo de entrada na superfície esquerda, ocorre condição de
fluxo de saída na parte direita na mesma quantidade.
58
Entre o distribuidor e o runner há existência de inter-bloco como condição de
deslizamento, tornando possível movimento relativo entre eles.
Figura 19: Malha hexaédrica empregada para a simulação [10].
As figuras 20 e 21 ilustram os resultados. Foi selecionado um mapeamento vetorial
localizado no meio do domínio. Nota-se os vetores velocidade, figura 20, entrando no
distribuidor (topo da figura), percorrendo seu domínio até encontrar a região da pá (região em
vazio no meio da figura em forma de gota). A saída ocorre na parte inferior da figura.
59
Figura 20: Mapeamento dos vetores velocidade no plano central da geometria [10].
A figura 21 representa o mapeamento do campo de velocidade na mesma região escolhida
na figura acima. Nota-se que as velocidades são maiores na região de saída do distribuidor.
60
Figura 21: Mapeamento do campo de velocidades no plano médio da geometria [10].
A figura 22 representa os resultados da simulação de um compressor centrífugo. A região
interna limitada por uma linha no meio do domínio representa o bloco rotante, enquanto que a
parte externa é o bloco estacionário. O movimento relativo cria movimento do fluido nele contido
forçando este a deslocar para a região estacionária. O sentido do fluxo é na direção radial da
região interna para a externa do equipamento. Os contornos com diferentes cores representam as
curvas de iso-velocidade, sendo as mais baixas em azul e as mais altas em rosa.
61
Figura 22: Mapeamento dos contornos de velocidade no domínio do compressor centrífugo.
Tubo de Hilsch O tubo de Hilsch é um dispositivo simples, ausente de peças móveis, e tem por
objetivo separar ar quente de ar frio. Este tem aplicações tecnológicas. Nele ar
comprimido é injetado numa câmara cilíndrica através de um bocal tangencial
transversal ao eixo do cilindro. Dentro da câmara o jato descreve uma trajetória em
espiral e forma um vórtice. Os orifícios axiais existentes nas extremidades do tubo
62
permitem que duas correntes de ar, uma fria e outra quente, saiam do dispositivo
escoando em sentidos opostos e na forma de uma hélice.
A diferença de temperatura entre as duas correntes de ar resulta do fato que,
num vórtice, tanto a temperatura quanto a pressão do fluido caem do exterior para o
centro do vórtice porque o aumento da energia cinética do jato faz-se à custa de um
consumo de sua entalpia. Na extremidade do tubo de Hilsch pela qual se extrai o ar frio
há um orifício de saída de pequeno diâmetro a fim de que apenas o ar frio bem próximo
ao centro do vórtice, e portanto de temperatura mais baixa, possa por ele passar. Na
outra extremidade do tubo há um orifício de saída de diâmetro maior que permite a
passagem das correntes mais externas do vórtice, que estão em temperaturas mais
altas. As frações de fluxo de ar admitido no dispositivo que estão extraídas como ar frio
e ar quente fixam-se por meio de balanceamento de pressões, controladas por meio de
restrições de fluxo localizadas nas extremidades do instrumento.
Ë possível obter com este tubo a partir de ar comprimido a 10 atm e 20ºC, ar frio
a -40ºC, situação na qual 20% do fluxo admitido no dispositivo tem sua temperatura
reduzida enquanto do lado quente sai a 35ºC.
A empresa interessou-se por um estudo sobre este equipamento de forma a
utilizá-lo para diversas atividades na indústria de petróleo. Estão sendo realizadas
simulações numéricas sobre este equipamento de forma a otimizá-lo e para
futuramente construí-lo.
Os detalhes mais importantes foram retirados de publicação de W. Fröhlingsdorf
e H. Unger, segue abaixo e podem ser divididos em aspectos físicos e numéricos.
63
- Aspectos físicos:
A
B
C DTubo de Hilsch
Figura 31: Representação esquemática do escoamento no tubo de Hilsch.
Uma explicação qualitativa dos fenômenos é apresentada e está baseada na
figura 31 acima. Ar comprimido entra tangencialmente no tubo por meio de um bocal e
desenvolve um vórtice aproximadamente axissimétrico. Do estado A para o B o fluido
comprimido se expande e acelera. Sob a influência de forças centrífugas o gás injetado
é pressionado para a parede do tubo. Sob trajetória helicoidal este é direcionado para a
saída de gás quente D. Do estado B para o D o gás é aquecido por dissipação (fricção),
especialmente próximo às paredes do tubo, onde os gradientes de velocidade são
maiores. Gás frio é formado por expansão radial ao longo da linha de centro do tubo.
Como representado na figura abaixo, o gás frio desloca-se para a saída C segundo
uma trajetória em espiral. A separação de energia aumenta com o aumento da relação
de pressões entre o gás na entrada do tubo e na saída C, pA/pC. De acordo com
resultados experimentais obtidos por Stephan, a diferença entre a temperatura em A e
em C aumenta de –27K com uma pressão na entrada de 3 bar para –38K com 5 bar,
em ambos os casos com 30% de vazão escoando em C.
A figura abaixo representa a seção transversal do tubo de Hilsch. O ar
comprimido a partir do bocal de entrada sofre os seguintes fenômenos:
64
A diferença de entalpia total ΔH, do gás frio para o gás comprimido da entrada A descreve mudança da massa específica térmica e contra a energia mecânica:
ΔH = cp Δt)A = (cp Δt)C + vc² / 2
O fluido entra sob uma velocidade aproximadamente nula, vA ≈ 0 m/s em A para
velocidade do gás frio vC. Como conseqüência a energia cinética cresce (vC2/ 2 > 0) e a
energia térmica decresce (cp Δt)C < 0). Para o gás frio a entalpia total decresce
comparada ao gás comprimido da entrada por que o decrescimento da energia térmica
excede o aumento da energia cinética devido a transferência de energia cinética para
as regiões próximas à parede devido a forças de fricção (tensões de cisalhamento).
Conseqüentemente, nos gases quentes ambas a energia cinética e a térmica crescem
e a entalpia total excede a do gás de entrada.
Para a produção de ar frio na saída do tubo, deve existir uma região de gás a
temperatura baixa e uma região a alta temperatura, a última próximo as paredes do
tubo. O modelo deste mecanismo é representado na figura 32:
wq
E d
E m
seção transversal do tubo
wf
wf > wq
gás quente
gás frio
Figura 32: Modelo do mecanismo que ocorre no interior do tubo de Hilsch.
A expansão radial do gás frio aumenta a velocidade angular (wf) isto é, as
camadas internas rotacionam mais que as externas (wf > wq ). As tensões de
65
cisalhamento promovem o fluxo de energia mecânica Em direcionado para as camadas
externas. Os gases quentes recebem esta energia que, predominantemente, dissipam
ao redor das camadas próximas à parede do tubo. O fluxo de energia difusivo Ed é
direcionado para dentro do gás a baixa temperatura. O trabalho da energia mecânica
Em é parcialmente compensado pelo Ed.
- Aspectos numéricos:
O CFX permite o cálculo de escoamentos compressíveis e turbulentos. As
características básicas das equações resolvidas compreendem conservação da massa,
quantidade de movimento e energia, expressas como balanço das equações da massa,
movimento e energia por unidade de volume com respeito ao tempo.
Equação da conservação da massa:
∂ρ + • (ρv) = 0 ∂t
A equação do momento:
∂ρv + • (ρv v) = • σT ∂t onde
σ = -pδ+μT( υ+( υ)T) = -pδ – τT
é o tensor tensão, e a equação da energia:
∂ρH + • [ρυH] = ∂p + • [(λ / cp + μt / PrT ) H] - • [τT • υ] ∂t ∂t
66
onde, λ = Condutividade térmica;
μt =Viscosidade total;
PrT = Número de Prandtl sob influência de fenômenos de turbulência.
Sendo que, • [(λ / cp + μt / PrT ) H] e • [τT • υ] descrevem a mudança de
energia específica através da difusão turbulenta (influência na Ed) e a transferência de
energia na forma de trabalho mecânico turbulento (influência na Em), respectivamente.
Forças de fricção causam transferência de energia mecânica, que é sobreposta ou
parcialmente compensada pela transferência de energia devido aos processos
difusivos, este que ocorre em sentido contrário do anterior. A difusão turbulenta pode
ser baseada no número de Prandtl turbulento PrT = cp μT /λT. A relação do fluxo de
trabalho mecânico e do fluxo de energia difusivo Em/Ed aumenta no modelo numérico
com o aumento do número de Prandtl turbulento. Logo, o número de Prandtl turbulento
é o parâmetro governante para a existência da separação da energia no tubo de Hilsch.
Fulton [13] menciona que o trabalho de fluxo direcionado para fora é maior que a
transferência de calor direcionada para dentro. A relação do fluxo de energia radial (Em /
Ed) é influenciada por efeitos instáveis. Resultados experimentais mostram que
respostas das flutuações turbulentas periódicas influem essencialmente na
transferência de energia no tubo. Medidas de Kurosaka [14] mostram que a redução do
chamado pelo autor ”apito” do vórtice leva a um decrescimento da separação da
energia. A influência de efeitos instáveis podem indiretamente ser considerados no
modelo numérico pelo aumento do número de Prandtl turbulento.
O tubo de Hilsch será investigado com a geometria utilizada pelo experimento de
Bruun [15] para comparação dos resultados numéricos com os experimentais. As
dimensões principais são:
• Comprimento do tubo: 520 mm;
• Raio do tubo: 47 mm;
• Raio do orifício de saída do gás frio: 17.5 mm;
• Área de entrada: 363 mm2;
• Pressão de entrada: 2 atm;
67
Será desenvolvido modelo axissimétrico, pelo fato deste já ter alcançado
sucesso na comparação com dados experimentais em simulações anteriores deste
caso.
Uma melhor aproximação dos resultados medidos poderá ser alcançada, com a
troca do modelo k-ε pela correlação de Keyes [16]:
μT / μL = 2,03 . 10 -3 . Reθ,p0.86
Rep = 2 . rp . vθ, p . ρp / μL
Onde os índices θ, p, L indicam a componente angular θ, e periférica p e
Laminar.
Este caso não é considerado caso de sigilo pela empresa e sua geometria pode
ser mostrada. As figuras 28, 29 e 30 representam as vistas superior, perspectiva da
geometria do instrumento, e malha numérica construída no ICEMCFD, respectivamente.
Figura 28: Vista superior da geometria do tubo de Hilsch.
68
Figura 29 : Geometria do tubo de Hilsch em perspectiva.
Figura 30: Malha numérica do tubo.
Simulação Numérica de uma Câmara de Combustão de um Automóvel.
69
Este trabalho tem o objetivo de simular câmaras de combustão de motores de
combustão interna no ambiente do software CFX-TASCFlow.
Dimensões da câmara de combustão de quatro válvulas de um automóvel, obtida
via catálogo, a realizar estudos numéricos são mostrados nas figuras abaixo.
6,6
54,8
3
admissãovela
descarga
Figura 33: Vista em perfil da câmara de combustão a ser estudada.
Figura 35: Detalhes da válvula de admissão.
70
29°39°
9°
AFAPMI
AAD
AAAPMS
AFD = 0
Figura 36: Diagrama de distribuição da abertura e fechamento das válvulas.
Na figura 36 é mostrado diagrama de distribuição da abertura e fechamento das
válvulas de admissão e descarga do motor, conforme o movimento do pistão. PMS:
ponto morto superior, PMS: ponto morto inferior, AAA: o ângulo de abertura da válvula
de admissão; AFD: ângulo de fechamento da válvula de descarga; AAD: ângulo de
abertura da válvula de descarga; AFA: ângulo de fechamento da válvula de admissão. Foi simulado, em primeira instância, o caso 2D sob as seguintes propriedades e
condições:
- Ar, alta rotação 5500 RPM com abertura e fechamento das válvulas (conforme
movimento de cames). Teste do movimento das válvulas na malha.
- Combustível Metanol, 5500 RPM com maior número de cinéticas químicas para
análise das pressões e temperatura da câmara. As propriedades do metanol
variaram com a temperatura e pressão. Análise de combustão.
- Caso 3D seguindo as mesmas etapas citadas acima.
Obs.: Realizar-se-á pesquisas bibliográficas referente a busca de resultados
experimentais sob casos semelhantes ao estudado, e simulações numéricas anteriores.
Etapas do trabalho:
71
Etapa 1
• Geometria da câmara de combustão de um motor automotivo, malha
bidimensional, com válvulas de admissão e descarga que movimentam-se com o
tempo. Etapas de admissão, compressão, expansão e descarga; escoamento
monofásico com ar. Objetivo: teste de malha. Buscar-se-á uma malha numérica
que representa o movimento do pistão segundo uma harmônica e cujos volumes
desaparecem com o tempo;
Etapa 2
• Mesma malha da etapa 1, com Ar + Metanol na admissão, propriedade dos
componentes variável com a temperatura e pressão, reações de combustão
avaliando o maior número de cinéticas das reações obtidos (~100). Objetivo:
Comparação da fluidodinâmica, pressões, temperaturas e reações com solução
analítica (comparação com dados experimentais);
Etapa 3
• Malha tridimensional da câmara de combustão Fire, seguindo as mesmas etapas
citadas anteriormente. Objetivo: alcançar resultados similares com os
experimentais, se possível adquirir;
Revisão Bibliográfica - Motor de Combustão Interna
Os equipamentos térmicos que são usados como elementos propulsores de
automóveis são conhecidos como motores de combustão interna [2]. A figura abaixo
72
mostra a câmara de combustão e seus componentes, ondeVA é a válvula de admissão,
VD é a válvula de descarga e CC é a câmara de combustão.
Para um motor alternativo de quatro tempos pode-se dividir em quatro estágios:
Admissão. Considerar o êmbolo estando no ponto superior do seu
deslocamento, conhecido como ponto morto superior (PMS). Assim que o êmbolo inicia
seu movimento descendente, ele cria um vácuo parcial no cilindro. Neste instante, a
válvula de admissão (VA) é aberta e uma mistura de ar e gasolina vaporizada entra no
interior do cilindro, vinda da tubulação de admissão através da válvula de admissão
aberta.
Compressão. Quando o êmbolo atinge o final de seu curso descendente, diz-se
que este atingiu o ponto morto inferior (PMI). Neste ponto, a válvula de admissão (VA)
73
se fecha e permanece fechada enquanto o êmbolo se movimenta para cima. Como a
mistura de ar-combustível está totalmente confinada no interior do cilindro, ela é
comprimida enquanto o êmbolo sobe. Ambas as válvulas, de admissão e de descarga
(VD), mantém-se fechadas.
Potência. Idealmente, quando o êmbolo atinge novamente o ponto morto
superior (PMS) e a mistura ar-combustível está na sua compressão máxima, uma
centelha elétrica na vela e inflama a mistura ar-combustível, promovendo a combustão.
A grande força da pressão criada pela combustão faz com que o êmbolo se desloque
para baixo. Este movimento do êmbolo impelido para baixo é o tempo de força do ciclo.
Nos motores reais a ignição pode ocorrer antes, ou mesmo depois do PMS. Também,
ambas as válvulas, de admissão e de descarga, permanecem fechadas durante o
tempo de potência.
74
Descarga. No final do curso de potência os gases estão totalmente expandidos e
a válvula de escape agora se abre. O movimento do êmbolo para cima promove a saída
dos gases provenientes da combustão para fora do cilindro, passando pela válvula de
escape aberta para a tubulação de escapamento. No ponto morto superior, a válvula de
descarga (VD) se fecha e o ciclo recomeça novamente.
O ciclo de quatro tempos acima descrito produz um tempo de potência em
êmbolo para cada duas revoluções do virabrequim. A mesma seqüência de ocorrências
pode ser realizada em uma única rotação do eixo de manivelas proporcionando tempo
de potência por rotação. A seqüência de processos é mostrada na figura abaixo, e
consiste no seguinte:
Entrada de ar: Com os canais de transferência e de exaustão abertos, o ar
proveniente do carter enche o cilindro.
Compressão: Com todos os canais cobertos, o êmbolo ascendente comprime o
ar e cria sucção no carter. Inicia-se a injeção.
Expansão: A mistura em combustão se expande, forçando o êmbolo para baixo.
Ar entra no carter para ser comprimido pela descida do êmbolo.
Exaustão: O êmbolo na descida descobre o canal de exaustão. Uma ligeira
pressão se desenvolve no Carter, suficiente para forçar o ar para dentro do cilindro.
No motor de dois tempos, cada curso descendente corresponde a um único
curso do motor.
75
As figuras abaixo ilustram as etapas do ciclo de combustão.
As figura 13 ilustra o mapeamento dinâmico de temperatura do transiente de
uma câmara de combustão resolvida como caso bidimensional simulado no TASCFlow.
Nota-se que as temperaturas são mais altas próximas à parede. A válvula de admissão
está localizada na parte superior da câmara. As cores em azul ilustram temperaturas da
ordem de 300K e as em rosa correspondem a temperaturas de 500K.
O caso simulado ilustra entrada de combustível com ar atmosférico, ocorrendo
posterior reação através de ignição por centelha.
Figura 13: Visualização do mapeamento do campo de temperatura na câmara de
combustão [10].
A figura 14 abaixo ilustra o mapeamento vetorial do fluido estudado que está
sofrendo um processo de compressão.
76
Figura 14: Vetores velocidade na etapa de compressão [10].
A figura 15 representa o mapeamento dinâmico dos vetores velocidade na etapa
de descarga. Nota-se que as velocidades apresentam mais altas na região de
descarga.
Este caso é observado como um dos mais complexos para se simular, pois nota-
se os vários fenômenos que ocorrem no interior de seu domínio, tais como
recirculações de fluido, regime transiente, malha numérica com dimensões variáveis
com o tempo, comportando como uma senóide, compressibilidade, não isotermicidade,
regiões de pontos quentes, turbulência, reações de combustão, velocidade de
propagação da chama, enfim, um problema completo. Este trabalho ainda está em
estudo quanto às hipóteses simplificadoras e as metas a serem alcançadas.
Primeiramente avaliar-se-ão casos com malha bidimensional e sem reações químicas
para acertar a malha numérica, pois esta movimentar-se-á com o tempo e apresentará
comportamento de uma senoidal.
77
Figura 15: Vetores velocidade no estágio de descarga [10].
A figura 16 representa a malha de um motor de combustão interna tridimensional
feito no ICEMCFD, retirada em [12].
78
Figura 16: Representação da malha hexaédrica de uma câmara de combustão retirada em
[12].
Os casos mostrados acima são apenas representações referentes à simulações
da câmara de combustão no TASCFlow e no ICEMCFD. Demais figuras não poderão
ser mostradas por tratarem de assunto de sigilo industrial.
Simulação Numérica da Câmara de Combustão Foram alcançados muitos avanços quanto a este caso, tanto no aspecto de
geometria e malha, movimento desta, aspecto da fluidodinâmica além das reações
químicas dos componentes estudados pela empresa.
As figuras abaixo mostram o transiente do ciclo de compressão de uma câmara
de combustão. Foi definida uma condição de contorno de temperatura de 600K na
parede, uma condição de contorno de pressão de 0 Pa na válvula, localizada no canto
superior à esquerda e uma temperatura de 600K para o fluido estudado que no caso é
ar (Escoamento Monofásico). Como condição inicial no domínio colocou-se como
pressão 0 Pa e 300K, como fluido ar e escoamento laminar. As figuras abaixo mostram
as etapas de admissão e compressão do ciclo de combustão. Na figura 23 é visualizado
o mapeamento de temperatura no seu estado inicial (antes de movimento da malha).
Pode-se observar o gradiente de temperatura entre a parede e o domínio.
79
Figura 23: Mapeamento do campo de temperatura no estado inicial.
A figura 24 mostra o mapeamento de temperatura e vetores velocidade na fase
de admissão. A zona em vermelho representa a massa de ar quente que entrou no
domínio em passos de tempo anteriores.
80
Figura 24: Mapeamento do campo de temperatura e vetores velocidade fase admissão.
A figura 25 mostra o mapeamento de temperatura e vetores velocidade na fase
de compressão. Nota-se os vetores velocidade direcionando para a região de saída. Na
região em vermelho há formação de um vórtice no sentido anti-horário.
81
Figura 25: Mapeamento do campo de temperatura e vetores velocidade fase descarga.
A figura 26 mostra a geometria da câmara tridimensional. Os dois “joelhos”,
como podem ser observados, representam os dutos de admissão; no interior de cada
joelho há uma válvula de admissão, que se abre durante a etapa de admissão, e fecha
durante as outras etapas. Há movimento de malha em função do passo de tempo nos
elementos pertencentes a esta superfície. Acima do duto há os cabeçotes das válvulas
onde na sua junção com o duto há um desnível na superfície do duto. Esses elementos
causam forte influência sobre o escoamento na etapa de admissão, sendo, portanto,
importante levá-los em conta na a simulação. Os círculos visualizados à direita
representam as válvulas de descarga onde serão abertas na etapa de descarga e
movimentar-se-ão para dentro durante esta. A região em roxo no meio do cabeçote
representa a vela onde será propagado a centelha no fim da etapa de compressão. A
parte cilíndrica abaixo representa o volume morto.
82
Figura 26: Geometria da Câmara de Combustão Tridimensional.
A figura 27 mostra a malha numérica grosseira da câmara de combustão. Os
elementos pertencentes ao volume morto movimentar-se-ão descrevendo o movimento
de admissão, compressão, expansão e descarga. A figura 28 mostra vetores velocidade
no interior da câmara de combustão.
Demais resultados da simulação encontram-se em animações anexadas em
disco estilo CD, juntamente com este documento.
83
Figura 27: Malha numérica da câmara de combustão.
Figura 28: Malha numérica da câmara de combustão.
84
Construção de Geometria e Malha Numérica de Equipamento solicitado pela PETROBRAS
Realizou-se durante os meses de outubro e novembro a construção da
geometria e malha numérica de equipamento utilizado na indústria de refino, solicitado
pela PETROBRAS S/A, com o auxílio dos pacotes computacionais ICEMCFD DDN e
ICEMCFD Hexa. Os dados e figuras da geometria não podem ser mostrados neste
relatório por tratarem-se de assunto considerado confidencial pela empresa.
85
Conclusão As atividades no SINMEC auxiliaram em maior conhecimento de problemas de
engenharia do setor de petróleo, devido ao auxílio de tese de doutorado da ANP.
As atividades de estágio na PETROBRAS foram de grande valia para maior
aprofundamento sobre o tema. Além de estar em contato com problemas de engenharia
da empresa, esta trouxe maior experiência profissional na área de CFD. Algumas
atividades desenvolvidas não puderam ser apresentadas neste relatório por serem
consideradas de caráter confidencial pela empresa.
Contudo, as figuras apresentadas representam geometrias com formas e
dimensões liberadas pela empresa de forma a ilustrar a linha de pesquisa efetivada
pelo estagiário.
O contato empresa aluno trouxe grandes benefícios, tanto no aspecto
profissional como no humano, para o estagiário de forma a aperfeiçoar sua postura
como engenheiro, por influência indireta dos engenheiros que nela trabalhou. Trouxe
maior experiência na área de pesquisa, desenvolvimento de produtos entre outras, bem
como maior conhecimento sobre o funcionamento de equipamentos utilizados na
indústria petrolífera.
O bolsista concluiu seu estágo curricular no 9º período, e no presente momento
está cursando disciplinas do 10º período do curso de Engenharia Mecânica. Contudo, o
vínculo do estagiário com a PETROBRAS após o estágio está sendo mantido através
da continuidade de trabalhos que foram realizados durante o estágio, e, tendo em vista
os bons resultados alcançados, a empresa solicitou ao bolsista ANP a dar continuidade
em pesquisas referentes a simulação numérica da câmara de combustão e do Tubo de
Hilsch no SINMEC, além de construir geometrias e malhas numéricas solicitadas pela
mesma para serem utilizadas em simulações pela empresa.
Estes fatos podem servir como amostra de que o objetivo do programa de
recursos humanos da ANP para o setor de petróleo e gás está sendo alcançado e está
trazendo melhorias quanto à qualificação de profissionais para exercer trabalhos no
setor de petróleo e mostrando às empresas a importância do papel da universidade na
melhoria da qualidade de seus produtos.
86
Agradecimentos
Agradeço ao consultor técnico da PETROBRAS Waldir P. Martignoni, por ter
auxiliado nos trabalhos e pela ótima receptividade demonstrada, e por todos os
membros da Gerência de Pesquisa – PQ, durante o período de Estágio, realizado no
primeiro semestre de 2001.
87
Referências Bibliográficas
1. CFX-4 FOR WINDOWS NT. CFX-4 User Guide. AEA Technology. Oxfordshire
United Kingtom. 1997.
2. Martignoni, W. P. Desenvolvimento Integrado: Simulação e Experimentação no
Processo de Craqueamento Catalítico, CONEXPO ARPEL’96.
3. Granet I, P. E., Termodinâmica e Energia, Pretince-Hall do Brasil.
4. Baxendell, S. P. The Petroleum Handbook, Elsevier Science Publishers B. V.
5. Sadeghbeigi, R. Fluid Catalytic Cracking Handbook, Gulf Publishing Company.
6. Wilson, J. W. Fluid Catalytic Cracking, PennWell Publishing Company.
7. Foust, A. S. Wenzel, L. A. Clump, C. W. Maus, L. Andersen, L. B. Princípios
das Operações Unitárias, Guanabara Dois.
8. Maliska, C. R. Mecânica dos Fluidos Computacional. Fundamentos e
Coordenadas Generalizadas. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.
9. Jones J. C., Combustion Science, Principles and Practice, Millennium Books
10. CFX-TASCFlow, User Guide. AEA Technology.
11. Canjar L. N., Manning F. S., Thermodinamic Properties And Reduced
Correlations For Gases. Gulf Publishing Company, Houston, Texas.
12. ICEMCFD, User Guide. AEA Technology.
13. C.D. Fulton, Ranque´s Tube, Journal Fluid Mechanics 124 (1982) 139-172.
14. M. Kurosaka, Acoustic streaming in swirling flow and the ranque-hilsch (vortex-
tube) effect, Journal mFluid Mechanics 124 (1982) 139-172.
15. H.H. Bruun, Experimental investigation of the energy separation in vortex tubes,
J. Mechanical Engineering Science 11 (6) (1969) 567-582.
16. J.J. Keyes, Jr., An Experimental study of gas dynamics in high velocity vortex
flow, in: Proceedings of the Heat Transfer and Fluid Mechanics Intitute, Stanford
University, Oak Ridge National Laboratory, Tenessee, 1960, pp. 31-46.
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ANEXO Foram cursadas disciplinas de especialização para a área de petróleo e gás,
eletivas e optativas, oferecidas para o curso. Abaixo segue a lista das disciplinas
cursadas bem como o código da disciplina, total de horas-aula e respectivos conceitos,
mostrado na tabela 1. As disciplinas onde não estão indicados os conceitos tratam-se
de disciplinas cursadas neste semestre e aguardam resultado. Tabela 1: Disciplinas cursadas com ênfase no setor petróleo e gás
Nome da Disciplina Código da Disciplina
Total de Horas-Aula Teórica Prática
Conceito
Mecânica dos Fluidos I EMC 5445 72 18 7.0
Termodinâmica EMC 5401 72 6.5
Controle de Vibrações EMC 5140 72 7.0
Tecnologia de
Soldagem
EMC 5262 36 4 7.0
Materiais de Construção
Mecânica I
EMC 5101 54 8.5
Materiais de Construção
Mecânica II
EMC 5102 72 8.0
Geração e Distribuição
de Vapor
EMC 5471 54 8.0
Transporte em Meios
Porosos
EMC 5482 54 9.0
Motores de Combustão
Interna
EMC 5273 54 8.5
Simulação de
Reservatório de
Petróleo
EMC5487 54 X
Seminários sobre a
Indústria de Petróleo e
Gás
TEECT-6201 25,5 X
Mecânica dos Fluidos II EMC 5446 54 X
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