1. Objetivos do Projeto

1. 1. Objetivos do Projeto • Aumento de desempenho de UCC - melhoria das condições de operação do processo • Metodologia alternativa com base nos princípios da Termodinâmica, Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos, que possa ser utilizada no projeto de novas unidades • Curto prazo - nova metodologia - estratégia otimizada de controle - aumento da produtividade das unidades instaladas (gasolina e GLP) • Médio prazo - aumento da durabilidade de equipamentos - desenvolvimento de novos revestimentos para redução da erosão e corrosão • Redução do consumo energético, melhor aproveitamento de matéria-prima e maior grau de automação da planta.

2. 2. Etapas do Projeto

3. A) Otimização termodinâmica (realizado cerca de 60 %) – Prof. José Vargas (UFPR) As atividades previstas para este item são as seguintes: 1. Revisão bibliográfica - PERÍODO: Jan/2001 a Abr/2001 2. Desenvolvimento de um modelo físico simplificado para ser utilizado por uma lei de controle - PERÍODO: Jan/2001 a Set/2001 3. Validação experimental de resultados numéricos simultaneamente com o ajuste do modelo matemático - PERÍODO: Jan/2001 a Jan/2002 4. Inserção do cálculo da geração de entropia no processo, identificando os mecanismos causadores de perdas termodinâmicas - PERÍODO: Fev/2002 a Set/2002 5. Otimização termodinâmica do processo para máxima produção de combustíveis (i.e., mínima geração de entropia) - PERÍODO: Mai/2002 a Dez/2002 6. Aplicativo computacional (“software”) para melhoria do desempenho de unidades existentes e para o projeto ótimo de novas unidades - PERÍODO: Jul/2001 a Dez/2002

4. Resultados - Simulação computacional (“Risers”)

5. Riser sem entrada lateral Velocidade na entrada do riser (Vin) = 4.5 m/s (SIX: H = 18 m; D = 0.508 m) Porosidade = 0.98 Vazão de gasoleo = 170 kg/h Vazão de vapor = 11 kg/h Relação entre as vazões de catalisador e gasoleo = 6 (kg de catalisador por kg de gasoleo) malha com 70 (vertical) por 8 (horizontal) volumes

10. Riser isotérmico com entradas laterais Velocidade do catalisador na entrada inferior do riser (Vin) = 4.5 m/s Velocidade do gasoleo na entrada lateral do riser com um ângulo com a horizontal de 30º = 10 m/s Temperatura de reação (do catalisador) = 550 ºC Porosidade = 0.98 Vazão de gasoleo = 170 kg/h Vazão de vapor = 11 kg/h Relação entre as vazões de catalisador e gasoil = 6 (kg de catalisador por kg de gasoleo) malha com 70 (vertical) por 8 (horizontal) volumes

13. Observações: • Gao (1999) – modelo 3-D bifásico (gás+sólido) • Gao (2001) – modelo 3-D trifásico (GOP líquido+gás+sólido) • Apenas modelos – não foi feita nenhuma otimização • OCUCC – permitirá a otimização de vários parâmetros (e.g., razão catalisador/carga, vazão de carga, posicionamento dos bicos dispersores, ângulos de injeção) • Razão catalisador/GOP • Vazão de GOP • Várias Figuras de Mérito (e.g., eficiências de produtos nobres) e restrições físicas (EGM identifica mínimo consumo para certa produção desejada) • 560 volumes – menos de 1 min para convergência (Pentium III, 550 MHz, 128 MB RAM) – Windows

14. PERSPECTIVAS: A expectativa é que, conseguindo implementar a etapa 1.3 até julho de 2002, i.e., com um atraso final de 4 meses em relação ao previsto originalmente, ainda se possa cumprir o planejamento previsto de finalizar o projeto até jan/2003. A idéia é desenvolver simultaneamente as etapas 1.4, 1.5 e 1.6 até o final do projeto.

15. B) Bicos dispersores (realizado cerca de 80 %) – Prof. Dmitri Vlassov (UFPR) • As atividades previstas para este item são as seguintes: • Revisão bibliográfica - PERÍODO: Jan/2001 a Abr/2001 • Melhoria do dispositivo dispersor de carga duplo-fluido (óleo/vapor) visando tamanho de gotícula, velocidade, distribuição de fluxo e durabilidade - PERÍODO: Mai/2001 a Jan/2002 • Levantamento de correlações entre condições operacionais, disponibilidade de recursos de atomização com resultados de conversão - PERÍODO: Set/2001 a Abr/2002 • Aperfeiçoamento de bocais supersônicos de baixa perda de energia e avaliação das correlações de atomização - PERÍODO: Nov/2001 a Abr/2002 • Desenvolvimento de um modelo de simulação válido para o bico dispersor duplo fluido (óleo/vapor) - PERÍODO: Set/2001 a Dez/2002 • Proposição de sistemas alternativos para melhorar a dispersão - PERÍODO: Mai/2002 a Dez/2002

16. Resultados: • Elaborado “software” BOCAL – i) calcula parâmetros de um gás a partir da geometria do bocal e ii) dimensiona bocal (subsônico e supersônico). • Foram projetados e usinados 12 protótipos de bocais de bicos dispersores do tipo duplo fluido: 5 subsônicos e 7 supersônicos. • Foram realizados cerca de 200 ensaios de medição de tamanhos de gotículas, utilizando a metodologia de laser (Total: 1350). • Concluído o projeto do Laboratório de Particulas a Laser (LPL),destinado a testes de bicos dispersores de carga em escala naturalLaser PDPA com potência de 5W (SIX). • Concluída a montagem da bancada de espalhamento de raios laser(Malvern) com potência nominal de 0,5 mW, destinada a testes deprotótipos em escala reduzida (SIX). • Visita ao Laboratorio Argonne - ANL em Chicago,EUA, paraacompanhamento de teste com o bico dispersor de carga de FCC daPetrobras (versão subsônica) para verificação do estado da arte (SIX).

17. onde: - diâmetro médio estatístico de gotículas(diâmetro estatístico de Sauter SMD); - diâmetro de orifício do líquido; - densidades de gás e do líquido; - velocidades de gás e do líquido; - relação de vazões mássicas do gás e do líquido; - número de Weber (dens. Liq. X tensão sup. Liq. X dimensões); - número de Reynolds (Velo. X dimensão X viscosidade) ; - constantes a serem definidas dos ensaios.

21. Análise qualitativa (foto de alta velocidade) • Análise quantitativa (raios laser – difração de Fraunhofer)

22. Sistemas alternativos para melhorar a dispersão SMD é 3 vezes menor que bicos convencionais – atomização mais fina

23. PERSPECTIVAS: • Este item está em dia com o cronograma e está se desenvolvendo com resultados acima da expectativa inicial. A expectativa é a de concluir o projeto com resultados concretos de melhoria significativa em relação aos bicos dispersores em uso atualmente. Espera-se também ao fim do projeto a disponibilização de protótipos testados em operação real com quantificação de ganhos obtidos em relação aos bicos convencionais. • Montagem de bancada de testes de bicos na UFPR em execução. Compressor de ar de 35 bar – OCUCC e Laser a ser disponibilizado pela SIX.

24. C) Estudo para simulação e minimização da formação de coque no pré-aquecimento do GOP (realizado cerca de 50 %) – Prof. Marcelo Errera (UFPR) • As atividades previstas para este item são as seguintes: • Revisão bibliográfica - PERÍODO: Jan/2001 a Abr/2001 • Desenvolvimento de um modelo matemático para simulação numérica - PERÍODO: Mai/2001 a Abr/2002 • Validação experimental dos resultados numéricos do modelo, utilizando unidades já existentes na PETROBRÁS - PERÍODO: Out/2001 a Out/2002 • Propostas de modificações de parâmetros de operação e projeto para aumentar o rendimento do processo - PERÍODO: Mai/2002 a Dez/2002

25. Motivação: injetar GOP pré-aquecido (600 – 700 graus) ao invés de 200 graus -> melhor vaporização e maior rendimento do FCC. Atividades realizadas: 1) mecanismos e origem da formação decoque de GOP foi estudada 2) Simulacao Computacional: modelo pronto e aguardando dados especificos do GOPde Marlim e Cabiunas (solicitação aser enviada em julho/2002), i.e., parâmetros de cinética, solubilidade, entalpias de reação,etc.3) Aparato experimental para validaçãodo modelo eestudos (planta simplificada) em negociacao com a SIX paraatender restricoes de recursos (forado projeto FINEP) - decisão final sobre a planta em julho/20024) Recomendações para configuracao doforno de pré-aquecimento da carga aguardandodetalhes dos fornos atuais.

26. ** MAIORES DIFICULDADES:1) dispersao da equipe de engenheiros quimicos(professores da UFPR e CEFET/PR)2) dificuldade para encontrar bolsistas qualificados3) falta de informação dos fornos da Petrobras4) falta de parâmetros para realizar a simulação

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

29. PERSPECTIVAS: • Aguardar retorno da Petrobrás sobre as propriedades físico-químicas do GOP REPAR e das características dos fornos pré-aquecedores da carga do FCC. • Iniciar a montagem do aparato experimental na SIX ou de uma alternativa. • Calibrar o modelo computacional por comparação direta com medidas experimentais para realizar simulações e otimização. • Estender o modelo numérico para o GOP REPAR e outras duas cargas diferentes.

30. D) Estratégias otimizadas de controle (realizado cerca de 60 %) • Prof. Flávio Neves Jr. (CEFET/PR) • As atividades previstas para este item são as seguintes: • Revisão bibliográfica - PERÍODO: Jan/2001 a Abr/2001 • Estudo sobre uma modelagem para controle tempo real – PERÍODO: Mai/2001 a Out/2001 • Estudo sobre leis de controle multivariável e preditivo - PERÍODO: Mai/2001 a Out/2001 • Avaliação de controladores existentes e sua adequação ao projeto - PERÍODO: Set/2001 a Dez/2001 • Desenvolvimento do modelo e do controlador multivariável e preditivo - PERÍODO: Out/2001 a Set/2002 • Implementação, teste e avaliação do controlador desenvolvido - PERÍODO: Set/2002 a Dez/2002 • Desenvolvimento de procedimentos para padronização e documentação - PERÍODO: Mai/2002 a Dez/2002

31. Resultado: • Proposta de estratégia de controle – baseada em conceitos de controle preditivo multivariável – espera-se performance superior a aplicação de controladores clássicos, como controladores PID • Modelo simplificado de FCC: Moro e Odloak (1995) – reduz esforço computacional (teórico – empírico) – implementado e simulado para um regime específico de operação • Dificuldade de Controle: operação estável requer equilíbrio de calor (temperatura de reação), pressão (fluxo catalisador no sentido correto) e químico (ou de coque – queima total no regenerador) • Aspectos considerados: i) sistema multivariável com dinâmica lenta – controlador digital com grande período de amostragem; ii) UCC altamente não linear; iii) limites impostos por qualidade do produto, capacidade, segurança e emissões; iv) maximização de produtos nobres, e v) esquema de otimização para minimizar consumo de energia. • Necessidade: otimização ou controle otimizado -> Controle preditivo (modelo do processo, entradas e saídas passadas, projeções de ações de controle usadas para prever resposta ainda com critério de custo)

32. Modelos de algoritmos de controle preditivo desenvolvidos: • DMC (Dynamic Matrix Control) – processos químicos, porém mais adequado a REPAR, não recomendado para unidades multipropósito (SIX) • GPC (Generalized Predictive Control) – aplicação geral (linear e não linear) • IMC (Internal Model Control) – vinculado à qualidade do modelo • Objetivos: Faixas de operação, e não “setpoints” específicos, portanto, controles implementados junto com restrições e procedimentos de otimização • Modelagem matemática alternativa da UCC: riser, regenerador, linhas de transporte do catalisador (conexões), vaso separador e “stripper”, com base nos princípios de conservação de massa, momento, energia e espécies químicas, e na segunda lei da Termodinâmica

33. PERSPECTIVAS: • A SIX foi contatada para colocar um turno do FCC no tempo disponível para testar o modelo de controle implementado pelo projeto. Se isto não for possível, ainda existe a possibilidade de colocar este sistema em paralelo com o sistema convencional. • A seguir, pretende-se utilizar o modelo mais completo e detalhado, em desenvolvimento no item 1 deste projeto para realizar testes de controle e otimização dentro da realidade de uma planta de craqueamento catalítico (SIX). Assim, pretende-se que ao fim do projeto, os produtos estejam disponíveis para aplicação direta pela PETROBRAS. Também neste item, espera-se o cumprimento integral do cronograma estabelecido.

34. E) Revestimentos (realizado cerca de 60 %) – Profa Ana Sofia D’Oliveira (UFPR) • As atividades previstas para este item são as seguintes: • Revisão bibliográfica - PERÍODO: Jan/2001 a Abr/2001 • Otimização dos procedimentos de deposição por soldagem a plasma por arco transferido e por aspersão térmica por arco elétrico em substratos idênticos aos dos componentes a revestir na unidade de FCC - PERÍODO: Mai/2001 a Jun/2002 • Desenvolvimento de equipamento de simulação de erosão por partículas a quente - PERÍODO: Jan/2001 a Jul/2001 • Determinação da relação parâmetros de processamento, microestrutura, nível de tensões residuais, características superficiais e comportamento erosivo - PERÍODO: Mar/2001 a Dez/2002 • Avaliação do desempenho em campo permitindo a análise de variáveis não reproduzidas em laboratório - PERÍODO: Out/2001 a Dez/2002

35. Itens desenvolvidos e problemas detectados: • Atrasos na entrega de uma máquina de PTA. Equipamento instalado em março de 2002 • Deposição de ligas resistentes a altas temperaturas, ligas a base de cobalto rica em carbono. • Avaliação da influência do substrato com a deposição de ligas resistentes a altas temperaturas sobre diferentes substratos (aço carbono, aços austeniticos e aços martensiticos) • Deposição com diferentes taxas de alimentação de pó, com o objetivo de variar o nível de diluição • Montagem de equipamento de desgaste tipo disco sobre pino, simulando contato metal-metal. • Estão sendo otimizados os processos de deposição • É possível revestir válvulas com PTA – Será necessário providenciar uma válvula que trabalhe a 700°C, que é a válvula diferencial de pressão do FCC. A SIX deverá fornecer a válvula. Além disso, a parede do ciclone do riser. • O tempo para avaliar a durabilidade foi estimado em pelo menos 6 meses

36. Dificuldades para desenvolver equipamento de desgaste erosivo a quente –não foram avaliadas corretamente as dificuldades para a construção do equipamento, especificamente no aquecimento do ar e das partículas abrasivas Necessário utilizar pó de alumina no lugar do catalisador – possibilidade de sinterização do catalizador – 700 a 800ºC Será submetida a desgaste uma área de cerca 64 cm quadrados – amostras de PTA serão testadas Espaço físico concluído no CEFET/PR – professorcomprometeu-se a disponibilizar equipamento em agosto/2002. A partir daí, será necessário controlar a repetibilidade do processo Em paralelo, foi desenvolvida a caracterização de revestimentos pela técnica da Dissolução Anódica Voltamétrica (DAV) – a frio, que é capaz de avaliar como o revestimento para altas temperaturas se comportará em operação real. Os revestimentos serão, portanto, avaliados quanto à presença de descontinuidades, tensões residuais e influência dos parâmetros de processamento na sua microestrutura, e quanto ao seu desempenho em ambiente erosivo a quente.

37. Equipamento PTA instalado na UFPR em março de 2002

38. PERSPECTIVAS: • Realizar revestimento em uma válvula que opere em alta temperatura, realizando sua caracterização • Disponibilizar o equipamento para a realização de revestimentos por solicitação da PETROBRAS.A Expectativa é cumprir todos os itens previstos no projeto, dentro do prazo previsto em cronograma • O equipamento de desgaste erosivo deve estar operando em agosto de 2002 • PRODUÇÃO CIENTÍFICA do OCUCC: • Foram produzidos vários artigos internacionais, publicados no congressoIMECE 2001 - International Mechanical Engineering Conference and Exposition e em revistas indexadas • Fruto da pesquisa realizada com o projeto OCUCC, vários artigosforam elaborados e apresentados no I Encontro dos Programas de Recursos Humanos para o Setor de Petróleo e Gás Natural dos PRH-10 e PRH-24 da ANP, no estado do Paraná, realizado em novembro de 2001. O Encontro ocorreu no Centro de Convenções de Curitiba, com a participação da ANP, da SIX, da UFPR, CEFET, autoridades e empresas do setor, alem dos alunos envolvidos no projeto, do CEFET e da UFPR

39. 3. Números e Administração do Projeto Executora: UFPR Co-executora: CEFET/PR Equipe de Professores: UFPR (DEMEC – 16; DTQ – 3) Total: 19 CEFET/PR – 14 OUTROS – 6 Total: 39 Bolsistas RHAE: ITI-1B: 3; ITI-1A: 7; DTI-7H: 7 Total: 17 Bolsistas ANP (PRH 24): Graduação: 12; Mest.: 3; Dout.: 2 Total: 17 Recursos OCUCC: FINEP: R$ 547.365,36; PETROBRÁS: R$ 99.100,00 UFPR-CEFET/PR: R$ 517.392 (Pessoal); RHAE: R$ 197.925,84 Total: R$ 1.361.783,20

40. Custos previstos/realizado • Adquirido – 95 % do equipamento previsto • Bolsas RHAE – Todas implementadas • PETROBRÁS – recursos disponibilizados, com saldo ainda de cerca de R$ 20.000,00. Falta ainda o quarto repasse previsto, no valor de R$ 4.992,00 (Mar 2002) • FINEP/CTPETRO – saldo de cerca de R$ 20.000,00. Faltam ainda, o terceiro e quarto repasses previstos originalmente, nos valores de R$ 28.257,00 (Set 2001) e R$ 9.977,00 (Mar 2002), respectivamente

41. Programa Interdisciplinar de Pós-Graduação em Engenharia (PIPE/UFPR): http://www.pipe.ufpr.br PRH 24 – ANP/UFPR: http://www.pipe.ufpr.br/anp Projeto OCUCC: http://www.pipe.ufpr.br/PETROLEO/prog-petroleo.htm