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Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia Química e Petróleo
PROJETO DE UMA TORRE DE
DESTILAÇÃO ATMOSFÉRICA DE
PETRÓLEO, UTILIZANDO SOFTWARES
UNISIM DESIGN E KG-TOWER
AMANDA CECÍLIA DA SILVA
DIEGO QUEIROZ FARIA DE MENEZES
RAFAELA MARQUES BAHIA
PROJETO FINAL DE CURSO
ORIENTADORES
ANA CARLA DA S. LOMBA SANT’ANA COUTINHO, D.SC.
LUIZ ANTONIO CORREA DIAS, ESP.
Niterói, 2012
I
AMANDA CECÍLIA DA SILVA
DIEGO QUEIROZ FARIA DE MENEZES
RAFAELA MARQUES BAHIA
PROJETO DE UMA TORRE DE FRACIONAMENTO ATMOSFÉRICA DE
PETRÓLEO, UTILIZANDO SOFTWARES UNISIM DESIGN E KG-TOWER
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Curso de Engenharia Química da
Universidade Federal Fluminense, como
requisito parcial para obtenção do grau de
Engenheiro Químico.
ORIENTADORES
ANA CARLA DA S. LOMBA SANT’ANA COUTINHO, D.SC.
LUIZ ANTONIO CORREA DIAS, ESP.
Niterói, 2012
II
AMANDA CECÍLIA DA SILVA
DIEGO QUEIROZ FARIA DE MENEZES
RAFAELA MARQUES BAHIA
PROJETO DE UMA TORRE DE FRACIONAMENTO ATMOSFÉRICA DE
PETRÓLEO, UTILIZANDO SOFTWARES UNISIM DESIGN E KG-TOWER
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Curso de Engenharia Química da
Universidade Federal Fluminense, como
requisito parcial para obtenção do grau de
Engenheiro Químico.
Aprovada em julho de 2012.
BANCA EXAMINADORA
Profa Dra. Ana Carla da S. Lomba S. Coutinho (D.SC. – UFF) – Orientadora
Prof. Luiz Antonio Correa Dias (Esp. – UFF) - Orientador
Prof. Dr. Hugo Alvarenga Oliveira (D.Sc. – UFF)
Engº de Processamento Sênior – Carlos Ney da Fonseca (Petrobras)
Niterói, 2012
III
AGRADECIMENTO
À Universidade Federal Fluminense,
Ao Engenheiro de Processamento Sênior Carlos Ney da Fonseca,
Aos meus professores Ana Carla da S. L. S. Coutinho, Luiz Antonio Correa Dias
e Hugo Alvarenga Oliveira,
A todos os professores da Escola de Engenharia, Instituto de Química e Instituto
de Matemática com quem convivi, aprendi e tive o privilégio de ser aluno.
Orgulho-me de ter sido graduado no curso de Engenharia Química pela Augusta
Universidade Federal Fluminense.
IV
EPÍGRAFE
“Se todos os sábios de uma nação morressem sem compartilhar
os seus conhecimentos qual destino teria esta nação? O
conhecimento não é uma propriedade do homem, é um bem da
humanidade. Ensinar é um dom, é uma arte”.
Diego Queiroz Faria de Menezes, 06 de julho de 2012.
V
RESUMO
A indústria do petróleo hoje representa um dos setores de maior importância para a
economia mundial devido a grande demanda energética em que vivemos. O processo de
destilação do petróleo é essencial para a obtenção dos produtos desejados, e por isso requer
um projeto adequado às características do óleo a ser refinado. A grande importância do
dimensionamento dos dispositivos de contato foi a principal abordagem desse projeto,
analisando o melhor dispositivo de contato (Prato x Recheio), estimativa do melhor diâmetro,
arranjo do prato e escolha dos parâmetros e cálculo de desempenho hidráulico. O presente
trabalho consiste no projeto de uma torre de destilação atmosférica, utilizando o petróleo
Venzuelano Tia Juana Leve como caso base. Foi utilizado o software UniSim Design da
Honeywell para o balanço de material e de energia, que permitiu obter os dados necessárias
para uma torre de 8 seções com um total de 52 pratos, 3 pump arounds, 3 retificadoras de
4 pratos e um condensador trifásico parcial. Foram dimensionados os dispositivos de contato
com o software KG-Tower 5.0 da Koch-Glitsch, utilizando o resultado das vazões de vapor e
líquido nos pratos. Por fim, o resultado para o projeto foi uma torre de 40 m, 8 seções
(3 de troca térmica, 3 seções de absorção, zona de flash e seção de fundo), com 6 m de
diâmetro entre a zona de flash e a seção de topo, 3 m de diâmetro na seção de fundo, pratos de
4 passes nas seções de troca térmica e na seção de fundo, e pratos de 2 passes nas seções de
absorção. Para todos os pratos foram utilizados valvulas Koch-Glitsch V-1. Outras
especificações foram determinadas através de dados heurísticos da literatura.
Palavras-chaves: Torre de Destilação Atmosférica; Dimensionamento; Petróleo; UniSim Design;
KG-Tower
VI
ABSTRACT
The Petroleum Industry represents today one of the most important sectors of world
economy due to the great energy demand we live in. The petroleum distillation process is
important to produce the desired products and its design must consider the crude oil properties
to be refined. The great importance of sizing the contact devices was the main approach of
this design, analyzing the best contact device (Tray x Packing), the best estimate of the
diameter, the arrangement of the tray and choice of parameters and calculation of hydraulic
performance. The present paper consists in designing an atmospheric distillation tower, using
Venzuelan Tia Juana Light crude oil as base case. The software Honeywell UniSim Design
was used for material balance and energy, which allowed obtaining the necessary data for a
tower of eight sections with a total of 52 trays, 3 pump arounds, 3 strippers of 4 trays and a
partial tree-phase condenser. The contact devices were sized with software 5.0 KG-Tower of
Koch-Glitsch, using the result of vapor and liquid flow in the trays. Finally, the result for the
design was a tower of 40 m, eight sections (3 pump arounds, 3 sections of absorption, flash
zone and the bottom section) with 6 m diameter between the flash and the top section, 3 m
diameter at bottom section, trays of 4 passes in heat exchange sections and bottom section,
trays of 2 passes in the sections of absorption. For all trays Koch-Glitsch valves V-1 were
used. Other specifications were determined using heuristic data from the literature.
Key-words: Atmospheric Distillation Tower; Sizing; Petroleum; UniSim Design; KG-Tower
VII
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Projeção do PIB do Estado do Rio de Janeiro até 2020 ....................................................... 16
Figura 2 - Formação de Petróleo e Gás Natural .................................................................................... 15
Figura 3 - Transformação termoquímica da matéria orgânica e a formação do petróleo ...................... 19
Figura 4 - Logística de produção da indústria de Petróleo. ................................................................... 26
Figura 5 - Torre com retificadoras laterais. ........................................................................................... 30
Figura 6 - Coluna de destilação atmosférica da REFAP S/A – Petrobras ............................................. 31
Figura 7 - Fluxograma de uma unidade de destilação atmosférica ....................................................... 32
Figura 8 - Curva PEV de um óleo cru e seus cortes. ............................................................................. 34
Figura 9 - Principais tipos de torres de contato. .................................................................................... 36
Figura 10 - Tipos de pratos: corrente cruzada e contra-corrente. .......................................................... 37
Figura 11 - Pratos e o downcomers dentro de uma torre. ...................................................................... 38
Figura 12 - Downcomers e prato de 1 passe com válvulas. .................................................................. 40
Figura 13 - Diferentes tipos de recheios ................................................................................................ 41
Figura 14 – Diagrama para escolha preliminar do interno. ................................................................... 43
Figura 15 – a) Pratos perfurados (sieve); b) Valvulados (valve); c) com borbulhadores (bubble-cap);
d) sem Downcomer (dual-flow). ............................................................................................................ 44
Figura 16- Input dos componentes leves. .............................................................................................. 50
Figura 17 - Bulk Properties. .................................................................................................................. 51
Figura 18 – Input de dados no campo Ligh Ends. ................................................................................. 51
Figura 19 – Input de dados no campo Distillation. ............................................................................... 52
Figura 20 - Input de dados no campo Density. ...................................................................................... 52
Figura 21 - Criação dos componentes hipotéticos. ................................................................................ 53
Figura 22 - Rendimentos de cada corte. ................................................................................................ 54
VIII
Figura 23 - Criação da corrente de entrada. .......................................................................................... 54
Figura 24 – Fluxograma de Processo. ................................................................................................... 58
Figura 25 - Conexões de correntes materiais e energéticas da torre. .................................................... 59
Figura 26 - Torres de Stripper. .............................................................................................................. 60
Figura 27– Pump Arounds .................................................................................................................... 60
Figura 28 - Especificações da torre ....................................................................................................... 61
Figura 29 - Ambiente da torre. .............................................................................................................. 62
Figura 30- Eficiência da coluna. ........................................................................................................... 63
Figura 31 - N° de passes da torre. ......................................................................................................... 64
Figura 32 – Gráfico de fluxo x posição do prato no Unisim. ................................................................ 65
Figura 33 - Gráfico de vazão x posição do prato no KG-Tower. .......................................................... 67
Figura 34 – Configuração com 8 seções. .............................................................................................. 67
Figura 35 – Parâmetros para dimensionamento no KG-Tower. ............................................................ 68
Figura 36 – Input de Parâmetros no KG-Tower. ................................................................................... 69
Figura 37 – Projeto de pratos no KG-Tower ......................................................................................... 70
Figura 38 – Estimativa dos valores dimensionais do downcomer. ........................................................ 71
Figura 39 - Curva de Destilação atmosférica. ....................................................................................... 72
Figura 40 - Distribuição de corte. .......................................................................................................... 73
Figura 41 – Gráfico de fração molar dos hipotéticos x T de ebulição, para cada corrente. .................. 74
Figura 42 - Vazões de correntes de entrada e saída da torre (m3/h). ..................................................... 75
Figura 43 - Gráfico das vazões mássicas dos componentes. ................................................................. 76
Figura 44 - Gráfico de temperatura x posição do prato. ........................................................................ 77
Figura 45 - Gráfico de vazão x posição do prato (standard). ................................................................ 78
Figura 46 - Gráfico de vazão real x posição do prato. .......................................................................... 79
Figura 47 – Parâmetros do prato 19. ..................................................................................................... 81
IX
Figura 48 – Dimensões do prato 19. ..................................................................................................... 81
Figura 49 - Esquema das dimensões do prato de 2 passes. ................................................................... 82
Figura 50 - Parâmetro do prato 18. ....................................................................................................... 83
Figura 51 – Dimensões do prato 18. ..................................................................................................... 83
Figura 52 - Esquema das dimensões do prato de 4 passes. ................................................................... 84
Figura 53 - Parâmetro do prato 32. ....................................................................................................... 85
Figura 54 – Dimensões do prato 32. ..................................................................................................... 85
Figura 55 - Dimensões do prato de 2 passes. ........................................................................................ 92
Figura 56 - Dimensões do prato de 4 passes. ........................................................................................ 93
Figura 57 - Projeto da Torre .................................................................................................................. 94
Figura 58 - Perfil de Velocidade do downcomer. ................................................................................. 97
Figura 59 - Capacidade de vazão dos pratos (a). ................................................................................... 98
Figura 60 - Capacidade de vazão dos pratos (b). .................................................................................. 99
Figura 61 - Diâmetro dos pratos. ......................................................................................................... 101
Figura 62 - Esboço dos pratos ............................................................................................................. 104
Figura 63 – Queda de pressão nos pratos. ........................................................................................... 107
Figura 64 - Coeficientes de queda de pressão. .................................................................................... 108
Figura 65 - Valores de ( VH.(DV/DL)1/2 ) x Nível de líquido no prato. .......................................... 110
Figura 66 - Nº de passes. ..................................................................................................................... 112
Figura 67 - Nº de passes (vista superior). ............................................................................................ 112
Figura 68 - Eficiência do prato. ........................................................................................................... 113
Figura 69 - Relatório dos pratos de seção de 2 passes. ....................................................................... 115
Figura 70 - Relatório dos pratos da seção de 4 passes (zona de troca térmica)................................... 116
Figura 71 - Relatório dos pratos da seção de 4 passes (fundo da torre). ............................................. 117
X
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - API máximo e mínimo encontrados nas diferentes Bacias do Brasil................................... 21
Tabela 2 - Classificação dos petróleos fundamentada na composição química. ................................... 22
Tabela 3 - Método de aquisição de dados de superfície/subsuperfície. ................................................ 24
Tabela 4- Número de pratos por seção de fracionamento ..................................................................... 35
Tabela 5 - Gap para cortes de rendimentos ........................................................................................... 35
Tabela 6 - Classificação dos pratos de uma coluna. .............................................................................. 39
Tabela 7 - Comparação dos tipos de pratos mais comuns. .................................................................... 45
Tabela 8 - Dados total do Petróleo ........................................................................................................ 47
Tabela 9 - Hidrocarbonetos Leves. ....................................................................................................... 48
Tabela 10 - Volume (%) de destilado x Temperatura (°F) .................................................................... 48
Tabela 11 - Volume (%) médio dos cortes x densidade relativa a 60°F x °API. .................................. 49
Tabela 12 - Frações Molares dos componentes leves e hipotéticos do petróleo ................................... 55
Tabela 13 - Dados das correntes de processo. ....................................................................................... 57
Tabela 14 - Nº de passes dos pratos de cada seção. .............................................................................. 63
Tabela 15 – Critérios para ajuste de vazão de vapor de retificação e vazão de sobrevaporizado. ........ 65
Tabela 16 - Dimensionamento final da torre. ........................................................................................ 86
Tabela 17 - Fatores do sistema de downcomer. .................................................................................... 97
Tabela 18 - Fatores dos Sistemas. ......................................................................................................... 99
XI
LISTA DE ABREVIATURA E SIGLAS
L – Vazão de líquido
V – Vazão de vapor
HC – Hidrocarbonetos
Ret –Retificação
Vap – Vapor
Liq – Líquido
Q – Carga Térmica
TC – Trocador de Calor
T-atm – Torre Atmosférica
L.B. – Limite de Bateria
RAT – Resíduo atmosférico
PEV - Ponto de Ebulição Verdadeiro
ASTM - Sociedade Americana Para Testeis de Materiais
AGO – Gasóleo Atmosférico
ZF – Zona de Flash
NL – Nafta Leve
NP – Nafta Pesada
Quero – Querosene
Ci – Componente (i)
Zi – Fração molar do componente (i)
PA – pump around
SS – Side Stripper
TBP – True Boling Point
TS – Tray Spacing
XII
SUMÁRIO
AGRADECIMENTO ............................................................................................................................ III
EPÍGRAFE ............................................................................................................................................ IV
RESUMO ................................................................................................................................................ V
ABSTRACT .......................................................................................................................................... VI
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ................................................................................................................ VII
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................................ X
LISTA DE ABREVIATURA E SIGLAS ............................................................................................. XI
SUMÁRIO ........................................................................................................................................... XII
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 16
1.1 MOTIVAÇÃO ................................................................................................................................ 16
1.2 OBJETIVO ...................................................................................................................................... 17
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................................... 15
2.1 O PETRÓLEO ................................................................................................................................. 15
2.2 A REFINARIA ................................................................................................................................ 26
2.3 A DESTILAÇÃO ATMOSFÉRICA ............................................................................................... 28
2.3.1 Caracterização do Petróleo ........................................................................................................... 33
2.3.2 Heurísticos e Procedimentos para Projeto de Torre Atmosférica ................................................. 34
2.4 INTERNO DE TORRE ................................................................................................................... 36
2.4.1 Pratos ............................................................................................................................................ 38
2.4.2 Recheios ....................................................................................................................................... 40
2.4.3 Pratos x Recheios ......................................................................................................................... 42
2.4.4 Escolha e dimensionamento de Pratos ......................................................................................... 43
3. METODOLOGIA ........................................................................................................................... 47
3.1 CARACTERIZAÇÃO DO PETRÓLEO ........................................................................................ 47
3.2 SIMULAÇÃO NO UNISIM ........................................................................................................... 56
XIII
3.3 DIMENSIONAMENTO NO KG-TOWER .................................................................................... 66
4. RESULTADO E DISCUSSÃO....................................................................................................... 72
4.1 CARACTERIZAÇÃO DO PETRÓLEO ........................................................................................ 72
4.2 SIMULAÇÃO NO UNISIM ........................................................................................................... 73
4.3 DIMENSIONAMENTO NO KG-TOWER .................................................................................... 79
5. CONCLUSÕES ............................................................................................................................... 87
6. SUGESTÕES ................................................................................................................................... 88
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS ............................................................................................. 89
APÊNDICES ......................................................................................................................................... 91
ANEXOS............................................................................................................................................... 95
ANEXO A ............................................................................................................................................. 96
ANEXO B ........................................................................................................................................... 114
16
1. INTRODUÇÃO
Os simuladores de processos são ferramentas essenciais para os projetos da indústria
do petróleo. Com o avanço dos microprocessadores e da tecnologia os cálculos
computacionais estão cada vez mais rápidos, os softwares com interfaces mais didáticas,
disponibilidade de grandes bancos de dados físico-químicos (teóricos e heurísticos), inúmeros
pacotes de equações matemáticas, e métodos números mais rápidos e precisos. Com toda essa
tecnologia os simuladores tornou-se a principal ferramenta dos Engenheiros Projetistas. A
grande vantagem dos simuladores é a redução do tempo e custo para desenvolvimento de um
projeto. Além de desenvolvimento os simuladores ajudam a verificar falhas, otimizar plantas
e estudar possíveis ampliações em unidades.
A Destilação é uma Operação Unitária integrada no conjunto das operações baseadas
na Transferência de Massa. Os mecanismos governam a destilação é o do equilíbrio
líquido/vapor, transferência de massa e transferência de calor. Ao fornecer calor a uma
mistura líquida, promovemos a sua vaporização parcial, obtendo duas fases, uma líquida e
outra de vapor, que têm composições diferentes. A diferença de composição das duas fases
resulta da diferença de volatilidades dos vários componentes da mistura líquida inicial.
Quanto maior for essa diferença entre as volatilidades maior será a diferença de
composição entre a fase líquida e vapor e, como tal, mais fácil será a separação por destilação.
Logo, para separar dois os mais componentes em determinadas concentrações são necessários
um ou mais estágios de equilíbrio, e o contato efetivo entre a fase vapor e líquida são
promovidas por dispositivos de contato (Prato ou Recheio).
15
As aplicações industriais do processo de destilação são várias, sendo a mais conhecida
a da separação de misturas de hidrocarbonetos na indústria petroquímica em particular na
refinação do petróleo.
Na graduação aprende equações de estados termodinâmicas, métodos de cálculo de
estágio teórico e fundamentos de destilação, mas o dimensionamento dos dispositivos de
contato influencia enormemente na eficiência dos estágios de equilíbrio, pois estes são os
responsáveis por toda a troca térmica e de massa em uma destilação. A hidráulica destes
dispositivos é tão importante quanto os cálculos de estágio de equilíbrio, pois um mau
dimensionamento afetará todo o projeto.
Uma vez que o projeto do processo for concluído, o projeto dos equipamentos inicia-
se. Esta fase da concepção requer dados do projeto de destilação (ou seja, vazão de vapor e
líquido em cada secção da coluna). O projeto dos dispositivos de contato prossegue em duas
fases: primária (básico) e secundária (esboço detalhado). A fase primária define diâmetro da
coluna, o tipo de prato, e divisão da área ativa (área que promovem o contato entre vapor e
líquido) e a área de downcomer. Esta fase também fornece uma estimativa (e geralmente
próxima) preliminar de espaçamentoentre pratos, número de passes, e outras características
dos pratos e esboço do downcomer, como altura do vertedouro, percentual de área de orifício,
diâmetro do orifício, e folga sob downcomer. Estas estimativas são depois ajustadas para
valores conservativos na fase secundária. Geralmente, a fase primária define os principais
requisitos dos equipamentos, enquanto o dimensionamento da fase secundária para os
detalhes refinados. A fase preliminar tem um grande impacto no custo de coluna, mas uma
influência relativamente pequena na realização de uma operação sem problemas. Esses papéis
são invertidos na fase secundária: tem um impacto relativamente pequeno nos custos de
coluna, mas um grande impacto na obtenção de um funcionamento sem problemas (KISTER,
1992).
16
1.1 MOTIVAÇÃO
O ano de 2006 marcou a autossuficiência sustentável do Brasil na produção de
petróleo, e logo em seguida, em 2007, outro marco histórico, a Petrobras anuncia a descoberta
de uma nova província petrolífera, o Pré-Sal. A gigantesca província petrolífera em toda
camada de Pré-Sal, com conservadores 800 Km de extensão e 200 Km de largura, em 160 mil
Km², do Espírito Santo a Santa Catarina, poderá fazer o Brasil superar a marca de 100 bb
(bilhões de barris) em reservas, um crescimento de 7 vezes e abrindo um novo paradigma em
energia e estratégia para o Brasil. Com beneficiamento adequado para a agregação do valor
por meio de refino e outros processos mais sofisticados de transformação, o caso da
petroquímica, a multiplicação agregada poderia fazer o valor adicionado do óleo do Pré-Sal
crescer 40 vezes, o que elevaria essas exportação em 2015 a US$ 40 trilhões. Como uma
reserva de 100 bilhões de barris poderia valer cerca de US$ 10 trilhões a US$ 100 o barril, a
multiplicação agregada de 40 vezes levaria essa cifra a US$ 400 trilhões. Isso equivaleria a
200 vezes o PIB Nominal brasileiro de US$ 2 trilhões. Com o Barril retornando a US$ 150, a
multiplicação agregada elevaria essa cifra a US$ 600 trilhões (Economia BR, 2010).
Figura 1 - Projeção do PIB do Estado do Rio de Janeiro até 2020
FONTE: Austin Ratings, consultoria
17
O Rio de Janeiro hoje tem umas das maiores reservas de petróleo do mundo e,
comparativamente, o Rio de Janeiro seria como o Irã (OPEP) dentro do Brasil, em termo de
reserva de petróleo e PIB. Portanto, com todo esse cenário petrolífero brasileiro, os esforços
envolvidos e investimentos previstos nos motiva cada vez mais a estudar o refino do petróleo,
pesquisar novas tecnologias e atuar como Engenheiro Químico nos processos que conduzem o
petróleo à sua utilidade.
1.2 OBJETIVO
Este trabalho tem como objetivo projetar uma torre de destilação atmosférica para uma
carga de 100.000 barris/dia de petróleo Venezuelano Tia Juana Leve, selecionar o tipo de
dispositivo de contato para esta torre (Pratos x Recheio), escolha do melhor prato (perfurado,
valvulado, com borbulhadores ou sem downcomers), dimensionamento dos pratos e avaliar os
parâmetros de hidráulica.
Utilizando o software UniSim Design da Honeywell calculou-se as composições
de saídas, cargas térmicas dos permutadores de calor e outras dados necessária
para o projeto de uma torre de destilação atmosférica.
Com dados heurísticos da literatura foi analisado o número de estágios para cada
seção da torre, as vazões de vapor de retificação e o tipo ideal do dispositivo de
contato (Prato x Recheio) para a torre.
Para o dimensionamento dos dispositivos de contato foi utilizado o software KG-
Tower 5.0 da Koch-Glitsch.
15
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 O PETRÓLEO
O petróleo foi formado a partir da matéria orgânica depositada junto com os
sedimentos há milhões de anos atrás. Essa matéria provida de muita energia química é
constituída basicamente por microorganismos e algas que formam o fitoplâncton e não sofrem
processos de oxidação (Figura 3). Vegetais superiores também podem fazer parte da matéria
orgânica constituinte do petróleo, porém sua preservação é mais difícil devido ao meio
oxidante onde vivem. (THOMAS, 2004) A matéria acumulada nos sedimentos se transforma
termicamente e é preservada da destruição por oxidação. O calor e a pressão dessas camadas
transformam esses materiais orgânicos, convertendo-os em uma complexa mistura de
hidrocarbonetos, o que hoje chamamos de petróleo bruto. A palavra petróleo significa "óleo
de pedra" ou "óleo da terra". (SZKLO, 2008)
Figura 2 - Formação de Petróleo e Gás Natural
FONTE: Adaptado http://www.eia.gov/kids/energy.cfm?page=oil_home-basics
19
Para que haja a geração de hidrocarbonetos na rocha a matéria orgânica deve constituir
no mínimo em 2% do volume dos sedimentos. Quando isto acontece os sedimentos são
denominados de rocha geradora. Além da matéria orgânica é necessário que haja um ambiente
favorável para a formação do hidrocarboneto com, circulação restrita, alta produtividade e de
baixa oxidação. Com a combinação desses fatores com um tempo geológico de 60 milhões de
anos, temperatura entre 60 e 120°C e um ambiente redutor para preservar as condições da
transformação da matéria, é que ocorre a geração do petróleo (Figura 4). (THOMAS, 2004)
De acordo com a temperatura que a rocha geradora atinge pode-se dividir o petróleo
em três estágios de maturação:
– MATURO: Petróleo líquido fluido e enriquecido em parafinas (cadeias saturadas);
– SUPERMATURO (T>120°C): “queima” dos sedimentos e do petróleo líquido, que
será transformado em condensado, gás úmido e, finalmente, seco;
– IMATURO (T<60°C): se gerado, será viscoso e rico em componentes pesados.
(ANTUNES, 2012)
Figura 3 - Transformação termoquímica da matéria orgânica e a formação do petróleo
FONTE:THOMAS, 2004
Indicadores obtidos a partir da pirólise e análise do Carbono Orgânico Total (COT),
tais como índice de Hidrogênio (HI) e índice de Oxigênio (OI), são utilizados para classificar
20
o petróleo. A partir da analise desses índices juntamente com as razões H/C e O/C do óleo
pode-se prever se a formação dos hidrocarbonetos será de gás ou de óleo:
• H/C & HI elevados : Geração Óleos
• O/C & OI elevados : Geração Gás
A qualidade do óleo é diretamente proporcional a sua densidade, viscosidade e
composição química. A presença de elementos que aumentam sua acidez, tais como H2S, é
particularmente preocupante, devido a questões de Segurança Operacional bem como para o
refino. (ANTUNES, 2012)
– °API: escala comparativa entre a densidade do fluido e a da água (10°API <=> d =
1,0 g/cm3), na tabela 1 encontram-se alguns exemplos de °API encontrados em
diferentes Bacias no Brasil;
– Viscosidade (em cP): impacto nas capacidade de produção;
– RGO (Razão Gás/Óleo): função da Rs (Razão de Solubilidade do gás no óleo);
Influencia a produtividade, as vazões e a recuperação final dos reservatórios;
– Psat (Pressão de Saturação): abaixo da qual o gás em solução começa a constituir
uma fase separada do óleo; afeta a produtividade e a recuperação final;
– H2S: problema para a Segurança Operacional;
– TAN (Número de Acidez Total): problemas no refino.
21
Tabela 1 - API máximo e mínimo encontrados nas diferentes Bacias do Brasil.
FONTE: ANTUNES, 2012
Bacia °API máximo °API mínimo
Todas 50 11
Campos 36 17
Potiguar 47 14
Solimões 50 44
Espírito Santo 36 11
Recôncavo 50 14
Sergipe 42 13
A capacidade de armazenamento e produção de petróleo de um reservatório depende
principalmente das características das suas rochas e dos fluidos nelas contidos. Precisamos
então conhecer estas propriedades, para a compreensão dos mecanismos que comandam o
movimento dos fluidos no interior do reservatório.
As condições essenciais para que exista uma acumulação de petróleo são:
– Existência de Geração na Bacia Sedimentar
– Existência de Rochas Reservatórios
– Existência de Rochas Capeadoras (Selante)
– Existência de Estruturas de captação e aprisionamento (Trapas)
– Condições físicas para Migração
O conjunto destes elementos mais suas relações espaciais e temporais define um
Sistema Petrolífero.
A identificação de um Sistema Petrolífero depende da caracterização do
hidrocarboneto (Assinatura Geoquímica) e da capacidade de relacioná-lo a uma determinada
rocha-fonte (tabela 2). Mais de um Sistema Petrolífero pode ocorrer numa mesma Bacia
Sedimentar e estar atuando num mesmo tempo ou em tempos distintos. (THOMAS, 2001)
22
A existência de um Sistema Petrolífero depende não apenas da existência dos
elementos geológicos, mas, essencialmente, da relação espacial e temporal entre eles. A
migração não pode ocorrer antes que os reservatórios e selos estejam depositados e
estruturados para receber o petróleo e/ou gás gerado. Se não houver rotas de migração
apropriadas e se a rocha-fonte ainda não estiver na janela de maturação, de forma que a
expulsão do petróleo seja impossível, então poderá ser atingido o estágio supermaturo e o
hidrocarboneto líquido poderá ser transformado em gás ou totalmente perdido. Se houver
movimentação severa após o preenchimento dos reservatórios então a acumulação poderá ser
destruída.
As acumulações estão relacionadas a um Sistema Petrolífero específico e para defini-
las como um prospecto, é necessário identificar todos os elementos desse Sistema. Para cada
um dos elementos é preciso definir um Fator de Risco, normalmente expresso na forma de
uma Probabilidade de ocorrência do mesmo. A ponderação das Probabilidades de cada um
dos fatores determina a Probabilidade de Sucesso (PS) do Prospecto. (THOMAS, 2004;
ANTUNES 2012)
Tabela 2 - Classificação dos petróleos fundamentada na composição química.
FONTE: ANTUNES, 2012
CLASSES COMPOSIÇÃO (%)
PARAFÍNICA 75% ou mais de cadeias parafínicas
NAFTÊNICA 70% ou mais de naftenos
AROMÁTICA 50% ou mais de aromáticos
ASFÁLTICA 60% ou mais de resinas e asfaltenos
PARAFÍNICO – NAFTÊNICA PARAFINAS: 60 – 70 %
NAFTÊNICOS: no mínimo 20 %
PARAFÍNICO – NAFTÊNICO –
AROMÁTICA
% aproximadamente igual de parafinas, naftênicos e
aromáticos.
NAFTÊNICO – AROMÁTICA 35 ou mais de naftênicos ou aromáticos
NAFTÊNICO – AROMÁTICO –
ASFÁLTICA
25 ou mais de naftenos, aromáticos ou compostos
asfálticos
AROMÁTICO – ASFÁLTICA 35 ou mais de aromáticos ou compostos asfálticos
23
A pesquisa geológica é baseada na aquisição de dados de superfície e/ou
subsuperfície, que posteriormente são interpretados.
Os Métodos de obtenção dessas informações podem ser classificados em:
– Métodos Diretos: fornecem diretamente o valor de uma propriedade ou dos
parâmetros necessários para o cálculo da mesma.
– Métodos Indiretos: Os resultados possibilitam apenas inferir sobre uma determinada
propriedade física do substrato, sem fornecer, a princípio, um valor específico, que, se
de alguma forma produzido, deverá ser comprovado por algum método direto de
pesquisa. (THOMAS, 2004; ROSA, 2006; ANTUNES 2012)
24
Tabela 3 - Método de aquisição de dados de superfície/subsuperfície.
FONTE: MENDES, 1984
Método Ferramenta Aplicação
Indireto
Magnetometria Arcabouço Estrutural, limite crosta
oceânica/continental, Embasamento, intrusões,
depocentros, etc. Gravimetria
Sensoriamento Remoto Seeps de HC
Sísmica
Geometria de camadas, variações laterais de fácies,
contatos entre fluidos, delimitação de falhas, DHI,
etc
Sonar Mapeamento de sedimentos e feições no solo
oceânico, estudos de geotecnia, etc.
Direto
Afloramentos Estudo de análogos, sistemas deposicionais,
sedimentológicos, composição de rochas, etc.
Poços
Análises lito, bio e cronoestratigráficas, coleta de
amostras de rochas e testemunhos, coleta de fluidos,
perfis, etc.
Perfis Definição de litotipos, fluidos, contatos, fraturas,
etc.
Testes de Formação Medidas de profundidade, pressão, análise de
compartimentos, coleta de fluidos, etc.
Geoquímica Caracterização dos fluidos e sistemas petrolíferos,
cromatografia, etc.
Geocronologia Datação, correlação cronoestratigráfica, limites de
sequências, caracterização de discordâncias, etc.
Ainda não existe um método indireto que permita a identificação de petróleo em
subsuperfície. Por meio dos métodos disponíveis vislumbra-se, apenas, as situações em que
podem ocorrer acumulações de HC.
Só se descobre petróleo perfurando poços - método direto de investigação. A produção
de óleo é a retirada de um volume de óleo do espaço poroso de uma rocha reservatório e isso
só é possível na medida em que o volume originalmente ocupado por esse óleo for preenchido
por algum outro material, que pode ser outro fluido, nativo ou injetado, ou até mesmo a rocha
em expansão. (ANTUNES, 2012)
25
Os processos físicos que conduzem ao preenchimento desse volume e à produção do
óleo constituem o mecanismo de produção ou recuperação do reservatório.
O óleo bruto que sai do reservatório não se encontra pronto para ser extraído.
Normalmente há a presença de sedimentos, gás (associado ou não), partículas inorgânicas e
sais. Estas substâncias são nocivas aos equipamentos e ainda prejudicam o transporte até a
refinaria.
Por esse motivo, nos próprios campos de produção um tratamento primário é
realizado, o qual consiste na separação óleo-gás-água através de decantação e desidratação. A
diferença de densidade entre os componentes proporciona uma separação por ação da
gravidade na decantação. E a desidratação visa retirar o máximo de água emulsionada no óleo
através da adição de substâncias químicas desemulsificantes que agregam as moléculas de
água. (CARDOSO, 2005)
Depois desse processamento primário e estando o óleo bruto dentro das especificações
exigidas, é que o petróleo é encaminhado para as refinarias para das sequencia ao processo.
A estrutura de uma indústria de petróleo é composta de três partes: upstream,
midstream e downstream. Cada uma dessas partes possui uma logística própria que
complementa as outras partes, até a fase em que o produto final chega às mãos do consumidor
final (Figura 5).
26
Figura 4 - Logística de produção da indústria de Petróleo.
Dessa forma, nosso projeto se objetiva a projetar uma torre de destilação atmosférica,
que é um processo muito importante na indústria petrolífera na parte denominada
downstream.
2.2 A REFINARIA
O petróleo bruto não tem aplicação comercial, portanto é necessário beneficiá-lo para
obter produtos que possam ser utilizados. Esse beneficiamento é feito através do refino, para
depois as frações desejadas serem processadas e transformadas em produtos de maior valor
agregado. (CARDOSO, 2005;MORELLI, 1966)
O refino do petróleo inicia-se pela separação das diferentes frações de derivados
através de processos físico-químicos. Essa separação é feita em unidade de separação e
conversão que tem como produtos finais as seguintes categorias:
27
1. Combustível (gasolina, diesel, óleo combustível, GLP, QAV, querosene, coque
de petróleo, óleos residuais) que representam aproximadamente 90% dos produtos de
refino do mundo;
2. Produtos acabados não combustíveis (solvente, lubrificante, asfalto, graxas e
coque);
3. Intermediários da indústria química (nafta, etano, propano, etileno, butano,
propileno, butileno, butadieno, BTX) que podem ser utilizados em diversos setores da
indústria química.
Os processos físico-químicos que uma refinaria apresenta dependem da composição da
carga a ser refinada, pois esta varia de acordo com as características do petróleo cru, e dos
produtos finais desejados. (SZKLO, 2008)
Uma refinaria é normalmente projetada de acordo com as características da carga que
será processada. O processamento de petróleo brasileiro se dá normalmente através de um
blending, que é uma mistura de óleos de diferentes °API, utilizada para contornar o fato de
nossas refinarias que foram projetadas para processar óleos mais leves do que os encontrados
nos sistemas petrolíferos brasileiros. (CARDOSO, 2005)
A localização de uma refinaria de petróleo depende da distância do poço, bem como
da localização do mercado consumidor. O valor do transporte dos produtos finais deve estar
equilibrado com o valor de dutos e navios tanques para o fornecimento do óleo cru. (BACON,
1916)
Os processos de uma refinaria são extremamente complexos e possuem diversas
unidades, seja de separação, conversão ou tratamento. O tratamento pode ser cáustico, DEA,
MEROX, hidrotratamento e etc... O processo de conversão é feito através de craqueamento
térmico e catalítico, visco-redução, coqueamento reterdado e hidrocraqueamento, e o processo
de separação é feito por destilação, extração e etc...
28
2.3 A DESTILAÇÃO ATMOSFÉRICA
O objetivo da destilação de petróleo cru é fracionar em hidrocarbonetos leves (C1-
C4), nafta, querosene, diesel e resíduo atmosférico. Alguns destes cortes podem ser
comercializados diretamente, enquanto outros cortes seguem para outras unidades de
processamento, pois exigem mais tratamentos e especificações para torná-los
comercializáveis. A primeira etapa de processamento na refinaria, após dessalinização do
petróleo, é separação do cru em um número de frações por destilação. A destilação é realizada
a uma pressão ligeiramente acima da atmosférica. Isto é necessário para as seguintes
considerações: 1) Aumentar o ponto de ebulição dos leves, de modo que possa ser usada água
de arrefecimento no condensador, a fim de condensar parte dos C3 e C4; 2) Para garantir que
a perda de carga no condensador não atrapalhe o escoamento do gás para o vaso; 3) Para
permitir a queda de pressão na coluna (PARKASH, 2003).
O óleo cru é pré-aquecido em permutadores e, finalmente, vaporizado em forno até
atingir uma fração de vaporizado, em volume, de todos os produtos das correntes laterais,
tendo como recomendação 3-6% a mais de sobrevaporizado ou overflash, para que o último
prato sempre esteja com líquido, e com isso o fracionamento na região fica garantido. As
colunas fracionadoras de petróleos não contém refervedores, e após o forno o óleo cru entra
na zona de flash da coluna, onde o vapor e líquido são separados. Na zona de flash
aproximadamente 50-60% do óleo cru é vaporizado e mais 3-6% de overflash. O líquido que
deixa a zona de flash ainda contém alguns componentes de destilados, esse líquido percorre
de 4 a 6 pratos na seção de fundo da coluna, cruzando com o fluxo de vapor de água que sobe,
pois alguns componentes dos destilados terão que ser recuperados por arraste do vapor
d’água, essa quantidade de vapor de água, chamado de vapor de retificação, é injetado no
fundo da coluna. A vazão de vapor retificação é aproximadamente de 5 a 10 lbs por barril
(bbl) de produto retirado. Depois da retificação com o vapor, o produto de fundo, também
conhecido como resíduo atmosférico (RAT), é descarregado pelo fundo da coluna e enviado a
coluna de destilação a vácuo. A temperatura inferior é limitada a 3500-400°C para evitar
coqueamento. Antes do forno atmosférico existe a torre de pré-flash, que é projetada
para recuperar a maior parte leves e uma parte da nafta leve. A corrente de fundo da torre de
29
pré-flash é a corrente que vai para o forno, e em seguida para torre atmosférica (WATKINS,
1981).
Neste processo é comum a remoção de calor através de refluxos laterais, chamados
Pump Arounds (PARKASH, 2003). Para controlar o ponto inicial de ebulição do corte
fracionado, cada corrente lateral é mandada a uma coluna retificadora (stripper), que contém
um refervedor parcial ou uma injeção de vapor de água (PERRY, 1999).
Isso quer dizer que as strippers ajustam o produto removido até o ponto inicial de
ebulição desejado, o que garante a qualidade do produto retirado. A figura 6 mostra uma torre
com retificadoras laterais, mas não pertence a indústria do petróleo. A fração que não se
enquadra nessas especificações retorna à torre de destilação. A Figura 7 esquematiza a torre
de destilação atmosférica utilizada na refinaria REFAP S/A e a Figura 8 esquematiza uma
unidade de destilação atmosférica de petróleo.
Na Figura 7 os números das correntes indicam o estágio em que se encontram na
coluna, sendo que o condensador foi considerado como primeiro estágio. No total, a torre
possui 41 pratos com válvulas Glitsh de 2 polegadas e na região de sobrevaporizado usam-se
recheios Mellapack. Para cada seção tem-se o número de passe adequado para os pratos. Sua
altura total é de aproximadamente 57 metros com diâmetros inferior e superior de 4,5 e 7,5
metros, respectivamente. A Unidade ainda apresenta strippers, de 4 estágios com injeção de
vapor, nas correntes de diesel pesado, diesel leve, querosene e nafta pesada (REVISTA
CONTROLE & AUTOMAÇÃO, 2009).
30
Figura 5 - Torre com retificadoras laterais.
31
Figura 6 - Coluna de destilação atmosférica da REFAP S/A – Petrobras
FONTE:Revista Controle & Automação, 2009.
32
Figura 7 - Fluxograma de uma unidade de destilação atmosférica FONTE:Parkash,2003.
33
2.3.1 Caracterização do Petróleo
A análise completa para caracterização de um óleo bruto é chamada de Crude Assay,
“ensaio do cru”. Esta análise é mais detalhada do que uma curva PEV. O crude
assay completo contém alguns dos seguintes dados (PARKASH, 2003):
1. Todo sal do óleo cru, a densidade, a viscosidade, enxofre, os hidrocarbonetos leves
(Light-end), e o ponto de fluidez.
2. Uma curva PEV, uma curva das densidades médias por volume, assim para
viscosidade e enxofre também.
3. Análise dos leves, até C8 ou C9.
4. Propriedades das frações (naftas, querosenes, diesel, diesel pesado, vácuo,
gasóleos, e resíduos). As propriedades requeridas incluem rendimento como:
% em volume, a densidade, a viscosidade, o enxofre, o número de octanagem, índice
de diesel, ponto de fulgor, ponto de combustão, ponto de congelamento, ponto
de fumaça e ponto de fluidez.
5. Propriedades do lubrificante destilados, se o bruto é adequado para a fabricação
de lubrificantes.
6. Estudos detalhados das frações de várias propriedades e adequação para utilizações
finais diferentes.
Os cortes dos rendimentos são feitos utilizando a curva TBP (True Boiling Point –
Ponto de Ebulição Verdadeiro, PEV), ou a curva ASTM do petróleo (American Society for
Testing Materials - Sociedade Americana Para Testeis de Materiais), Figura 9 (PARKASH,
2003).
A divisão entre dois corte de rendimento se dá em uma margem, o ponto em que 95%
em volume de um corte leve vaporizou, e 5% de um corte pesado começou a vaporizar na
curva ASTM, nesse intervalo que se faz a separação dos cortes para formar dois produtos
laterais de propriedades diferentes. Para cada porcentagem de vaporizado tem-se uma
temperatura relacionada, portanto para 5% do corte pesado e 95% do corte leve de vaporizado
34
tem-se uma temperatura, a diferença entre essas temperatura (T5%-T95%) é chamada de Gap
para valores positivos, e Overlap para valores negativos (WATKINS, 1981).
Figura 8 - Curva PEV de um óleo cru e seus cortes.
FONTE:Parkash, 2003
O método usado para construir uma curva PEV é por um ensaio de destilação batelada,
com muitos estágios (mais que 60) e alta razão de refluxo (mais que 5), medindo a
temperatura para várias frações de vaporizado. Portanto, para começar um projeto de uma
torre atmosférica é preciso caracterizar o petróleo bruto (PARKASH, 2003).
2.3.2 Heurísticos e Procedimentos para Projeto de Torre Atmosférica
Os procedimentos utilizados para a concepção de destilação atmosférica e a vácuo são
na maior parte empírica, pois o óleo cru é feito de um número muito grande de
hidrocarbonetos, partindo do metano até os asfálticos.
35
São considerados os seguintes requisitos para o fracionamento. O fracionamento ideal
fica entre os cortes de 5% e 95% dos pontos de destilação ASTM, obtida através da curva
PEV, e convertida em ASTM D86 (atmosférica). Uma vez fixados os gaps como o parâmetro
de projeto, o gap ideal é convertido em um gap real. A diferença entre gap ideal e o gap
real requerido é o desvio. O desvio é diretamente correlacionado com o número de pratos e
de refluxo. Para torres atmosféricas têm-se de 25 a 35 bandejas entre a zona de flash e topo da
torre. O número de pratos em várias secções da torre depende das propriedades
de cortes desejados a partir do óleo bruto, como mostrado na Tabela 4.
Tabela 4- Número de pratos por seção de fracionamento
FONTE: Parkash,2003; Watkins, 1981
Pratos requeridos para destilação atmosférica de petróleo
Rendimentos Número de Pratos
Nafta Leve até Nafta Pesada 6 – 8
Nafta Pesada até Querosene 6 – 8
Querosene até Diesel Leve 8 – 11
Diesel Leve até Resíduo ATM (RAT) 4 – 6
Zona de Flash até Primeiro Prato de Fundo 4 – 5
Seção de Vapor de Retificação 4 – 6
Tabela 5 - Gap para cortes de rendimentos
FONTE:Watkins, 1981
Critério de fracionamento de produtos de destilação atmosférica
Rendimentos (T5% - T95%) [°F]
Nafta Leve até Nafta Pesada 30 gap
Nafta Pesada até Querosene 50 gap
Querosene até Diesel Leve 10 gap
Diesel Leve até Gasóleo Atmosférico (AGO) 10 gap
A queda de pressão admissível para as bandejas é de aproximadamente 0,1 -
0,2 psi, por bandeja. Geralmente, uma queda de pressão de 5 psi é permitida entre a zona
de flash e o topo da torre. A pressão da zona de flash é definida como a soma de pressão do
vaso de refluxo, e queda de pressão combinada através do condensador e bandejas acima da
36
zona de flash. Também é permitida uma queda de pressão de 5 psi entre a zona de flash e de
saída do forno.
2.4 INTERNO DE TORRE
As unidades de separação são projetadas de acordo com o número de estágios de
equilíbrio, determinado a partir dos princípios da termodinâmica e/ou transferência de massa.
A eficiência desses estágios nas torres de separação depende do contato efetivo entre
correntes de fases diferentes, promovido por dispositivos internos tais como pratos ou
recheios. A escolha adequada do interno, o dimensionamento cuidadoso e a estimativa da
eficiência são imprescindíveis para o sucesso dos sistemas de separação (RAJAGOPAL,
2007).
Todos os dispositivos colocados no interior das torres de separação e que são
responsáveis pelo funcionamento são denominados internos de torres (figura 10). Os
principais internos são dispositivos ajustado hidraulicamente para promover o contato entre as
fases, tendo como objetivo o regime de escoamento ideal para melhor transferência de massa,
calor e momento, e esses internos podem ser Pratos ou Recheios.
Figura 9 - Principais tipos de torres de contato.
37
Os pratos e recheios podem ser classificados em duas categorias:
Quanto ao modo de fluxo das correntes (figura 11):
Contracorrente (Pratos sem downcomers e Recheios)
Fluxo cruzado (Pratos com downcomers)
Quanto à fase contínua:
Gás (Recheio)
Líquido (Prato)
Figura 10 - Tipos de pratos: corrente cruzada e contra-corrente.
O Downcomer é uma espécie de chapa ou tubo junto ao costado da torre que leva o
líquido de um prato superior ao inferior. A figura 12 ilustra bem os pratos e o downcomers
dentro de uma torre.
Liquido
Vapor
Liquido
Vapor
38
Figura 11 - Pratos e o downcomers dentro de uma torre.
Outros internos associados aos pratos e recheios, estão divididos em três seções: seção
de topo, seção intermediária e seção de fundo, e eles são os bocais, panelas de retirada,
distribuidores, eliminador de névoa e suportes. Atrelados a estes internos algumas dimensões
são de suma importância, como: espaço de separação líquido-vapor, volume de controle de
líquido, espaço para manutenção e etc. As principais diferenças de desempenho entre as torres
de pratos e de recheios estão ligadas ao comportamento hidrodinâmico das fases nestas torres
(CALDAS, 2007).
2.4.1 Pratos
Os primeiros dispositivos de contato, início do século XIX, foram os pratos com
borbulhadores, que na maioria das vezes eram superdimensionados, pois na época o
conhecimento era escasso. Com métodos mais confiáveis para outros tipos de dispositivos,
encarecimento do material, da mão-de-obra, da energia e o aparecimento de especificações
39
mais rígidas fizeram com que pratos fossem substituídos por recheios, devido a maior
eficiência, maior capacidade e menor perda de carga (KISTER, 1992).
Os pratos perfurados foram usados pela primeira vez em 1832. Entretanto, até o início
de 1950, seu uso era muito raro. É um dos mais baratos dispositivos de contato, e também
apresenta uma baixa perda de carga.
Os pratos valvulados foram patenteados em maio de 1923, vindo ocupar uma faixa de
aplicação mais ampla que sobrepõe as faixas do prato com borbulhadores e do prato
perfurado. Os pratos valvulados são mais vantajosos do que os com borbulhadores, pois são
mais baratos, cerca de 70% do custo na atualidade, os projetos de torres de pratos, são, na
maioria das vezes, exclusivamente de pratos perfurados e/ou valvulados (figura 13)
(CALDAS, 2007).
Os pratos podem ser classificados em dois grandes grupos (MOURA, 1972), conforme
tabela 6:
Tabela 6 - Classificação dos pratos de uma coluna.
Pratos com Downcomers Pratos sem Downcomers
Valvulados Perfurados Borbulhadores
Flexitrays Comum (Sieve
Tray)
Bell-cap (circulares) Pratos Turbogrid
Ballast Jet Tray Tunnel-cap (retangular) Pratos Perfurados
Nutter Uniflux Pratos Ripple
(Ondulados)
Montz Pratos Kittel
Os pratos com downcomers reservam parte da área transversal da coluna para a
descida de líquido ao prato imediatamente inferior, por gravidade. A troca de massa e de calor
é promovida pelo borbulhamento do gás no líquido que escoa sobre o prato. O nível do
líquido é geralmente mantido por dispositivos chamados vertedores (CALDAS, 2007).
40
Figura 12 - Downcomers e prato de 1 passe com válvulas. FONTE: Google Imagens
2.4.2 Recheios
As primeiras referências da utilização de recheio em torres foram em 1820, quando
bolas de vidro com 25 mm de diâmetro foram usadas em alambiques de álcool. Em 1847,
patenteou-se uma coluna de destilação recheada com coque. Naquele mesmo século obteve-se
sucesso com o emprego de elementos esféricos, e visando reduzir custos passou a usar formas
não-uniformes.
Com a mudança para formas randômicas descobriu-se uma má distribuição do líquido,
que é um problema grave, principalmente para torres de diâmetros maiores. Assim, nessa
época as aplicações eram poucas, como serviços corrosivos, tais como torres de ácido
sulfúrico, utilizando materiais cerâmicos como recheio (KISTER, 1992).
41
Durante o período de 1950 a 1975 as torres recheadas (figura 14) tiveram um
renascimento para aplicações em destilação. Grandes empresas como a Koch-Glitsch, Sulzer,
Norton e outros ajudaram a desenvolver os recheios.
Figura 13 - Diferentes tipos de recheios
Nas torres recheadas, a fase líquida é dispersa no topo através da ação de um
distribuidor de líquido, escoando na forma de um filme líquido na superfície dos elementos de
recheio. A seção transversal da torre é completamente ocupada por estes elementos, formando
um leito poroso através do qual o líquido e o gás escoam em contracorrente. O contato
líquido-gás é feito de maneira contínua. O recheio cumpre a função de sustentar o filme da
fase líquida da mesma forma que permite um adequado contato entre as fases (CALDAS,
2007).
Os tipos de recheios mais usados são:
Recheios randômicos
Recheios estruturados
42
2.4.3 Pratos x Recheios
Para uma escolha adequada do interno é importante saber que tipo de regime de
escoamento terá o seu projeto. Os regimes estão relacionados com vazões de líquido e vapor
e, consequentemente, com as condições que alteram estas vazões. Nas operações a vácuo,
temos uma volatilidade relativa alta e uma relação L/G (vazão líquido/vazão vapor) baixa,
resultando no regime spray, tornando a fase vapor contínua, proporcionando a escolha de
recheios. Por outro lado, nas operações com pressões mais elevadas, temos uma volatilidade
relativa baixa e uma relação L/G elevada, resultando no regime espuma, mantendo a fase
líquida contínua, sendo o prato o melhor dispositivo de contato para esse regime.
Quando um prato perfurado está em operação estável, o gás passa pelos orifícios e
penetra na camada bifásica de altura (hbi). A quantidade de movimento do vapor atinge seu
máximo quando o gás acelera através do seu orifício. A troca de quantidade de movimento do
gás com a camada de líquido no prato é crítica para a natureza da camada bifásica. Essa
camada é do tipo spray ou espuma (KISTER, 1992).
Com o surgimento dos pratos de alta capacidade aumentou o número de possibilidade
que o engenheiro dispõe na hora de fazer a escolha mais adequada em um projeto. O diagrama
da Figura 15, proposta por Bravo (1997), que era da Shell, mostra um diagrama de blocos que
pode ser usado de guia preliminar na escolha do tipo de interno mais adequado para diferentes
situações. Os casos de formação de espuma, arraste, sedimentos, corrosão, queda de pressão e
especialmente o parâmetro de fluxo (CALDAS, 2007).
X=L/G.[ρg/ρL]0.5
(Equação 1)
Onde: X = Parâmetro de fluxo
L = Vazão de líquido
G = Vazão de vapor
ρg = Massa específica do vapor
ρL = Massa específica do líquido
43
Figura 14 – Diagrama para escolha preliminar do interno.
2.4.4 Escolha e dimensionamento de Pratos
A escolha do tipo de prato a ser usado é tão importante quanto a determinação de
número de estágios ou do seu projeto mecânico. Pratos com borbulhadores, valvulados ou
perfurados possuem características específicas, tais como perda de carga, capacidade,
flexibilidade, eficiência e custo, que serão responsáveis pela escolha do que melhor se adapta
ao projeto.
44
A Tabela 7 e a figura 16 mostram as características dos pratos perfurados (sieve),
valvulados (valve), com borbulhadores (bubble-cap) e sem downcomers (dual-flow)
(KISTER, 1992).
Figura 15 – a) Pratos perfurados (sieve); b) Valvulados (valve); c) com borbulhadores (bubble-cap);
d) sem Downcomer (dual-flow).
45
Tabela 7 - Comparação dos tipos de pratos mais comuns.
Tipo de Prato Perfurado Valvulado Bobulhador Sem Downcomers
Capacidade Alta Alta para muito Alta Moderadamente Alta Muito Alta
Eficiência Alta Alta Moderadamente Alta Inferior a outros tipos
Flexibilidade
Cerca de 2:1 (Não é
geralmente
adequada para
cargas menores da
de operação)
Cerca de 4-5:1 (em
casos especiais chega
até 10:1 ou mais)
Excelente, melhor
que pratos
valvulados. Bom
para vazões
extremamente baixa
de líquido
Baixa, sempre menor
que pratos perfurados.
Inadequado para
variações de cargas
Arraste Moderado Moderado
Alto, cerca de 3
vezes mais alto que
pratos perfurados
Baixo para moderado
Queda de
Pressão Moderada
Moderada. Os primeiros
projetos um pouco mais
altos. Projetos recentes
com queda de pressão
moderada
Alta Baixa para moderada
Custo Baixo Cerca de 20% mais alto
que pratos perfurados
Alto. Cerca de 2-3
vezes o custo de
pratos perfurados
Baixo
Manutenção Baixa Baixa para moderada Relativamente alta Baixa
Tendência de
Incrustação Baixa Baixa para moderada
Alta. Tende a
acumular sólidos
Extremamente baixa.
Adequada onde
incrustação intensa e
manuseio de lama.
Efeitos de
Corrosão Baixo Baixo para moderado Alta Muito baixa
Viabilidade
de
Informação
de Projeto
Bem conhecido
Proprietário, mas
informações
disponíveis.
Bem conhecido Algumas informações
disponíveis.
Principais
Aplicações
Maioria das colunas
quando a
flexibilidade não é
crítica.
1. Maioria das
colunas.
2. Serviço onde
flexibilidade é
importante
1. Condição
extremamente
baixa de fluxo.
2. Onde vazamento
deve ser
minimizado
1. Renovar capacidade
onde eficiência e
flexibilidade podem
ser sacrificadas.
2. Serviços altamente
corrosivo e
incrustante.
Participação
no Mercado 25% 70% 5% Sem informação
Outros
Algumas vezes ocorre
instabilidade em torres
de grande diâmetro (> 8
ft)
46
Existem muitos tipos de pratos, cada qual específico para um determinado serviço. No
projeto ou na avaliação de torres de pratos, uma sequência lógica deve ser executada, tendo
como finalidade o dimensionamento ou obter as condições de operação mais econômicas. O
manual de dimensionamento de pratos valvulados da Glitsch encontra-se no Anexo A. A
sequência lógica para o dimensionamento dos pratos está descrita abaixo.
Obtenção das propriedades Físicas e Vazões dos Fluidos
Propriedades físicas:
Densidade do líquido e do gás.
Viscosidade do líquido
Tensão superficial
Vazões do líquido e do gás:
Máximas nas seções.
Mínimas nas seções.
Estimativa do Diâmetro da Torre e Espaçamento entre Pratos
Estimativa da área livre e perfurada.
Estimativa da área de downcomer.
Estimativa do espaçamento entre pratos.
Arranjos de Prato e Escolha dos Parâmetros
Escolha do borbulhador, furo ou válvula.
Escolha do arranjo do prato.
Escolha do número de passagens e do trajeto de líquido.
Estimativa de áreas, de redistribuição e morta.
Escolha da altura do vertedor de saída e da folga sob o downcomer.
Calcular o Desempenho do Prato
Condição de sopro.
Inundação por arraste.
Inundação por downcomer.
Gotejamento e descarga.
Arraste no ponto de operação/ Arraste excessivo.
Eficiência.
Perda de carga no ponto de operação.
47
3. METODOLOGIA
3.1 CARACTERIZAÇÃO DO PETRÓLEO
A primeira etapa para a simulação do fracionamento de petróleo é a caracterização do
óleo cru. Para este projeto, utilizou-se o crude assay do petróleo da Venezuela (OPEP) Tia
Juana Leve, cujas propriedades se encontram nas Tabelas 8,9, 10 e 11 (WATKINS, 1981).
Tabela 8 - Dados total do Petróleo
Densidade
Massa Específica
°API
60/60
31,6
0,8676
Enxofre
Ponto de Fluidez
Massa, %
°F
1,08
-5
Água e Sedimentos
Teor de Sal, NaCl
Volume, %
Ptb
0,0
0,85
Pressão de Vapor
H2S (Dissolvido)
No. Neutro (D66 4)
psi
ppm
mg KOH/gm
4,9
0
0,11
Viscosidade:
Cinemática @ 70°F
100°F
cS
cS
16,1
10,2
Saybolt Universal @ 70°F
100°F
sec
sec
81,4
59,5
48
Tabela 9 - Hidrocarbonetos Leves.
% no óleo cru Massa Volume
Metano - -
Etano 0,02 0,04
Propano 0,22 0,37
i-Butano 0,18 0,27
n-Butano 0,60 0,89
i-Pentano 0,56 0,77
n-Pentano 0,82 1,13
Total 2,4 3,47
Tabela 10 - Volume (%) de destilado x Temperatura (°F)
15/5 Ponto de corte, °F Total de destilado - % de volume do óleo cru
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1,6 2 2,4
100 2,8 3,2 3,7 4,1 4,6 5,2 5,9 6,6 7,3 8
200 8,8 9,7 10,5 11,3 12,2 13 13,9 14,8 15,7 16,7
300 17,7 18,6 19,5 20,4 21,3 22,3 23,2 24,2 25,1 26,1
400 27 27,9 28,9 29,9 30,8 31,8 32,8 33,7 34,7 35,7
500 36,6 37,5 38,5 39,5 40,4 41,4 42,3 43,3 44,3 45,3
600 46,3 47,3 48,3 49,2 50,2 51,1 52 52,9 53,9 54,8
700 55,7 56,7 57,7 58,6 59,4 60,3 61,3 62,2 63 63,8
800 64,6 65,4 66,3 67,2 68 68,8 69,6 70,4 71,2 71,9
900 72,6 73,3 74,1 74,8 75,5 76,2 76,8 77,5 78,2 78,7
1000 79,3 79,9 80,5 81,1 81,6 82,1
49
Tabela 11 - Volume (%) médio dos cortes x densidade relativa a 60°F x °API.
D60/60 V
médio
(%)
°API Cortes
(°C)
Na
fta
0,6581 3,8 83,5 20-70
0,7201 7,9 65,0 70-100
0,7440 11,4 58,7 100-120
0,7555 13,8 55,8 100-150
0,7624 15,3 54,1 120-150
0,7865 21,2 49,5 150-190
Qu
erose
ne
0,7874 22,5 48,2 150-205
0,7963 25,0 46,2 150-235
0,8100 28,9 43,2 150-280
0,8217 32,3 40,7 190-280
0,8222 32,4 40,6 205-265
Des
tila
do M
édio
0,8285 35,3 39,3 160-343
0,8324 36,7 38,5 150-370
0,8408 39,2 36,8 205-343
0,8473 41,4 35,5 265-310
0,8724 50,4 30,7 310-370
Gasó
leo
0,8877 55,7 27,9 343-400
0,8964 60,0 26,3 343-455
0,9059 64,6 24,7 400-455
0,9106 66,6 23,9 343-565
0,9224 72,5 21,9 455-510
0,9297 75,5 20,7 455-565
0,9383 79,2 19,3 510-565
Primeiro passo para a simulação foi a seleção de todos os componentes que estarão
presentes na simulação, portanto, a água e os hidrocarbonetos leves foram adicionados,
conforme Figura 17.
50
Figura 16- Input dos componentes leves.
A seleção do pacote termodinâmico para ser utilizado na simulação é muito
importante, pois a precisão dos resultados tem forte influência da equação de estado utilizada
pelo simulador. Foi selecionada para a simulação deste projeto a equação de estado Peng-
Robinson, pois representa melhor o equilíbrio líquido-vapor de sistemas complexos e é ideal
para sistemas com hidrocarbonetos (SILVA, 2009).
Os dados característicos do petróleo venezuelano foram adicionados no simulador em:
Simulation Basis Manager - Oil Manager - Enter Oil Environment (Oil Characterization) -
Assay(Add...) - Input Data.
No campo Bulk Properties, adicionou-se o °API do petróleo e as viscosidades
cinemáticas citados na Tabela 8. No campo Assay Data Type foi escolhido o método da curva
de destilação como TBP; em Light Ends adicionou-se a composição dos hidrocarbonetos
leves; em Distillation adicionou-se os dados da Tabela 10; e em Density adicionou-se os
dados da Tabela 11. As Figuras de 18 – 21 representam estes inputs.
51
Figura 17 - Bulk Properties.
Figura 18 – Input de dados no campo Ligh Ends.
52
Figura 19 – Input de dados no campo Distillation.
Figura 20 - Input de dados no campo Density.
53
Os componentes hipotéticos foram criados em Oil characterization – Cut/Blend – Add.
Nessa janela o usuário pode criar uma corrente de petróleo através de uma ou mais correntes
de petróleo, ou seja, um Blend de petróleo. Também, nessa janela tem a opção dos cortes dos
rendimentos do petróleo e a quantidade de componentes hipotéticos.
Foram criados 100 componentes hipotéticos, sendo 40 destes até 180°C, 20 de 180-
256°C, 20 de 256-360°C e mais 20 de 360-900°C, conforme Figura 22.
Figura 21 - Criação dos componentes hipotéticos.
Os cortes do petróleo foram selecionados de acordo com as temperaturas típicas que
os especificam como produtos comerciais. Para o corte de Nafta Leve 100% vaporizada a
temperatura final de corte foi de 127°C, Nafta Pesada 100% vaporizada a temperatura final de
corte foi de 180°C, para 100% vaporizado de Querosene a temperatura foi de 256°C e para
90% de vaporizado de Gasóleo a temperatura foi de 360°C.
O Gasóleo é o Diesel leve e pesado juntos no mesmo rendimento (256-360°C), e será
o Diesel futuro da Petrobras com a especificação de T90%=360°C, assim como o Diesel S-50.
A Figura 23 mostra os rendimentos de cada corte.
54
Figura 22 - Rendimentos de cada corte.
Na aba Install Oil, conforme a Figura 24, criou-se uma corrente material de entrada
com todas as informações do petróleo, assim como as frações molares dos componentes
hipotéticos (Tabela 12).
Figura 23 - Criação da corrente de entrada.
55
Tabela 12 - Frações Molares dos componentes leves e hipotéticos do petróleo
Ci Zi Ci Zi Ci Zi Ci Zi
H2O 0,0000 NBP[1]122* 0,0053 NBP[1]209* 0,0087 NBP[1]331* 0,0075
C2 0,0012 NBP[1]125* 0,0051 NBP[1]212* 0,0086 NBP[1]337* 0,0073
C3 0,0109 NBP[1]128* 0,0054 NBP[1]216* 0,0086 NBP[1]342* 0,0071
i-C4 0,0067 NBP[1]131* 0,0084 NBP[1]220* 0,0085 NBP[1]347* 0,0069
n-C4 0,0229 NBP[1]134* 0,0088 NBP[1]224* 0,0084 NBP[1]352* 0,0069
i-C5 0,0170 NBP[1]137* 0,0090 NBP[1]227* 0,0082 NBP[1]357* 0,0070
n-C5 0,0253 NBP[1]140* 0,0091 NBP[1]231* 0,0081 NBP[1]373* 0,0342
NBP[1]43* 0,0037 NBP[1]143* 0,0090 NBP[1]235* 0,0080 NBP[1]400* 0,0299
NBP[1]47* 0,0037 NBP[1]145* 0,0086 NBP[1]239* 0,0078 NBP[1]428* 0,0258
NBP[1]51* 0,0036 NBP[1]148* 0,0085 NBP[1]243* 0,0076 NBP[1]454* 0,0227
NBP[1]54* 0,0074 NBP[1]151* 0,0084 NBP[1]246* 0,0074 NBP[1]481* 0,0192
NBP[1]59* 0,0086 NBP[1]154* 0,0083 NBP[1]250* 0,0073 NBP[1]508* 0,0165
NBP[1]62* 0,0095 NBP[1]157* 0,0081 NBP[1]254* 0,0072 NBP[1]535* 0,0137
NBP[1]66* 0,0100 NBP[1]160* 0,0080 NBP[1]259* 0,0097 NBP[1]561* 0,0108
NBP[1]70* 0,0105 NBP[1]163* 0,0079 NBP[1]264* 0,0095 NBP[1]590* 0,0090
NBP[1]74* 0,0109 NBP[1]167* 0,0078 NBP[1]269* 0,0094 NBP[1]616* 0,0081
NBP[1]78* 0,0108 NBP[1]170* 0,0077 NBP[1]274* 0,0093 NBP[1]643* 0,0061
NBP[1]82* 0,0106 NBP[1]173* 0,0076 NBP[1]279* 0,0092 NBP[1]670* 0,0049
NBP[1]86* 0,0109 NBP[1]176* 0,0076 NBP[1]285* 0,0090 NBP[1]697* 0,0050
NBP[1]90* 0,0115 NBP[1]179* 0,0075 NBP[1]290* 0,0088 NBP[1]723* 0,0039
NBP[1]94* 0,0122 NBP[1]182* 0,0094 NBP[1]295* 0,0088 NBP[1]751* 0,0026
NBP[1]98* 0,0143 NBP[1]186* 0,0092 NBP[1]300* 0,0088 NBP[1]779* 0,0023
NBP[1]102* 0,0170 NBP[1]189* 0,0090 NBP[1]305* 0,0087 NBP[1]804* 0,0022
NBP[1]106* 0,0177 NBP[1]193* 0,0089 NBP[1]311* 0,0086 NBP[1]831* 0,0016
NBP[1]110* 0,0138 NBP[1]197* 0,0088 NBP[1]316* 0,0084 NBP[1]859* 0,0012
NBP[1]114* 0,0105 NBP[1]201* 0,0088 NBP[1]321* 0,0082 NBP[1]962* 0,0008
NBP[1]118* 0,0081 NBP[1]205* 0,0088 NBP[1]326* 0,0078
Os nomes dos componentes hipotéticos foram criados seguindo o padrão
(NBP[0]xxx*), sendo o “xxx” a temperatura (°C) normal de ebulição dos componentes
hipotéticos.
56
3.2 SIMULAÇÃO NO UNISIM
Utilizaram-se heurísticos e valores recomendados encontrados na literatura para os
dados das correntes de processo e, para as especificações da torre. A Tabela 13 mostra os
valores usados nas correntes do processo.
O primeiro passo é definir a pressão de operação no condensador, lembrando que o
fluido de resfriamento utilizado no condensador é água na temperatura ambiente, que depende
da época do ano, e pode variar de 20 a 33°C, no Rio de Janeiro. A pressão deve ser um pouco
acima da atmosfera, 0,5 Kgf/cm² (manométrica) acima, para condensar uma quantidade maior
dos mais leves. Assim a pressão definida foi de 150 KPa no condensador. Do condensador até
o primeiro prato adotou-se o valor recomendado de perda de carga de 50 KPa, logo a pressão
no topo da torre é de 200KPa. Sabendo que uma torre real tem de 38 até 52 pratos do topo até
a zona de flash, e que a perda de carga aceitável por prato é de 0,15 psi, calculou-se a pressão
na zona de flash utilizando 42 pratos, 250 KPa (∆P=50 KPa da zona de flash ao prato 1). Da
zona de flash até o fundo utilizou-se mais 4 pratos, portanto a pressão no fundo da torre
calculada foi 255 KPa. A vazão inicial de petróleo vindo do limite de bateria é de
100.000 barris/dia, após a bateria de pré-aquecimento e dessalgação, em seguida a corrente
segue para o vaso separador (pré-flash) com 170 °C e 300 KPa. Utilizou-se o vaso separador
para que somente a parte líquida seja pressurizada na bomba, para evitar que os leves não
sejam super aquecidos no forno e evitar problemas de metalurgia no forno. A corrente líquida
separada no vaso segue para a bomba, pois a pressão do petróleo à 300 KPa não é suficientes
para passar pelas baterias de trocadores de calor, forno, válvulas, joelhos e perda de carga por
atrito, portanto, a bomba eleva sua pressão para 3000 KPa. Perda de carga no trocador de
calor mais forno chega a 2700 KPa, e mais 50 para válvulas, joelhos e atritos. Com isso a
corrente de Óleo Cru chega na zona de flash com 250 KPa. Para as vazões de vapores de
retificação utilizaram-se os valores práticos, conforme a Tabela 13. Assim, montou-se o
processo para levar o petróleo até a pressão e temperatura adequada para a zona de flash,
conforme a Figura 25. Na figura 25 a torre apresenta como ilustração padrão um reboiler, mas
o reboiler não está presente na simulação.
57
Tabela 13 - Dados das correntes de processo.
Dados de Entrada
Corrente Temperatura
(°C)
Pressão
(KPa)
Vazão
(barril/dia)
Vazão
(Kg/h)
Petróleo L.B. 170,0 300 100.000 -
Preflash Vap 170,0 300 - -
Preflash Liq 170,0 300 - -
Pump-TC - 3000 - -
TC-Forno 280,0 2900 - -
Forno-Válvula 360,0 300 - -
Óleo Cru - 250 - -
Vap Ret T-atm 300,0 300 - 9000
Vap Ret AGO 300,0 300 - 2500
Vap Ret Quero 300,0 300 - 2000
Vap Ret NP 300,0 300 - 1500
58
Figura 24 – Fluxograma de Processo.
59
Na torre de fracionamento de petróleo não existe refervedor, portanto a torre utilizada
no UniSim foi a absorvedora com condensador. Para a simulação, utilizou-se o número de
estágios teóricos (34), sendo a zona de flash o prato 32, onde entra a corrente de óleo cru. A
corrente Preflash Vap entra na torre no 31º estágio e o vapor de retificação entra no fundo
(estágio 34). O condensador é parcial e trifásico (retirada de Água Residual, Gás e Nafta
Leve), e no fundo a corrente é de Resíduo Atmosférico (RAT). As pressões de fundo, topo e
condensador são as primeiras condições do projeto de torre. A figura 26 mostra os valores
definidos anteriormente.
Figura 25 - Conexões de correntes materiais e energéticas da torre.
A temperatura do condensador foi adotada como uma especificação. Vazões e razão
de refluxo também ficaram em aberto. Para este projeto utilizou-se 3 torres laterais de
Strippers, para Nafta Pesada, Querosene e outra para o Gasóleo Atmosférico (AGO). Cada
Stripper lateral tem 4 pratos e uma correntes de vapor de retificação, sendo Vap Ret NP para a
60
Stripper de Nafta Pesada, Vap Ret Quero para a Stripper de Querosene e Vap Ret AGO para a
Stripper de Gasóleo. Cada Stripper retira líquido de um estágio e volta com vapor no estágio
anterior, conforme a Figura 27.
Figura 26 - Torres de Stripper.
Os Pump Around são instalados conformes as retiradas das Strippers, portanto cada
Pump Around sai de um estágio e volta ao anterior com o ∆T indicado na figura 28.
Figura 27– Pump Arounds
Como último passo para rodar a simulação é preciso fixar algumas especificações até
atingir o número de graus de liberdade igual a zero. Em Design – Monitor – Add Specification
é possível adicionar as especificações requeridas. Para o Pump Around 1, 2 e 3 especificou-se
61
a carga retirada, e com isso a vazão a ser estimada. Para os três Pump Around a carga térmica
a ser retirada foi de -4.0x107 KJ/h. A temperatura de corte, que determina a qualidade
requerida dos produtos fracionados, é a principal especificação de cada produto:
Nafta Leve (100% vaporizado) - T=127 °C
Nafta Pesada (100% vaporizado) - T=180 °C
Querosene (100% vaporizado) - T=256 °C
Gasóleo (90% vaporizado) - T=360 °C
Utilizou-se também como especificação a temperatura do condensador (T=38 °C). Assim,
atingiu-se o número zero de graus de liberdade, conforme Figura 29.
Figura 28 - Especificações da torre
A Figura 30 representa o ambiente de torre, mostrando com mais detalhes a torre, os
Pump Arounds, as Strippers e o condensador trifásico.
62
Figura 29 - Ambiente da torre.
Foi estimada a eficiência dos pratos de cada seção e foram incluídos no simulador os
números de passe dos pratos de cada seção, conforme Tabela 14 e Figuras 31 e 32.
63
Tabela 14 - Nº de passes dos pratos de cada seção.
Seções (pratos) Nº de
Pratos
Teóricos
Nº de
Pratos
Reais
Eficiência Nº de Passe
Topo – NP (1 – 7) 7 10 0,7 2
PA_1 (8) 1 4 0,3 4
NP – Querosene (9 – 17) 9 10 0,9 2
PA_2 (18) 1 4 0,3 4
Querosene – AGO (19 – 25) 7 8 0,9 2
PA_3 (26) 1 4 0,3 4
AGO – ZF (27 – 31) 5 6 0,8 2
Fundo (32 – 34) 3 6 0,5 4
Figura 30- Eficiência da coluna.
64
Figura 31 - N° de passes da torre.
Ajustaram-se as vazões de vapor de retificação e a porcentagem de sobrevaporizado
(Overflash) conforme os critérios da Tabela 15.
65
Tabela 15 – Critérios para ajuste de vazão de vapor de retificação e vazão de sobrevaporizado.
Vazão Relação
Overflash (OF) OF = F(std, tray 31).6,282(B/m³).24(h/d) ≈ 5% da vazão de cru
(100.000 B/d); [F, std] = Vazão Standard, 60°F, m³/h
Vap Ret T-atm Fatm≈F(std, fundo torre).30; [Fatm]=m³/h
Vap Ret Side Splitter
(SS) FSS≈F(std, fundo SS).20; [FSS]=m³/h
O overflash é regulado pela leitura da vazão (Standard, 60°F) no prato 31 com a
variação da temperatura de saída do forno logo, ao aumentar esta temperatura, mais vapor
entra na zona de flash (ZF) e, consequentemente, mais líquido desce no prato acima da zona
de flash. As vazões Standard podem ser observadas na Figura 33.
Figura 32 – Gráfico de fluxo x posição do prato no Unisim.
66
Foram verificadas e ajustadas as energias retiradas dos pump around e do
condensador, pois existe uma relação prática entre eles.
3.3 DIMENSIONAMENTO NO KG-TOWER
O software KG-Tower é gratuito, com download disponível no site da Koch-Glitsch.
O programa vem com pacotes de cálculo para recheios e pratos. Dentro do projeto de pratos
existem opções para a escolha do seu tipo. Para este projeto, foram escolhidos pratos
valvulados, com válvula V-1. O programa segue a metodologia do manual da Glitsch descrito
no anexo A.
Primeiramente, a torre foi dividida em 8 seções, pois cada uma apresenta uma
característica de hidráulica. Dentro de cada seção, os pratos possuem vazões regulares. Assim,
os dimensionamentos dos pratos são por seções, e não prato-a-prato.
Para o dimensionamento dos pratos foram verificadas as maiores vazões volumétricas
reais de vapor e líquido (Figura 34) para cada seção, pois o prato com maior volume é o prato
dimensionante, e gera o diâmetro da seção. Torres atmosféricas possuem diâmetro constante
do topo até a zona de flash. Da zona de flash até o fundo, diminui-se o diâmetro para ajustar o
volume e a velocidade do vapor de retificação (capacity fator) que sobe em fluxo cruzado
com o líquido do RAT; também aumenta-se o passe para 4 a fim de atender a grande vazão de
líquido que desce, evitando inundação de downcomers e gotejamento pelas válvulas
(wepping).
67
Figura 33 - Gráfico de vazão x posição do prato no KG-Tower.
Ao analisar a Figura 34 foram observadas 8 seções com vazões regulares dentro de
cada uma. Montou-se uma configuração de 8 seções (Figura 35), avaliando-se os parâmetros
necessários para o dimensionamento no KG-Tower (Figura 36).
Figura 34 – Configuração com 8 seções.
68
Figura 35 – Parâmetros para dimensionamento no KG-Tower.
Pelo gráfico da Figura 34 observaram-se 2 grupos com regime de escoamento
similares. O primeiro grupo corresponde aos picos de vazões dos pump around observados
nos pratos 8, 18 e 26. Todos eles apresentam comportamentos parecidos, exceto na seção de
fundo, pois seu diâmetro é reduzido para compensar a grande quantidade de líquido que desce
e a pouca presença de vapor de retificação. O segundo grupo corresponde às seções com
vazão de líquido menor que a vazão de vapor. Dentre as maiores vazões do grupo 1 o prato 18
tem o maior (L+G), e dentre o grupo 2, o prato 19. Assim, com os dois pratos com as maiores
vazões e diferentes regimes, analisou-se o diâmetro ideal para a torre e, o passe ideal.
A Figura 37 mostra a interface do KG-Tower para os inputs dos parâmetros
necessários para o dimensionamento.
69
Figura 36 – Input de Parâmetros no KG-Tower.
Selecionou-se o projeto de pratos em Select Design – Trays (Figura 38). Escolheram-
se pratos valvulados em tray type. Para o espaçamento entre pratos (tray spacing) utilizou-se
o valor prático de 24” (609,6 mm). O tipo de válvula selecionado foi V-1(tipo A).
70
Figura 37 – Projeto de pratos no KG-Tower
Em tools – Estimate Tower Diameter foi estimado o diâmetro da torre. Para os limites
de inundação (Jet Flooding e Downcomer Flooding) utilizaram-se valores práticos de 80%. O
downcomer utilizado é reto (Straight), sem inclinação, mantendo-se a área e outras dimensões
constantes de cima a baixo. Em seguida, estimaram-se os valores dimensionais do downcomer
em tools – Estimate Downcomers (Figura 39).
71
Figura 38 – Estimativa dos valores dimensionais do downcomer.
O cálculo da altura da torre é descrita pela equação abaixo:
Htorre = htopo + htray + hzf + htronco + hfundo (Equação 2)
Onde:
htopo = altura do primeiro prato até o bocal de saída de topo
htray = TS*[(Ntray, topo - 1)+(Ntray, fundo – 1)]; TS = espaçamento entre pratos; Ntray=
número de pratos (topo e fundo).
hzf= altura da zona de flash, da seção de tronco cone até o primeiro prato acima da ZF
htronco = tan(60°)*[(Dmaior – Dmenor)]/2= altura da seção de tronco cone com inclinação
de 60°
hfundo = do ultimo prato até o bocal de saída do RAT
72
4. RESULTADO E DISCUSSÃO
4.1 CARACTERIZAÇÃO DO PETRÓLEO
A Figura 40 mostra o resultado da curva de destilação atmosférica do petróleo
utilizado. A curva utiliza os dados iniciais e os componentes hipotéticos gerados e, compara
com os métodos TBP e ASTM D86.
Figura 39 - Curva de Destilação atmosférica.
Para este projeto utilizamos o rendimento do novo Diesel S-50, seguindo padrões de
qualidade Petrobras.
73
O novo Diesel está na faixa do Gasóleo Atmosférico (AGO). A Figura 41 mostra as
faixas de temperatura de corte e seu volume líquido destilado. O rendimento na fracionadora
atmosférica vai até o corte final do gasóleo atmosférico. O resíduo atmosférico (RAT)
corresponde a aproximadamente 45% do petróleo, pois se trata de um petróleo leve. O resíduo
é encaminhado para a torre de destilação a vácuo, onde são processados componentes mais
pesados.
Figura 40 - Distribuição de corte.
4.2 SIMULAÇÃO NO UNISIM
O gráfico da Figura 42 mostra a composição de cada corrente produzida em relação a
temperatura normal de ebulição de cada composto hipotético. Analisando o gráfico, observa-
se uma concentração maior dos componentes leves na corrente de Gás e, componentes
74
pesados na corrente de resíduo atmosférico. A temperatura de 100 °C corresponde ao
componente H2O, presente na corrente de Nafta Leve e Nafta Pesada.
Figura 41 – Gráfico de fração molar dos hipotéticos x T de ebulição, para cada corrente.
Outra corrente de saída da torre é a de Água Residual, que apresentou uma
porcentagem de recuperação de vapor d’água de 97,56% (Figura 43).
75
Figura 42 - Vazões de correntes de entrada e saída da torre (m3/h).
Analisando a Figura 43, observa-se uma vazão de RAT de 304 m³/h, ou seja, 48% da
vazão de óleo cru. O gasóleo segue como a segunda maior vazão. O comportamento da
distribuição de rendimento se assemelha ao perfil de rendimento inicial da curva ASTM D86.
O gráfico da Figura 44 mostra mais claramente este perfil.
76
Figura 43 - Gráfico das vazões mássicas dos componentes.
Na figura 45 observa-se uma queda de temperatura nos pratos de fundo (32, 33 e 34).
Isto ocorre, pois o líquido RAT desce com escoamento contra corrente a um vapor d’água
mais frio e a alta pressão, arrastando os componentes mais voláteis ainda presentes no
resíduo, e com isso retirando parte de sua massa e calor latente.
Os pratos das retificadoras estão descritos abaixo:
Pratos 35 a 38: nafta pesada;
Pratos 39 a 42: querosene;
Pratos 43 a 46: gasóleo.
Os vapores de retificação roubam o calor latente, vaporizando e resfriando o líquido
descendente da retificadora, provocando a redução de temperatura.
T=38°C P=150KPa
T=38°C P=150KPa T=38°C
P=150KPa
T=266°C
P=243KPa
T=185°C P=230KPa
T=123°C
P=214KPa
T=366°C P=255KPa
77
A queda de temperatura do prato 1 (topo da torre) para o prato zero (condensador) é
proposital, visto que a temperatura do condensador é uma especificação inicial.
Figura 44 - Gráfico de temperatura x posição do prato.
A Figura 46 mostra as vazões de vapor e líquido de cada prato em condições padrões
(Standard, 60°F e 14.7psia), importante para a verificação das vazões de vapores de
retificação e de sobrevaporizado (overflash). O overflash bem ajustado garante que o primeiro
prato acima da zona de flash esteja sempre “molhado”, evitando o coqueamento em sua
superfície.
78
Figura 45 - Gráfico de vazão x posição do prato (standard).
A Figura 47 é a mais importante para o dimensionamento dos internos, pois apresenta
os perfis hidráulicos da torre e uma noção das seções a serem dimensionadas. Neste caso, ao
contrário da figura anterior, as vazões são nas condições de temperatura e pressão da torre.
A principal observação a ser feita sobre o perfil hidráulico são os picos acentuados,
indicando o grande volume de líquido que retorna dos pump arounds, dando uma clara
evidência da necessidade de pratos com maior passe, para diminuir a vazão de líquido nos
pratos e evitar inundação nos downcomers. O mesmo ocorre na seção de fundo da torre,
devido a grande diferença de volume entre vapor e líquido. Além do aumento de passe nos
pratos, uma redução de diâmetro no fundo da torre é necessária, pois com pouca vazão de
vapor no fundo e uma área grande, a velocidade do vapor diminuiria, aumentando as chances
de ocorrer wepping (gotejamento), ou seja, passagem de líquido pelas válvulas.
79
Figura 46 - Gráfico de vazão real x posição do prato.
4.3 DIMENSIONAMENTO NO KG-TOWER
Para um correto dimensionamento e melhor eficiência dos pratos, é necessário
conhecer os processos físicos que ocorrem na superfície do prato. Estes processos definem
critérios hidráulicos para evitar inundação nos downcomers, arraste de gotas para o prato
superior devido a velocidade excessiva de vapor e/ou líquido, gotejamento através das
válvulas, pequeno ou excessivo tempo de residência de contato entre vapor e líquido nos
downcomers, escoamento preferencial, elevada perda de carga, entre outros.
Os principais critérios são:
Downcomer flood: velocidade de líquido máxima para evitar inundação do
downcomer por insuficiência de área. Valor limite seguro de 80%. Acima deste o
líquido pode retornar ao prato superior, perdendo a eficiência.
80
Entrainment (Jet) Flood: significa velocidade excessiva de vapor; gotículas são
arrastadas para o prato superior. O percentual definido com folga evita este fenômeno.
(80% o valor típico)
Downcomer Backup: não depende da área do downcomer. Depende do ∆P no prato,
∆P na folga sob o downcomer e do nível de líquido no prato. O fenômeno é o retorno
de líquido arejado pelo downcomer.
Downcomer Exit Velocity: Velocidade na saída do Downcomer, regulado pela sua
folga (altura da passagem do líquido).
Dry Tray Pressure Drop: Perda de carga pelas válvulas secas, sem a camada de
líquido.
Total Tray Pressure Drop: Perda de carga pelas válvulas secas e molhadas (com
camada de líquido).
Os pratos foram dimensionados de forma a equilibrar todos estes parâmetros, e os
ajustes das dimensões e dos passes levou ao projeto ideal para esta torre.
Além das figuras abaixo foram feitos relatórios com as dimensões dos pratos e os
parâmetros calculados. Esses relatórios se encontram no Anexo B.
O Prato 19 é o dimensionante das zonas de 2 passes (seção de Nafta Pesada,
Querosene e AGO), e seus resultados de hidráulica e dimensionamento se encontram nas
Figuras 48 e 49.
81
Figura 47 – Parâmetros do prato 19.
Figura 48 – Dimensões do prato 19.
A Figura 50 mostra o esquema das dimensões do prato de 2 passes.
82
Figura 49 - Esquema das dimensões do prato de 2 passes.
O Prato 18 é o dimensionante das zonas de 4 passes (seção de troca térmica), e seus
resultados de hidráulica e dimensionamento se encontram nas Figuras 51 e 52.
83
Figura 50 - Parâmetro do prato 18.
Figura 51 – Dimensões do prato 18.
84
A Figura 53 mostra o esquema das dimensões do prato de 4 passes.
Figura 52 - Esquema das dimensões do prato de 4 passes.
O prato 32 é o dimensionante das zonas de 4 passes (seção de fundo, diâmetro
reduzido), e seus resultados de hidráulica e dimensionamento se encontram nas Figuras 54 e
55.
85
Figura 53 - Parâmetro do prato 32.
Figura 54 – Dimensões do prato 32.
A Tabela 16 representa o dimensionamento final da torre com 8 seções.
86
Tabela 16 - Dimensionamento final da torre.
Seção Nº Pratos Passes Diâmetro (m) Altura
(m)
1(NL-NP) 10 2 6 7,0
2(PA_1) 4 4 6 2,4
3(NP-Quero) 10 2 6 6,1
4(PA_2) 4 4 6 2,4
5(Quero-AGO) 8 2 6 4,9
6(PA_3) 4 4 6 2,4
7(AGO-ZF) 6 2 6 3,7
8(ZF-tronco-Fundo) 6 4 3 10,5
Total 52
39,5
Espaçamento entre pratos (m) 0,6096
Redução tronco-cone (graus) 60
87
5. CONCLUSÕES
Todas as simulações e cálculos convergiram, e os resultados estão dentro do esperado.
As dimensões estão coerentes para um petróleo leve com vazão de 100.000 barris/dia, uma
vazão de refinaria de médio porte.
Durante este trabalho, pode-se concluir que simulação, ensaios laboratoriais,
heurísticos e, boas práticas são as ferramentas essenciais para um projeto. Só a simulação e
sua modelagem não fornecem os resultados ideais. É necessário também o uso de equações
empíricas, heurísticos e testes de bancada para atingir o melhor resultado.
Na graduação aprendemos equações de estados termodinâmicas, métodos de cálculo
de estágio teórico e fundamentos de destilação, mas ao realizar este projeto observou-se a
grande influência do dimensionamento dos dispositivos de contato, pois estes são os
responsáveis por toda a troca térmica e de massa em uma destilação. A hidráulica destes
dispositivos é tão importante quanto os cálculos de estágio de equilíbrio, pois um mau
dimensionamento afetará todo o projeto.
Portanto, um projeto de uma torre de petróleo atmosférica será sempre único. O
petróleo é função do tempo e nunca terá as mesmas características de outro petróleo. A
demanda por combustíveis, óleos e petroquímicos também varia de país a país, e no tempo.
Todas estas variáveis tornam um projeto de torre atmosférica de petróleo complexo,
desafiador e original.
88
6. SUGESTÕES
Sugestões para trabalhos posteriores:
Otimização da simulação com integração energética. Promover o maior
aproveitamento térmico dos pump arounds e das baterias de trocadores de calor;
Dimensionamento de bocais, panelas de retirada, distribuidores, eliminador de névoa e
suportes;
Estimativa de custos da planta e estudo de viabilidade econômica do projeto;
Simulação da termofluidodinâmica dos pratos com software de CFD.
89
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS
ANTUNES, Paulo de Tarso; Sistemas Petrolíferos 5. 2012. Aula ministrada para o curso
MBP28 COPPE.
BACON, Raymond Foss; HAMOR, Willian Allen. The American Petroleum Industry
vol.2. New Yourk. MacGraw-Hill Book Company. 1916.
BELL, H. S. American Petroleum Refining 2ed. New York, D.Van Nostrand Company,
1923.
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– pratos & recheios, Editora Interciência, 2007.
CARDOSO, Luis Cláudio. Petróleo: do poço ao posto. Rio de Janeiro: Qualitymark Ed.
2005.
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<http://www.economiabr.com.br/Eco/Eco_pre-sal.htm>. Acessado em 04 de abril de 2012.
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algerie.com/energie-algerie/hysys/> Acessado em 03 de junho de 2012.
FERNANDES, C. F. A Evolução da Arrecadação de Royalties do Petróleo no Brasil e seu
Impacto sobre o Desenvolvimento Econômico do Estado do Rio de Janeiro Monografia
(Bacharel em Economia) – Instituto de Economia, Universidade Federal do Rio de Janeiro.
Rio de Janeiro, 2007.
FERREIRA, Deise Massulo. Engenharia de Reservatórios – Mecanismos de Produção.
2011. Aula ministrada para o curso MBP28 COPPE.
HAMID, M. A. H. HYSYS: An Introduction to Chemical Engineering Simulation
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IBGE. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Estatística do Século XX. Disponível
em: <http://www.ibge.gov.br/seculoxx/economia/contas_nacionais/contas_nacionais.shtm>.
Acessado em 04 de abril de 2012.
90
KISTER, H. Z. Distillation-Design, McGraw-Hill, 1992.
LYONS, Wllian C., Editor. Standard Handbook of Petroleum and Natural Gas
Engeneering, v. 2. Gulf. Professional Publishing. 1996.
MENDES, Josue Camargo. Elementos de Estratigrafia. São Paulo. Editora: T. A. Queiroz.
1984.
MORELLI, Jucy Neiva. Conheça o Petróleo, 2ª ed. Editora: Melhoramentos. 1966.
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CENPRO/Petrobras, 1972.
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PERRY’S, R.G.; CHILTON, C.H; KIRKPATRICK, S.D. Chemical Engineers Handbook.
McGraw-Hill, New York, 1999.
Revista Controle & Automação. Simulação operacional de uma torre de destilação
atmosférica via aspen plus e avaliação de modelos de analisadores virtuais. Vol. 20 n° 3.
Julho, Agosto e Setembro 2009.
ROSA, Adalberto José, Engenharia de Reservatório de Petróleo, Editora Interciência:
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SANTOS, Ivan Garcia dos. Logística de produção upstream. 2012. Aula ministrada para o
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SILVA, M. P; ROBERTO, S. T. Análise De Desempenho De Uma Coluna De Destilação
Com Recheios Estruturados Para Obtenção de Óleos lubrificantes Naftênicos. Projeto
Final de Curso de Engenharia Química – Escola de Engenharia, Universidade Federal
Fluminense, 2009.
SILVA, R.D. Rio de Janeiro: Crescimento, Transformações e sua Importância para a
Economia Nacional (1930-2000). Dissertação (mestrado em Desenvolvimento Econômico) –
Instituto de Economia, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2004.
SZKLO, A. S.; ULLER, V. C. Fundamentos do Refino de Petróleo: Tecnologia e
Economia, Editora Interciência, 2008.
THOMAS, José Eduardo et al. Fundamentos de Engenharia do Petróleo, 2ª ed. Rio de
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WATKINS, R.N. Petroleum Refinery Distillation. 2° edição, GPP Gulf Professional
Publishing, Houston, 1981.
APÊNDICES
APÊNDICE 1 – Figuras representativas do projeto
Figura 55 - Dimensões do prato de 2 passes.
Figura 56 - Dimensões do prato de 4 passes.
Figura 57 - Projeto da Torre
ANEXOS
ANEXO A
Procedimento de projeto de prato valvulado segundo o
manual da Glitsch
1. Fator de Inundação (Flood Factor – FF)
82% -> Valor Máximo recomendado para 100% da capacidade de operação.
Ex: 125% da taxa de operação implicam em 0,82/1,25 -> 66% de FF.
77% -> Para torres a vácuo.
*O FF entre 65-75% pode ser usado para colunas com diâmetros abaixo de 36”.
2. Velocidade no Downcomer (Downcomer Design Velocity - VDdsg)
[VDdsg]=gpm/ft2 TS-> Espaçamento entre pratos (Tray Spacing)
[TS]=inches
VDdsg=250.FatorSistema (2a)
VDdsg=41.( DL-DV)1/2
.FatorSistema (2b)
VDdsg=7,5.(TS)1/2
. ( DL-DV)1/2
.FatorSistema (2c)
*usar o menor valor entre (2a), (2b) e (2c)
*Para diferente fatores de sistemas usar Tabela 17 ou Figura 59 (Table 1a ou Figure 4 do
manual da Glitsch).
Tabela 17 - Fatores do sistema de downcomer.
Figura 58 - Perfil de Velocidade do downcomer.
3. Fator de Capacidade do Vapor (Vapor Capacity Factor - CAF)
CAF=CAF0.FatorSistema (Equação 3)
O fator de sistema usado na equação 3 é dado na Tabela 18 (table 1b) e CAF0 é obtido
nas Figuras 60 e 61 (Figure 5a e 5b do manual da Glitsch).
Figura 59 - Capacidade de vazão dos pratos (a).
Figura 60 - Capacidade de vazão dos pratos (b).
Tabela 18 - Fatores dos Sistemas.
4. Carga de Vapor (Vapor Load - VLoad)
VLoad=CFS.(DV/(DL-DV))1/2
(4)
onde: CFS=Vazão Volumétrica de Vapor (Cubic Feet per Second), ft3/s
5. Diâmetro aproximado da Torre
Comprimento do trajeto do líquido (Flow Path Length - FPL)
A Figura 62 (figura 6 do manual da Glitsch) é usada para obter aproximadamente o diâmetro
de torre, baseado em TS=24” e 80% de Inudação.
FPL=9.DT/NP (5)
onde: [FPL]=inches
[DT]=Diâmetro da Torre, feet
[NP]=Número de passes
Figura 61 - Diâmetro dos pratos.
Área Ativa Mínima (Active Area - AAM)
AAM=(VLoad+(GPM.FPL/1300))/(CAF.FF) (5a)
onde: VLoad=Carga de Vapor para qualquer prato na seção
GPM=Carga de liquid para o mesmo prato
AAM=Área ativa mínima, ft2
CAF=Fator de capacidade da equação 2a
FF=Fator de Inundação ou percentual de inundação de projeto, fractional
Área Mínima do Downcomer (ADM)
ADM=GPM/(VDdsg.FF) (5b)
onde: VDdsg=Velocidade de projeto no Downcomer, gpm/ft2
ADM=Área mínima de Downcomer, ft2
*se ADM<0,11.AAM (ADM=2.ADM ou ADM=0,11.AAM) usar o maior valor
Área Mínima da Torre (ATM)
ATM=AAM+2.ADM ou (5c)
ATM=VLoad/(78.CAF.FF) (5d)
onde: ATM=Área mínima da torre, ft2
*Usar o maior valor.
DT=(ATM/0,7854)1/2
(5e)
*Arredondar DT para cima para calcular o verdadeiro AT
AT=0,785.DT2 (5f)
Capacidade Máxima de Projeto (AD)
AD=AT.ADM/ATM (5g)
onde: AD=Área total do Downcomer, ft2
AT=Área atual da torre, ft2
ADM=Área mínima de Downcomer da equação 5b
ATM=Área minima da torre da equação 5d
*se AD≥0,1.AT (AD=2.ADM ou AD=0,1.ADM) usar o menor valor
Larguras do Downcomer (Hi)
H1, H3, H5 e H7 são usados para designar as larguras, em polegadas, do lado, no centro,
fora do centro e fora do lado, respectivamente. As áreas correspondentes ao topo destes
downcomers são A1, A3, A5 e A7, respectivamente. Ver Figura 63 (Figure 7 do manual da
Glitsch).
Figura 62 - Esboço dos pratos
Hi=WF.AD/DT (5h)
onde: Hi=Largura do Downcomer individual, inches
AD=Área total do Downcomer, ft2
DT=Diâmetro da torre, ft
WF=Fator de largura da table 2
Correlação de Hi e ADi em arco-cosseno
ADi=(DT2/2).arcos((DT/2 – x)/(DT/2)) – (DT/2 – x).(DT.x – x
2)1/2
(5i)
Li=2. (DT.x – x2)(1/2)
(5j)
onde: ADi=Área do segmento circular.
x ou Hi= Distância da corda ao ponto mais distante do arco.
Li= Comprimento da corda ou Downcomer
OBS: Li pode ser igual a Lwi (Comprimento do vertedor)
FPL=(DT – (2.H1+H3+2.H5+2.H7))/NP (5k)
onde: NP= Número de passes
A largura (Hi) do Downcomer é ajustada para dar um FPL modular.
FPL=n.1,5” + 8,5” achar n=(FPL – 8,5”)/1,5”
Logo,
FPL=n.1,5” + 8,5” *arredondar para cima
FPL=(n-1).1,5” + 8,5”
Checar o FPL modular ajustando a largura (Hi) dos Downcomers:
FPL.NP + 2.H1 + H3 2.H5 + 2.H7=DT
Calcular os ADi e Li com os novos Hi ajustados.
6. Área de Downcomer (AD)
ADi=Hi.SF.DT/12 ; i=3, 5 e 7 (6)
onde: ADi=Area do Downcomer individual, ft2
Hi=Largura do Downcomer individual, inches
SF=Fator de arcada, fracionário, Table 3
DT=Diâmetro da torre, ft
7. Área Ativa (Active Area - AA)
AA=AT – (2.AD1+AD3+2.AD5+2.AD7) (7a)
AA=AT – 2.(ADavg) (7b)
Onde ADavg é a média das áreas de downcomer de pratos pares e ímpares.
8. Percentagem de Inundação a Razão Constante de V/L
%Flood=(Vlood + (GPM.FPL/1300))/(AA.CAF).100 (8a)
%Flood=((AAM.FF)/AA).100 (8b)
Queda de Pressão Seca
[∆Pdry]flood=TS.0,2 (8c)
onde: TS=Espaçamento entre pratos, inches
9. Queda de Pressão
Àre e Velocidade de Orifício
Área usada para calcular a velocidade de orifício na eq. 18
AH=NU/78,5 1/78,5 Área de um orifício (9a)
VH=CFS/AH (9b)
onde: NU= Número total de válvulas
AH=Área de orifícios, ft2
VH=Velocidade de orifício, ft/s
Queda de pressão seca no prato
Usar Fluxograma da Figura 64 (Figure 8 do manual da Glitsch).
(Para válvulas V-1 e V-4; Válvula de Metal: Dm=510lb/ft3)
Figura 63 – Queda de pressão nos pratos.
Quando as condições não satisfazerem o fluxograma, usar as equações abaixo, utilizando o
maior valor.
Válvulas parcialmente abertas:
∆Pdry=(1,35.(tm).(Dm))/DL + (K1.(VH)2.DV)/DL (9c)
Válvulas totalmente abertas:
∆Pdry=(K2.(VH)2.DV)/DL (9d)
onde: ∆Pdry=inches de líquido
tm= espessura da válvula, inches
Dm= densidade do metal da válvula, lb/ft3
K1, K2= coeficiente de queda de pressão
VH= velocidade de orifício, ft/s
*usar o maior valor entre (9c) e (9d)
Figura 64 - Coeficientes de queda de pressão.
Queda de Pressão total do Prato (∆Ptray)
∆Ptray=∆Pdry + 0,4.(GPM/Lwi)2/3
+ 0,4.Hw (9e)
onde: ∆P= queda de pressão total, iches de líquido
Hw= Altura do vertedor, inches (padrão Hw=2”)
LWi=Comprimento do vertedor, inches
OBS: 0,4.(GPM/Lwi)2/3
Altura do líquido sobre o vertedouro de saída, a crista.
Para converter inches de líquido em:
∆P(lb/in2)= (∆P, inches de líquido).(DL)/1728 (9f)
∆P(mmHg)= (∆P, inches de líquido).(DL)/33,3 (9g)
Inundação do downcomer - Downcomer Backup
Situação instável onde a altura de líquido dentro do mesmo atinge o prato superior.
*Não deverá exceder 40% dos espaços entre os pratos para vapor de alta densidade (3,0lb/ft3);
50% para vapor de densidade média e 60% para vapor de densidade abaixo de 1,0lb/ft3.
Hdc=Hw+0,4.(GPM/Lwi)2/3
+ (∆Ptray+Hud).(DL/(DL-DV)) (9h)
Hud=0,65.(Vud)2 ou (9i)
Hud=0,06.(GPM/Aud)2 (já com fator de conversão) (9j)
Vud=GPM/Aud (9k)
Aud=DCE.DCCL (9l)
onde: Hdc= altura de liquid no Downcomer, inches
Hud= perda de carga sob Downcomer, inches de líquido
Vud= velocidade de liquid sob Downcomer, ft/s
Auc= area sob Downcomer, in2
DCCL= Folga no Downcomer, inches
DCE= comprimento da saída do Downcomer, inches
10. Flexibilidade
Figura 65 - Valores de ( VH.(DV/DL)1/2 ) x Nível de líquido no prato.
VH Velocidade estimada de vapor onde não ocorre vazamento em válvulas de passagem
única, convencional.
F=VH.(DV/DL)1/2
(10a)
Vweep= 0,298 + 0,136.LL – (0,0834/LL) (10b)
LL=0,4.(GPM/Lwi)2/3
+ Hw (10c)
Onde: F= flexibilidade, ft/s
Vweep= velocidade de gotejamento, ft/s
LL= nível de líquido, inches
11. Largura do Caminho do fluxo de Líquido (WFP)
WFP= AA/FPL (11)
onde: WFP= largura do caminho do fluxo de líquido, inches
AA=area ativa, ft2
FPL=comprimento do caminho do fluxo de líquido, inches
12. Número aproximado de válvulas
Travessões colocados em arranjos paralelos ao fluxo:
Rows =((FPL - 8,5)/(0,5.Base) + 1).NP (12a)
Units/Row =WFP/(5,75.NP) - 0,8.(Nº de travessões + 1) (12b)
Travessões colocados em arranjos perpendiculares ao fluxo:
Rows =[FPL – (1,75.(n° de treliças)) – 6,0].(NP/2,5) (12c)
Units/Row =WFP/(Base.NP) – 2,0.(Nº de travessões + 1) (12d)
onde: FPL= comprimento do caminho do fluxo de líquido, inches
WFP= largura do caminho do fluxo de líquido, inches
NP= número de passes
Base= espaçamento entre válvulas, usualmente 3,0 - 3,5 - 4,0 - 4,5 ou 6,0 inches
Base Passe da válvula, triangular ou quadrada.
13. Chicanas para pratos de multipasses (Anti-Jump Baffles for Multipass Trays)
Chicanas são recomendados quando VLoad/AA exceder os limites de operação no qual o limite
é:
Vload/AA= 0,336 – 0,0192.(GPM/WFP)
14. Barragem de cerca (Picket Fence Weirs)
Barragem é recomendada se GPM/LWi for menor que 0,25 - 0,30.
15. Número de passes (Number of Passes)
Figura 66 - Nº de passes.
Figura 67 - Nº de passes (vista superior).
16. Eficiência do prato (Tray Efficiency)
Figura 68 - Eficiência do prato.
ANEXO B
Relatório do dimensionamento e parâmetros dos pratos
valvulados da torre atmosférica de petróleo.
(Os relatórios foram gerados pelo software KG-Tower 5.0, disponível gratuitamente no
site da Koch-Glitsch)
Figura 69 - Relatório dos pratos de seção de 2 passes.
Figura 70 - Relatório dos pratos da seção de 4 passes (zona de troca térmica).
Figura 71 - Relatório dos pratos da seção de 4 passes (fundo da torre).
