Simulação numérica e otimização termodinâmica de risers de craqueamento catalítico em leito fluidizado para a máxima produção de combustíveis

Abstract

Resumo: O presente trabalho propõe uma formulação matemática bidimensional para a modelagemde risers de FCC. Em uma unidade industrial são injetados, simultaneamente no riser, gasóleo,vapor d’água e catalisador sólido. Contudo, para o presente tratamento, a mistura que passaatravés do riser é aproximada por um fluido equivalente de propriedades médias, no qual éassumida uma mistura homogênea de todos os seus componentes. Trata-se, portanto, de ummodelo monofásico. O objetivo principal desta simplificação é o de possibilitar a criação de umaplicativo computacional simples de resolver e rápido, capaz de ser utilizado para otimização eprojeto de novas unidades. Além disto, o aplicativo possibilita a análise de risers em regimetransiente, desta maneira, abrindo também a possibilidade de desenvolvimento de sistemas decontrole otimizados para unidades de FCC, em especial risers. A validação dos resultadosnuméricos do modelo proposto foi realizada através da comparação direta das simulações com osdados experimentais colhidos em uma unidade multipropósito existente na SIX/PETROBRASem São Mateus do Sul, PR. Para tanto, foi desenvolvida uma metodologia para o ajuste deconstantes do modelo cinético adotado. O aplicativo computacional foi utilizado para produzirresultados numéricos para várias condições de entrada idênticas aos casos experimentais,determinando valores de constantes do modelo tal que a saída numérica fosse aproximadamentea mesma dos casos experimentais. Isto foi possível através da solução de um problema inversode estimativa de parâmetros. Com o modelo devidamente ajustado e validadoexperimentalmente, desenvolveu-se um estudo de otimização da unidade em análise. Doisobjetivos alternativos foram investigados no processo de otimização: i) a máxima produção deum determinado produto de interesse, e ii) a minimização da exergia destruída na unidade decraqueamento catalítico como um todo. O modelo matemático proposto mostrou-se capaz deprever de forma rápida e precisa os perfis de concentrações e temperaturas ao longo de todo oriser. Além disso, as frações mássicas calculadas pelo aplicativo na saída do mesmodemonstraram boa concordância com os dados experimentais disponíveis.

Abstract: This work proposes a bi-dimensional mathematical formulation for FCC risers modeling.In an industrial FCC unit, the gasoil, water steam and solid catalyst are injected simultaneouslyin the riser. However, in the present treatment, the mixture that flows inside the riser isapproximated by an equivalent fluid with average properties, assuming that all components arewell mixed. Actually, it is a single phase model. The main goal of this simplification is to makepossible the creation of a computational code that is, at the same time, fast, simple to solve andcapable of being used for the design of new units. The computational code can also be used fortransient simulations of the riser, allowing its application to the development of optimizedcontrol systems of FCC units, especially risers. The validation of the numerical results of theproposed model was carried out by direct comparison with the experimental data available froma multipurpose unit located at SIX/PETROBRAS in São Mateus do Sul, PR. For this validation,a methodology was developed to adjust constants for the kinetic model. The computational codewas used to produce numerical results for the experimental input operational conditionsavailable, determining the adjusted constants of the model in such a way that the outputsproduced by the computational code were close to the available experimental data. This wasmade possible by solving an inverse problem of parameters estimation. With the mathematicalmodel appropriately adjusted and validated, it was developed an optimization study of the FCCunit under analysis. Two alternative objectives were investigated: i) the maximization of theoutput mass flow rate of a product of interest, and ii) a minimization of the destroyed exergy ofthe entire conversion unit. The proposed mathematical model is shown to be capable ofpredicting, in a fast and precise way, the concentration and temperature profiles along the riser.It is also shown that the mass fractions calculated by the application at the riser output sectionare in good agreement with the available experimental data.