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Fornos de Pirolise

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Text of Fornos de Pirolise

Universidade Federal da Bahia Departamento de Engenharia Qumica Mestrado em Engenharia Qumica

Modelagem de fornos de pirlise Previso de tempo de campanhaMestrando: Orientador: Co-orientador: Murilo Fontes de Amorim Dra. Eliane Martins de Santana Dr. Ricardo de Arajo Kalid

Tese apresentada Escola Politcnica da Universidade Federal da Bahia para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Qumica

Maro / 2001

Agradecimentos: A Swan, minha esposa. Sem voc, no teria sentido.....

A meus filhos Nathalia e Mateus. Que esta experincia lhes sirvam de exemplo: Vontade e determinao pode dar certo.

A meus pais Walter e Dulce.

Aos orientadores Profa. Dra. Eliane Martins e Prof. Dr. Ricardo Kalid, pelo incentivo e importantes contribuies.

Aos amigos Agivaldo, Andr, Capistrano, Cathia, Fbio, Gilberto Rocha, Joaquim, Moiss, Monica, Renato e Victor, que dividiram comigo as descobertas e alegrias deste aprendizado. Universidade Federal da Bahia, em especial ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica. COPENE Companhia Petroqumica do Nordeste e seus funcionrios.

Tese defendida e aprovada em 05/03/2001, pela banca examinadora constituda por:

Profa. Dra. Eliane Martins de Santana UFBA Orientadora

Prof. Dr. Ricardo de Arajo Kalid UFBA Co-orientador

Prof. Dr. Caiuby Alves da Costa UFBA

Eng. Paulo Roberto de Melo Freitas COPENE

Dr. Milton Thadeu G. Oliveira Medeiros TRIKEM

ndice Lista de figuras Lista de tabelas Nomenclatura Resumo Captulo 1: Introduo e objetivos Captulo 2: Descrio do processo 2.I 2.II 2.III 2.IV 2.V 2.VI Pirlise de hidrocarbonetos Converso e severidade Radiao Caracterizao da nafta: propriedades Caractersticas construtivas do forno Formao do coque 5 8 9 11 14 20 28 29 31 33 36 41 44 45 45 48 53

2.VII Resumo do Captulo 2 Captulo 3: Reviso bibliogrfica 3.I 3.II 3.III Modelos Cintica da deposio de coque em pirlise de nafta Resumo do Captulo 3

Captulo 4: Modelagem do forno de pirlise: previso de temperatura de serpentina na seo de radiao influncia do coque 4.I 4.II 4.III Desenvolvimento do modelo Proposta de modificao ao modelo originalmente proposto Resumo do Captulo 4 54 54 63 65 66 70 75 79 80 80

Captulo 5: Planejamento / Aquisio de dados da planta 5.I 5.II 5.III Variveis de processo Medies com pirmetro Resumo do Captulo 5

Captulo 6: Simulao do modelo / Ajuste dos parmetros 6.I 6.II Estimativa dos parmetros e simulao

Impacto das propriedades fsicas / sensibilidade do modelo a alteraes 86

nas propriedades da nafta 6.III

Proposta de melhoria no modelo - Introduo da propriedade densidade 88 91 92 93 99

no clculo do parmetro alfa e novo ajuste do modelo 6.IV Resumo do Captulo 6

Captulo 7: Apresentao e anlise dos resultados 7.I 7.II Primeira campanha do forno BA-1102 Segunda campanha do forno BA-1102

7.III 7.IV

Terceira campanha do BA-1102

101

Validao do modelo e consolidao dos parmetros e das equaes 103 105 109

que representam o conjunto das trs campanhas do BA-1102 7.V 7.VI 7.VII Primeira campanha do forno BA-1101 Segunda campanha do forno BA-1101

Validao do modelo e consolidao dos parmetros e das equaes 111

que representam o conjunto das trs campanhas do BA-1101 7.VIII

Comparao entre o forno BA-1101 e o BA-1102. Consolidao e 112 116 117 117

validao do modelo proposto 7.IX Resumo do Captulo 7

Captulo 8: Concluses e sugestes para trabalhos futuros 8.I 8.II Principais concluses e discusses

Sugestes para a continuidade da pesquisa sobre modelagem e 119 121 123

influncia da deposio do coque em fornos de pirlise Captulo 9: Referncias bibliogrficas APNDICES

Lista de figuras Figura 1.01 - Fluxograma simplificado de um unidade industrial de produo

de petroqumicos bsicos. Figura 1.02 Figura 2.01 Figura 2.02 Figura 2.03 - Figura esquemtica de um forno de pirlise. - Origem da nafta: destilao do leo cru. - Desenho detalhado de um forno de pirlise. - Diagrama simplificado de uma unidade de olefinas,

representando todos os compostos produzidos. Figura 2.IV.01 Figura 2.IV.02 Figura 2.V.01 Figura 2.V.02 Figura 2.VI.01 - Grfico de percentual de frequncia de densidade das naftas. - Grfico de percentual de ponto final de destilao das naftas. - Esquema simplificado de um forno tipo SRT-III. - Sistema detalhado da radiao de um forno tipo SRT-III. - Perfil tpico de temperatura na parede externa dos tubos

provocada pela camada de coque comparada com o tubo limpo. Figura 4.I.01 - Desenho esquemtico da influncia da deposio do coque na

temperatura do metal da serpentina (Tskin). Figura 5.01, Figura 5.02 e Figura 5.03 - Figuras mostrando novo conceito em serpentinas de craqueamento, baseada num tipo de tubo com uma aspiral interna. Figura 5.II.01 - Ilustrao esquemtica de um pirmetro tico.

Figura 6.I.01

- diagrama de blocos representando o programa de ajuste de

dados experimentais. Figura 7.I.01 - Primeira campanha do BA-1102: Comparao das temperaturas

medidas por pirmetro x modelo original. Figura 7.I.02 - Comparao entre temperaturas medidas por pirmetro x

modelo proposto (incluindo valores de densidade). Figura 7.I.03 (densidade varivel) Figura 7.I.04 Figura 7.I.05 - Campanha considerando um valor estimado de densidade. - Dados experimentais plotados juntos: simulaes com - Dados experimentais x modelo original e modelo proposto

densidade constante e varivel. Figura 7.II.01 - Segunda campanha do BA-1102: Comparao entre os valores

reais das temperaturas e a previso de campanha, considerando os parmetros C1 e C2 ajustados na primeira campanha. Figura 7.II.02 Figura 7.III.01 - Modelo proposto com novo ajuste de C1 e C2. - Terceira campanha do BA-1102: Comparao entre os valores

reais das temperaturas e a previso do modelo, com parmetros C1 e C2 ajustados na primeira campanha. Figura 7.III.02 - Terceira campanha do BA-1102: Novo ajuste dos parmetros C1

e C2 para a terceira campanha. Figura 7.IV.01 Figura 7.IV.02 - Dados de planta das trs campanhas do BA-1102. - Modelo com C1 e C2 ajustados para as duas ltimas

campanhas do BA-1102

Figuras 7.V.01

- Comparao entre valores de Tskin da planta e do modelo

original, considerando densidade constante. Figura 7.V.02 - Comparao entre valores de Tskin da planta e do modelo

original, considerando densidade variando ao longo da campanha. Figura 7.V.03 varivel. Figura 7.VI.01 - Comportamento da campanha atravs dos dados de planta e - Comparao entre os modelos: densidade real x densidade

da previso do modelo proposto. Figura 7.VII.01 grfico. Figura 7.VII.02 - Simulao prevista pelo modelo com parmetros ajustados de - Dados de planta das duas campanhas do BA-1101 num nico

forma a representar as duas campanhas. Figuras 7.VIII.01 e 7.VIII.02 - Comparao entre os fornos BA-1101 e BA-1102. Figura 7.VIII.03 - Comparao entre o comportamento real e o modelo proposto

com parmetros ajustados, indicando a melhor condio operacional do BA-1101.

Lista de tabelas Tabela 2.IV.01 Tabela 5.V.01 Tabela 5.I.01 - Caractersticas da nafta - Caractersticas do forno tipo SRT-III - Acompanhamento das variveis de processo da primeira campanha do BA-1102 Tabela 5.I.02 - Acompanhamento das variveis de processo da segunda campanha do BA-1102 Tabela 5.I.03 Acompanhamento das variveis de processo da terceira

campanha do BA-1102 Tabela 6.I.01 - Tskin real x (modelo original e modelo proposto) de Tskin e diferenas entre temperaturas

Tabela 7.I.01 - Valores experimentais e do modelo Tabela 7.V.01

- Resultados da simulao da primeira campanha do BA-1101

Nomenclatura A B BC C C1 C2 CC2H4 e CAr COT Cp D Di d(t) d G h hg Kc k Kcal Kg Kr Kw m mm Mw NB NL NP PFD constante da taxa de formao do coque no cataltico Quantidade de coque cataltico Taxa inicial de formao do coque cataltico Taxa de reduo de formao do coque cataltico (perda de contato gradual com o metal) Parmetro do modelo, estimado a partir das variveis de processo. Parmetro do modelo, estimado a partir das variveis de processo. Concentraes de C2H4 e de compostos aromticos Temperatura efluente da zona de radiao Calor especfico Dimetro do tubo Dimetro interno do tubo Espessura da camada de coque no tempo t (determinado dia de campanha) Densidade do fluido no tubo velocidade mssica Hora Coeficiente do filme de gs no interior do tubo Condutividade da camada do coque Condutividade trmica do fluido no tubo Quilocalorias (unidade de energia) Quilograma Constante da velocidade de reao de formao do coque Condutividade trmica da parede do tubo metro milmetro Peso molecular da nafta Nafta bruta Nafta leve Nafta pesada Ponto final de destilao

PID Pt Q R rc Rm rr Sc t Tc Tg

-

Ponto inicial de destilao Presso do sistema Quantidade de calor Constante Universal dos Gases Taxa de deposio do coque Taxa molar da transferncia de massa Taxa das reaes qumicas de formao do coque Nmero de Schmidt ( / ) Tempo t Gradiente de temperatura causada pela camada de coque Gradiente de temperatura pela resistncia transferncia de calor causada pelo filme de gs Temperatura do metal do tubo Temperatura do processo Temperatura da parede dos tubos Gradiente de temperatura causada pela parede do tubo, que depende do material da tubulao. Vazo do fluido no tubo (somado ao vapor de diluio) Vazo de nafta Quantidade de coque na superfcie no tempo t Frao molar dos compostos precursores de coque na nafta Frao molar dos compostos precursores de coque na parede dos tubos

TMT Tp Tskin Tw Wf Wn y yc yci

-

Variveis gregas: e Emissividade Viscosidade do fluido no tubo Espessura do filme gasoso precursor do coque no interior do tubo Parmetros constantes do modelo, a serem determinados a partir das p