Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE - Programa de Engenharia Química COQ 897 – Otimização de Processos Otimização de um conversor de Craqueamento.

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2 Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE - Programa de Engenharia Química COQ 897 – Otimização de Processos Otimização de um conversor de Craqueamento Catalítico Fluido Jacques Niederberger, setembro/2016

3 Sumário 1.Introdução 2.Formulação do Problema 3.Resultados e discussão 4.Conclusões 5.Referências Bibliográficas

4 1. Introdução Altos custos de energia e matérias primas Restrições de segurança pessoal e ambiental Intensificação de processos, aumento de eficiência Menor severidade, plantas menores, minimização de efluentes Cenário propício para aplicação de técnicas de otimização em unidades de processamento químico

5 Contextualização: FCC: responsável pela produção de maior parte da gasolina consumida no planeta. Brasil: 70 milhões de litros/dia. Estados Unidos: 675 milhões de litros/dia. Mundo: 3,8 bilhões de litros por dia ou 1,4 trilhões de litros anuais.

6 Contextualização: Processo: reações endotérmicas, moléculas grandes quebradas em moléculas menores, na presença de um catalisador. Carga típica: gasóleo pesado – GOP. Produtos: gás combustível (hidrogênio, metano, eteno e etano), GLP (parafinas e olefinas na faixa de C 3 a C 4 ), gasolina, óleos de reciclo leve e pesado (LCO e HCO), óleo decantado coque.

7 Contextualização: O coque produzido recobre a superfície das partículas de catalisador, reduzindo sua atividade e tornando necessária uma etapa de regeneração, através da queima do coque, que livra o catalisador dos depósitos e gera energia para as reações endotérmicas de craqueamento. A conversão e o perfil de rendimentos em um conversor de FCC dependem da configuração do conversor, das características da carga, das propriedades do catalisador e das condições operacionais.

8 Figura 1 - Representação esquemática do conversor de uma unidade de FCC (Índio do Brasil et al, 2012). Contextualização:

9 Formulação do Problema: Modelo Matemático: Modelo de conversor originalmente em FORTRAN, migrado para o EMSO 60 subrotinas => 40 submodelos ~2.000 equações

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11 Formulação do Problema: Preços e custos Carga GOP, $/t : 94,00 Nafta (carga ou produto), $/t: 160,00 Catalisador, $/t : 3050,00 LCO, $/t : 103,00 Óleo Decantado, $/t : 94,00 GLP, $/t : 85,00 Propeno, $/t : 350,00 Gasolina, $/t : 280,00 Óleo Diesel, $/t : 104,00 Oxigênio, $/t : 88,00 Energia Elétrica gerada no turboexpansor, $/kWh: 0,013 Parâmetros auxiliares p/ custo energia Densidade a 20/4 do óleo combustível padrão: 0,940 Poder calorífico inferior do OCP, kcal/kg: 34.886.154,0

12 Classificação do problema: Programação não linear - NLP Cenários alternativos: Máxima carga processada; Máxima conversão; Máxima produção de gasolina; Máxima produção de GLP; Máxima produção de propeno.

13 Formulação do Problema: Variáveis independentes: 1.Vazão de carga gasóleo 2.Vazão de carga nafta 3.Temperatura da carga 4.Temperatura na saída do riser 5.Vazão de vapor de dispersão 6.Vazão de água para o riser 7.Pressão do vaso reator 8.Vazão de vapor de retificação para 1° estágio 9.Pressão do regenerador 10.Teor de coque no catalisador regenerado 11.Teor de O 2 no flue gas 12.Atividade do catalisador de equilíbrio

14 Resultados e Discussão: Ferramenta empregada: EMSO Método de Otimização: Complex /caminho viável Rentabilidade no caso base = 145.903,00 $/dia.

15 Resultados do Caso base: variávelvalor entradas Vazão de carga GOP, m 3 /dia3.141 Vazão de carga nafta, m 3 /dia249 Temperatura da carga GOP, o C250 Temperatura de reação, o C544 Carga térmica resf. Catalisador, Gcal/h30,1 saídas Conversão, % massa67,0 Circulação de catalisador, t/h260,3 Temperatura de fase densa, o C696,2 Rendimento em H 2 S, % massa0,26 Rendimento em GC, % massa6,42 Rendimento em GLP, % massa13,02 Rendimento em GLN, % massa38,95 Rendimento LCO+OD, % massa31,93 Rendimento em coque, % massa9,41 Rentabilidade, $/dia145.903

16 Resultados e Discussão: Caso 1: máxima rentabilidade, 3 variáveis independentes: 1.Vazão de carga GOP 2.Temperatura da carga GOP 3.Temperatura de saída do riser

17 variávelGLvalorLILS entradas Vazão de carga GOP, m 3 /diaX3.5003.0003.500 Vazão de carga nafta, m 3 /dia2490300 Temperatura da carga GOP, o CX181,450500 Temperatura de reação, o CX564,6480565 Vazão vapor retificação estágio 1, t/h5,151,07,0 Carga térmica resf. Catalisador, Gcal/h30,1032 Saídas Conversão, % massa75,56085 Circulação de catalisador, kg/s415165415 Temperatura de fase densa, o C680,2640760 Rendimento em H 2 S, % massa0,29 Rendimento em GC, % massa9,50 Rendimento em GLP, % massa13,19 Rendimento em GLN, % massa40,42 Rendimento LCO+OD, % massa26,11 Rendimento em coque, % massa10,49 Rentabilidade, $/dia181.011 Resultados do Caso 1:

18 Resultados e Discussão: Caso 2 máxima rentabilidade, 5 variáveis independentes: 1.Vazão de carga GOP 2.Temperatura da carga GOP 3.Temperatura de saída do riser 4.Carga térmica do resfriador de catalisador 5.Vazão de vapor para 1º estágio de retificação

19 variávelGLvalorLILS entradas Vazão de carga GOP, m 3 /diaX35003.0003.500 Vazão de carga nafta, m 3 /dia2490300 Temperatura da carga GOP, o CX20450500 Temperatura de reação, o CX565480565 Vazão vapor retificação estágio 1, t/hX1,0 7,0 Carga térmica resf. Catalisador, Gcal/hX320 Saídas Conversão, % massa75,66085 Circulação de catalisador, kg/s415165415 Temperatura de fase densa, o C676,1640760 Rendimento em H 2 S, % massa0,28 Rendimento em GC, % massa8,74 Rendimento em GLP, % massa13,21 Rendimento em GLN, % massa40,42 Rendimento LCO+OD, % massa26,88 Rendimento em coque, % massa10,46 Rentabilidade, $/dia182.591 Resultados do Caso 2:

20 Caso 3 máxima gasolina, 3 variáveis independentes: 1.Temperatura da carga GOP 2.Temperatura de saída do riser 3.Carga térmica do resfriador de catalisador

21 variávelGLvalorLILS entradas Vazão de carga GOP, m 3 /dia31413.0003.500 Vazão de carga nafta, m 3 /dia2490300 Temperatura da carga GOP, o CX206,950500 Temperatura de reação, o CX562,9480565 Vazão vapor retificação estágio 1, t/h5,151,07,0 Carga térmica resf. Catalisador, Gcal/hX320 Saídas Conversão, % massa76,56085 Circulação de catalisador, kg/s415165415 Temperatura de fase densa, o C663,6640760 Rendimento em H 2 S, % massa0,29 Rendimento em GC, % massa9,48 Rendimento em GLP, % massa13,37 Rendimento em GLN, % massa40,81 Rendimento LCO+OD, % massa25,22 Rendimento em coque, % massa10,84 Rentabilidade, $/dia165.549 Resultados do Caso 3:

22 Conclusões: Foi efetuada a otimização de um conversor de FCC no EMSO, a partir de modelo estático migrado da linguagem FORTRAN. A otimização econômica proporcionou uma elevação de cerca de 25% na rentabilidade do processo, em relação ao caso base. Quando empregamos 5 variáveis independentes, ao invés de 3, o aumento na rentabilidade foi de cerca de 0,55%. A tentativa de maximização da gasolina produzida resultou em um ganho apenas marginal no rendimento deste corte.

23 Referências Bibliográficas: 1.Niederberger, J.; Fusco, J. M.; Cid, E. A., Sandes, E. F. Simcraq OT – Um Sistema Avançado para s Simulação e Otimização do Processo de FCC. Anais do XIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química - COBEQ 2000, Águas de São Pedro, SP, BRASIL, 2000. 2.Ministério de Minas e Energia, Relatório do Mercado de Derivados de Petróleo, jan/2015. 3.U.S. Energy Information Administration -Short-Term Energy Outlook (https://www.eia.gov/forecasts/steo/report/global_oil.cfm)https://www.eia.gov/forecasts/steo/report/global_oil.cfm 4.Índio do Brasil, N.; Araújo, M. A. S.; Sousa, E. C. M. Processamento de Petróleo e Gás. Rio de Janeiro: LTC, 2012. 5.Soares, R. de P., EMSO User Manual, Brasil, 2007.

24 OBRIGADO !