UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

INSTITUTO DE QUMICA

RICARDO LANDAL DE CAMPOS

ANLISE DE VIABILIDADE TCNICA E ECONMICA PARA A SUBSTITUIO DO PR-AQUECEDOR DE AR DE COMBUSTO DOS FORNOS DE UMA UNIDADE DE

DESTILAO DO SETOR PETROQUMICO.

Porto Alegre, 2012.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

INSTITUTO DE QUMICA

RICARDO LANDAL DE CAMPOS

ANLISE DE VIABILIDADE TCNICA E ECONMICA PARA A SUBSTITUIO DO PR-AQUECEDOR DE AR DE COMBUSTO DOS FORNOS DE UMA UNIDADE DE

DESTILAO DO SETOR PETROQUMICO.

Trabalho de concluso de curso, apresentado junto atividade de ensino Projeto Tecnolgico do Curso de Qumica Industrial, como requisito parcial para obteno do grau de Qumico Industrial.

Prof. Dr. Renato Catalua Vses Orientador

Eng. Paulo Ricardo Kugland de Azevedo Co-orientador

Porto Alegre, 2012

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus pelo amparo nas tempestades da vida.

minha esposa Adriane Ayres de Oliveira, pelo amor, incentivo e pacincia.

Sem voc meu mundo seria incompleto.

Aos meus pais, por me possibilitarem o acesso a esta Universidade pelo suor

e sacrifcio dos seus labores. minha me Maria Lucia Landal de Campos por no

ter desistido nos momentos de tormenta.

Aos meus irmos, Ronaldo e Ana Paula Landal de Campos, pelo sentimento

de nunca estar sozinho.

Aos meus sogros Vilson Santos de Oliveira e Maria Loreni Ayres, por me

ensinarem o valor do otimismo e da mudana.

Aos colegas e amigos da REFAP pelo companheirismo nos momentos de

maior necessidade. Em especial aos amigos do GRUPO 5.

Aos que lutam por um ensino pblico, gratuito e de qualidade.

Aos amigos Fbio Mota, Maurcio Silva de Souza e Edson Flores que

estiveram ao meu lado em diferentes etapas desta longa jornada.

Aos orientadores Prof. Dr. Renato Catalua Vses e Eng. Paulo Ricardo

Kugland de Azevedo pelo compartilhar de conhecimentos e dedicao nos

momentos de dvida. Pelos quais tambm agradeo UFRGS e Petrobras por

permitirem a realizao deste trabalho.

RESUMO

O uso racional de energia , sem dvida, uma preocupao de toda a

sociedade. Na indstria o consumo de energia tem relevante participao nos

custos, alm do impacto nos indicadores ambientais.

Todos os processos com potencial de reduo de desperdcio e/ou

aproveitamento de energia devem despertar o interesse dos profissionais da rea,

a fim de encontrar solues e minimizar as restries operacionais. Atravs do

acompanhamento de dados de processo foram identificados sintomas e estimado

o percentual de vazamentos em um pr-aquecedor de ar de combusto dos

fornos de uma unidade de destilao de petrleo.

Com os dados levantados foi possvel realizar a anlise econmica para a

substituio do equipamento. Sob o enfoque da economia de energia somado aos

incrementos na produo de diesel na torre de destilao atmosfrica, chegou-se

a concluso de que a substituio vivel tcnica e economicamente.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Modos de transferncia de calor.................................................................9

Figura 2. Quantidade mnima de ar em funo do combustvel...............................13

Figura 3. Efeito da temperatura dos gases de combusto no desperdcio de

combustveis..............................................................................................................14

Figura 4. Bateria de pr-aquecimento do petrleo.....................................................17

Figura 5. Esquema simplificado do processo de destilao do petrleo...................18

Figura 6. Forno de aquecimento de petrleo.............................................................19

Figura 7. Arranjo do pr-aquecimento de ar dos fornos A e B...................................20

Figura 8. Pr-aquecedor de ar Ljungstrm................................................................23

Figura 9. Folgas de vazamento do pr-aquecedor regenerativo...............................25

Figura 10. Danos causados pela fadiga nas selagens radiais...................................26

Figura 11. Temperaturas de entrada e sada dos gases e do ar no PAF..................27

Figura 12. Teores de O2 (%) antes e depois do PAF.................................................28

Figura 13. Volume de controle...................................................................................29

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Composio volumtrica e mssica do ar.................................................11

Tabela 2. Composio tpica de gs de refinaria......................................................11

Tabela 3. Volume mnimo de O2 ...............................................................................12

Tabela 4. Composio tpica de gs combustvel.....................................................22

Tabela 5. Dados de projeto do trocador regenerativo Ljungstrm............................27

Tabela 6. Vazes mdias das correntes envolvidas.................................................30

Tabela 7. Dados de clculo dos fluxos de calor envolvidos......................................30

Tabela 8. Clculo de economia de combustvel........................................................32

SUMRIO

1. Apresentao......................................................................................................... 8 2. Reviso Bibliogrfica............................................................................................ 9 2.1 Fundamentos Tericos.......................................................................................... 9

2.1.1 A combusto..................................................................................................... 10

2.1.2 Clculo da quantidade estequiomtrica de ar.................................................. 11

2.1.3 O Excesso de ar............................................................................................... 13

2.1.4 O poder calorfico............................................................................................. 14

2.1.5 A transferncia de calor.................................................................................... 15

2.2 Viso Geral de uma unidade de destilao de petrleo..................................... 16

2.3 Fornos de aquecimento de petrleo.................................................................... 18

2.3.1 Limitao dos fornos........................................................................................ 21

2.4 Combustveis....................................................................................................... 21

2.5 O pr-aquecedor de ar para os fornos................................................................ 23

2.5.1 Vazamentos...................................................................................................... 24

3. Apresentao do problema................................................................................ 25 4. Anlise tcnica.................................................................................................... 26 4.1 Dados de projeto e sintomas............................................................................... 26

4.2 Balanos de energia e massa............................................................................. 29

4.3 Demonstrao dos clculos................................................................................ 29

5. Anlise econmica.............................................................................................. 31 5.1 Anlise por consumo de combustvel.................................................................. 31

5.2 O impacto na produo de diesel........................................................................ 32

5.3 Investimento para um novo pr-aquecedor......................................................... 33

6. CONCLUSO....................................................................................................... 34 REFERNCIAS......................................................................................................... 35

8

1. Apresentao

A indstria do petrleo se caracteriza pela complexidade dos seus processos

e os sucessivos desafios que se apresentam para a melhoria nas suas condies

operacionais e na segurana das instalaes. No processamento do petrleo, com a

necessidade de operaes em altas temperaturas um dos campos promissores de

atuao est na busca da eficincia energtica das operaes. Como resultado

desses esforos, as refinarias reduzem os custos com energia e diminuem os

impactos ambientais.

Entre as operaes de aquecimento, um dos equipamentos mais importantes

o forno. Com grande relevncia na indstria qumica e petroqumica as operaes

de aquecimento despendem uma elevada quantidade de energia. Os fornos so

equipamentos onde um fluido aquecido e/ou vaporizado a fim de ser condicionado

para um processo fsico-qumico seguinte. Na indstria do petrleo uma de suas

principais aplicaes est nas unidades de destilao, onde o petrleo aquecido

em fornos a fim de entrar na torre de destilao em temperaturas ideais para o seu

fracionamento.

Com as crescentes demandas do pas de aumento de capacidade de

processamento no refino de crus, os esforos das refinarias se concentram nos

estudos e investimentos no sentido de eliminar os gargalos das unidades de

processamento. Os desejados incrementos de vazo de carga da unidade devem

ser acompanhados da manuteno da temperatura do petrleo na sada dos fornos

o que demanda uma maior vazo de combustvel e ar para queima.

Para aumentar a eficincia energtica de um forno, a recuperao da energia

dos gases exaustos de combusto se torna um importante caminho. O objetivo

deste trabalho o estudo da viabilidade econmica para substituio de um pr-

aquecedor de ar de combusto dos fornos de uma unidade de destilao de

petrleo.

9

2. Reviso Bibliogrfica

2.1 Fundamentos tericos

Os fundamentos tericos referentes transferncia de calor foram baseados

na referncia Incropera et. al (2008).

Calor energia trmica em trnsito devido a uma diferena de temperatura no

espao. So trs as formas de transferncia de calor:

A conduo a transferncia de energia das partculas mais energticas para as menos energticas de uma substncia ocorrida devido s interaes entre

partculas. Na presena de um gradiente de temperatura essa transferncia ocorre

na direo de diminuio de temperatura.

A conveco uma forma de trnsito de calor que abrange dois mecanismos. Alm de transferncia devido ao movimento molecular aleatrio

(difuso), a energia tambm transferida atravs do movimento global, ou

macroscpico, do fluido.

A radiao trmica a energia emitida pela matria que se encontra em uma temperatura no nula. A radiao no precisa de um meio material para ser

transmitida.

A figura 1 compara as trs formas de transferncia de calor

Figura 1: Modos de transferncia de calor Fonte: INCROPERA et al., 2008

10

2.1.1 A combusto

Reaes de combusto so reaes qumicas exotrmicas que envolvem a

oxidao completa de um combustvel. Materiais ou compostos podem ser

considerados combustveis industriais quando sua oxidao pode ser feita com

liberao de energia suficiente para aproveitamento industrial.

Nessa condio, os hidrocarbonetos derivados do petrleo e o gs natural

tm fundamental importncia. Para a combusto completa de metano, monxido de

carbono, hidrognio e nitrognio temos as seguintes reaes:

CH4 + O2 CO2 + H2O + calor (1)

CO + O2 CO2 + calor (2)

2 H2 + O2 2H2O + calor (3)

N2 + 2 O2 2NO2 + calor (4)

Como exemplo, a combusto completa do metano dada pela seguinte

equao qumica:

CH4 + O2 CO2 + 2 H2O + calor (5)

Raramente um combustvel queimado com oxignio puro. O ar do ambiente

a fonte de oxignio para a maioria dos processos industriais.

Os processos de combusto vm sofrendo vrios ajustes e modificaes ao

longo dos anos sejam por causa da prpria evoluo dos mtodos de controle e

segurana do processo, ou pela grande variedade de combustveis a serem

queimados e tambm pela evoluo dos equipamentos destinados a realiz-la. O

conhecimento das quantidades de ar para a combusto, bem como a composio e

volume dos produtos de queima so relevantes para o projeto e controle de

equipamentos como fornos e caldeiras.

11

2.1.2 Clculo da quantidade estequiomtrica de ar

O balano de massa consiste na anlise das quantidades de ar e de gs

fornecidas ao sistema para que se possa realizar a combusto, assim como na

anlise das quantidades dos produtos de combusto. Os valores aproximados do

ar atmosfrico so:

Componentes % volumtrico % mssico

O2 20,90% 23,20%

N2 79,10% 76,80%

Tabela 1: Composio volumtrica e mssica do ar

Pode-se ento calcular a quantidade estequiomtrica de ar necessria para a

combusto de uma mistura de gases a partir da equao estequiometricamente

balanceada. Tomemos como exemplo uma composio tpica de um gs

combustvel de refinaria dado pela tabela 2:

Gs Combustvel

Componentes (% volume)

Hidrognio 30

Metano 40

Eteno 13

Etano 17

Tabela 2: Composio tpica de gs de refinaria (Dados Petrobras)

Baseado nas equaes 1, 2, 3 e 4 construmos a tabela que mostra as

quantidades estequiomtricas de O2 para a combusto de 1m3 de cada um dos

componentes da mistura de gases.

12

Componentes O2t=Quantidade Terica de O2 (m3)

H2 0.5

CH4 2

C2H4 3

C2H6 3.5

N2 2

Tabela 3: Volume mnimo de O2

Assim sendo, a quantidade terica total de oxignio necessria para a

combusto completa de uma mistura de gases corresponde soma das quantidades

exigidas por cada um dos componentes (O2m). Tomando como referncia a mistura

da tabela 01 temos:

O2m = (Vi / 100 * O2ti)

Onde:

Vi = % volume de cada gs na mistura

O2ti = volume terico de O2 para combusto completa de cada gs da mistura

Operando a equao com os dados fornecidos pelas tabelas 2 e 3 chegamos

ao valor para O2m de 1,885 Nm3 de O2 so necessrios para a combusto de 1Nm3

da mistura de gs combustvel. O volume normal ( Nm3) calculado com base nas

condies padro de 101.325 kPa e 273.15K ( DIN 1343).

Como o O2 utilizado na queima proveniente do ar atmosfrico, a quantidade

mnima de ar que deve ser fornecida ao sistema de combusto obtida atravs da

equao (6):

Arm = 100 / 20,9 * O2m (6)

Utilizando-se a composio volumtrica dos gases que compem o ar (tabela

1), verifica-se que para cada m3 de O2 existem aproximadamente 3,79m3 de N2.

13

Assim, para a combusto de 1 m3 da mistura so necessrios 1,885m3 de O2

que estaro misturados em aproximadamente 9m3 de ar. Ento a relao

estequiomtrica ar/gs para essa mistura de 9:1. Essa relao plotada no grfico

da figura 2 permite estimar o peso molecular mdio da mistura em 16,79 g/mol,

valor muito aproximado do peso molecular do metano.

Figura 2: Quantidade mnima de ar em funo do combustvel (Adaptado de King, 2011)

2.1.3 Excesso de ar

Em funo da incapacidade de um sistema de combusto em realizar uma

combusto completa apenas com a quantidade estequiomtrica, um montante de

ar em excesso deve sempre ser suprido ao sistema para se minimizar a produo

dos compostos intermedirios da reao que, em condies ideais, no devem

estar presentes nos produtos de combusto. Teoricamente o excesso de ar

dado por:

artotal arestequiomtrico %arexcesso = _________________ x 100 (7) arestequiomtrico

14

A quantidade mnima de ar em excesso para se garantir uma combusto

completa varia de acordo com o combustvel empregado e com a eficincia da

mistura entre ar e combustvel proporcionada pelos combustores. Caso esse

excesso fornecido seja menor do que uma quantidade mnima haver combusto

incompleta, havendo ento perdas de gases combustveis no queimados (figura 3)

e produo de CO. Por outro lado uma quantidade muito grande de excesso ir diluir

o gs de combusto, reduzindo a sua temperatura e a transferncia de calor.

Figura 3: Efeito da temperatura dos gases de combusto no desperdcio de combustveis (King, 2011).

2.1.4 O poder calorfico

O poder calorfico de combustveis definido como a quantidade de energia

interna contida no combustvel, sendo que quanto mais alto for o poder calorfico,

maior ser a energia contida. H dois tipos de poder calorfico:

poder calorfico superior (PCS)

Des

perd

cio

de

com

bust

vel

(%)

15

poder calorfico inferior (PCI)

O PCS a quantidade de calor produzida por 1 kg de combustvel, quando

este entra em combusto, sem excesso de ar, e os gases da descarga so

resfriados de modo que o vapor de gua neles seja condensado.

O PCI a quantidade de calor que pode produzir 1 kg de combustvel,

quando este entra em combusto com excesso de ar e os gases de descarga so

resfriados at o ponto de ebulio da gua, evitando assim que a gua contida na

combusto seja condensada.

Como a temperatura dos gases de combusto muito elevada nas aplicaes

industriais, a gua contida neles se encontra sempre no estado de vapor, portanto

na prtica, o que deve ser considerado o poder calorfico inferior e no o superior.

2.1.5 A transferncia de calor

A termodinmica conceitualmente est interessada nos estados de equilbrio

da matria e um estado de equilbrio elimina necessariamente a existncia de um

gradiente de temperatura. Porm a disciplina de transferncia de calor se torna

complementar, pois vai tratar justamente dos estados de no equilbrio da

termodinmica, gerados justamente por uma diferena de temperatura. A primeira lei

da termodinmica permite afirmar que:

A taxa de aumento da quantidade de energia trmica e mecnica acumulada (armazenada)

em um volume de controle deve ser igual taxa na qual as energias trmicas e mecnicas entram no volume de controle, menos a taxa na qual as energias trmica e mecnica deixam o volume de controle, mais a taxa na qual a energia trmica gerada no interior do volume de controle

Na maioria das aplicaes em sistemas abertos de interesse, variaes na

energia latente entre as condies de entrada e sada podem ser desprezadas, de

tal forma que a energia trmica se reduz somente ao componente sensvel. Se o

fluido considerado um gs ideal com calores especficos constantes, as diferenas

de entalpias (por unidade de massa) entre os escoamentos de entrada e sada so

relacionadas com suas respectivas temperaturas. Considerando tambm, condies

de regime estacionrio e ausncia de gerao de energia trmica, h pelo menos

16

dois casos nos quais consideraes adicionais podem ser feitas para obtermos a

equao simplificada da energia trmica para escoamento de gases:

Q = m x Cp x (Tsada T entrada) (8)

Um gs ideal com variaes de energia cintica e potencial desprezveis e

trabalho desprezvel;

Um gs ideal com dissipao viscosa desprezvel e variao de presso

desprezvel.

A dissipao viscosa a converso de energia mecnica em energia trmica

associada s foras viscosas. Ela importante somente em situaes envolvendo

escoamento em alta velocidade e/ou fluido altamente viscoso. Como muitas

aplicaes da engenharia satisfazem uma ou mais das condies anteriores, a

equao (8) normalmente usada na anlise de transferncia de calor em fluidos

em movimento.

2.2 Viso Geral de uma unidade de destilao de petrleo

O petrleo ao chegar refinaria armazenado em tanques onde deve

permanecer um tempo para decantao e drenagem de guas residuais. Aps esse

processo bombeado para a unidade de destilao atmosfrica, sendo esta a

primeira etapa do refino do petrleo.

Ao entrar na unidade ele passa por uma bateria de permutadores de pr-

aquecimento (figura 4) trocando calor com as correntes de sada da torre de

destilao, o objetivo neste estgio chegar a 130C, temperatura ideal para ser

processado nas dessalgadoras, equipamentos onde a salmoura (gua com sal)

separada do petrleo ao ser submetido a um precipitador eletrosttico.

17

Figura 4: Bateria de pr-aquecimento de petrleo

Ao sair das dessalgadoras o petrleo, devido a um segundo estgio de

bombeamento, passa na segunda bateria de pr-aquecimento onde alcana a

temperatura de 235C para ento entrar nas serpentinas dos fornos que fornecero

a energia necessria para ser parcialmente vaporizado e ento ser fracionado na

torre de destilao.

O processo de fracionamento ocorre quando o lquido descendente no seu

ponto de bolha entra em contato com o vapor ascendente em seu ponto de orvalho.

As duas correntes trocam calor e massa entre si fazendo com que a corrente gasosa

enriquea-se de componentes mais volteis e a corrente lquida com os

componentes menos volteis. (Brasil, 2000).

Na torre da unidade, objeto de estudo deste trabalho, os hidrocarbonetos se

separam em cinco fraes lquidas sendo elas: nafta pesada, querosene, diesel leve,

diesel pesado e resduo atmosfrico como produto de fundo. H ainda uma frao

18

gasosa que sai no topo, que ser parcialmente condensada para ser enviada a torre

debutanizadora. Nesta ocorre um segundo fracionamento que produzir GLP (gs

liquefeito de petrleo) e gs combustvel (metano + etano) no topo e nafta leve (C5

C8) no fundo. A figura 5 ilustra o processo descrito.

Figura 5: Esquema simplificado do processo de destilao do petrleo (Adaptado de Brasil, 2000)

2.3 Fornos de aquecimento de petrleo

Os fornos nas unidades de destilao so os equipamentos responsveis

pelo aquecimento do petrleo antes de entrar na torre de destilao. Com a linha de

entrada de petrleo dividida em passes antes de adentrar o equipamento, essas

derivaes percorrem a cmara de combusto nas suas diferentes regies,

recebendo por radiao e conveco o calor fornecido pela queima de algum

combustvel (gs ou leo) em um conjunto de queimadores. Os gases resultantes da

combusto percorrem a cmara do forno podendo sair diretamente para a chamin

ou serem direcionados para o sistema de pr-aquecimento de ar a fim de cederem

calor para o ar que ser usado na queima do combustvel.

19

Figura 6: Forno de aquecimento de petrleo (Vinayagam, 2007).

O ar usado na combusto pode chegar aos queimadores de trs maneiras

diferentes:

Pelas janelas de tiragem natural alimentadas diretamente com o ar do meio

atmosfrico (MODO NAT).

Atravs de um ventilador, portanto de maneira forada at os queimadores

(MODO FOR).

De forma balanceada, sendo aquecido em um trocador de calor de gases

regenerativo, para ento ser usado nos combustores (MODO BAL).

Na destilao do petrleo, to importante quanto a eficincia do fracionamento

na torre a eficincia energtica dos fornos, impactando diretamente na

rentabilidade da planta. Segundo Lieberman e Lieberman (2008), os objetivos

primrios na operao de um forno so:

Manter o fogo na cmara de combusto;

20

Evitar uma densidade excessiva de calor na mesma;

Maximizar o processo de absoro de calor para uma dada quantidade de

combustvel. Para maximizar o processo de absoro de calor, o modo de tiragem

balanceada com o uso de um PAF (Pr-aquecedor de Ar dos Fornos) o mais

adequado, pois permite que o ar da combusto seja pr-aquecido com o calor dos

gases resultantes da queima. De forma que, o calor que seria gasto para aquecer o

ar na cmara usado para aquecer o petrleo que escoa nos tubos.

No arranjo h a necessidade de um ventilador que impele o ar atmosfrico

para o PAF e sucessivamente para cada forno e um exaustor dos gases de

combusto que fora a passagem pelo trocador de calor para ento serem

descartados em uma das chamins. A figura 7 mostra o arranjo do PAF com a

operao de dois fornos e a posio das vlvulas de controle de presso (PV A e PV

B), vazo de ar para cada forno (FV A e FV B). E a localizao dos analisadores

contnuos ( AI A , AI B, AI C).

Figura 7: Arranjo do pr-aquecimento de ar dos Fornos A e B

21

2.3.1 Limitaes dos Fornos

Os fornos da unidade onde foi realizado este trabalho, foram dimensionados para

carga trmica de 40 Gcal/h cada um e compatvel com carga de 20.000 m/dia de petrleo.

Quando a unidade processa petrleos mais leves, a maior vaporizao exige mais energia,

limitando as vazes de petrleo pela carga trmica dos fornos. Estes limites podem

aparecer: na vazo de ar para queima, na carga trmica nominal dos fornos, na vazo de

combustvel, na temperatura da radiao, na temperatura de sada das conveces ou na

temperatura das serpentidas de vapor das conveces. A limitao de interesse para este

trabalho ser a vazo de ar para os fornos, que pode ter como uma das causas os

vazamentos no PAF.

2.4 Combustveis

A unidade de destilao, objeto de estudo deste trabalho foi projetada com a

operao de dois fornos onde a carga dividida igualmente entre eles chegando a

uma temperatura mxima de 375C. O combustvel a ser queimado

preferencialmente o gs combustvel (mistura de gs natural e gs de refinaria),

podendo ser usada a queima de leo no caso de alguma instabilidade no anel de

gs, geralmente causada por alguma parada do Craqueamento Cataltico, unidade

que produz a maior quantidade de gs para a refinaria.

Porm o principal motivo para o uso do gs est nos menores ndices de

enxofre em sua composio que acarreta em emisses menos poluentes e

problemas de corroso atenuados (Pujad e Jones, 2006). Segundo Farah(2012),

para um mesmo petrleo, quanto mais pesada for a frao, maior ser o seu teor de

enxofre.

A tabela abaixo mostra a composio de gs combustvel usados nos fornos:

22

Gs Combustvel Tratado

Componentes (% volume) Hidrognio 30

Metano 40 Eteno 10 Etano 14

Nitrognio 4 Outros 2

Tabela 4: Composio tpica de gs combustvel

O uso do leo combustvel com teores de enxofre de at 1% podem ocasionar

srios problemas de corroso nos equipamentos. Segundo Gentil, o dixido de

enxofre e o trixido de enxofre so os mais frequentes constituintes corrosivos nas

atmosferas industriais em razo da queima de leos combustveis. Na presena de

umidade e temperaturas baixas (em torno de 110C), cido sulfrico e sulfuroso

podem se formar e condensar no interior dos equipamentos do PAF conforme as

seguintes reaes:

SO2 + H2O H2SO3 SO3 + H2O H2SO4

SO2 + 1\2 O2 + H2O H2SO4

A queima de leos combustveis pode possibilitar a formao de carbono na

forma de fuligem que ao se depositar nas superfcies internas age como meio

adsorvente dos gases SOx facilitando a formao e condensao do cido sulfrico

(Gentil,1996).

23

2.5 O pr-aquecedor de ar para os fornos

O regenerador de Ljungstrm um tipo especfico de trocador de calor

regenerativo empregado em operaes nas quais a razo de transferncia de

calor de importncia fundamental. Este equipamento promove a troca trmica

entre correntes gasosas, sendo adaptvel a muitas aplicaes industriais que

tenham tal necessidade.

Trata-se de um equipamento consagrado e projetado para operao

ininterrupta em longas campanhas.

A figura 8 apresenta um regenerador Ljungstrom com seus principais

componentes e os fluxos das correntes envolvidas.

Figura 8: Pr-aquecedor de Ar Ljungstrm (http://steamofboiler.blogspot.com.br)

24

Nos fornos de aquecimento de petrleo ele utilizado para promover a troca

de calor entre o ar usado na queima de combustveis (corrente fria) e os gases de

combusto (corrente quente). O gs quente escoa sobre a superfcie dos elementos

metlicos comumente denominados de matriz, aumentando a sua temperatura.

medida que o rotor gira, os elementos aquecidos se movem para dentro da corrente

de ar frio que entra em sentido oposto, aumentando a sua temperatura.

Os trocadores de calor rotativos so produzidos em diversos tamanhos,

dependendo da aplicao. Elementos de troca trmica diferentes so

especificamente projetados para combustveis ou aplicaes especficas, com o

desempenho refletindo um compromisso entre a resistncia eroso ou fuligem e a

eficincia da transferncia de calor.

Ao movimentar grandes quantidades de gs ou ar, os trocadores de calor

regenerativos rotativos so uma soluo extremamente eficiente e compacta. A

razo disto que ambas as superfcies de cada chapa do elemento so usadas

simultaneamente para a transferncia de calor, ao girarem atravs tanto do lado de

gs quanto do ar.

2.5.1 Vazamentos

Em um regenerador rotativo a ocorrncia de vazamento do gs de maior

presso para a corrente de gs de menor presso inevitvel, pois h a

necessidade de pequenas folgas de trabalho entre o rotor e a carcaa. Essas folgas

permitem o funcionamento correto do equipamento, impedindo um possvel

travamento da matriz de elementos rotativos durante a operao.

De uma maneira geral, em sistemas que utilizam regeneradores rotativos, a

corrente de fluido frio que passa pelo equipamento mais pressurizada que a de

fluido quente e os vazamentos decorrentes desta caracterstica so denominados de

vazamentos radiais.

Vazamentos axiais tambm ocorrem no regenerador, mas no tm relao

com a diferena de presso entre as correntes, j que no acontecem de uma

corrente para outra (Mioralli, 2009). A figura 9 ilustra as folgas de vazamentos

descritas.

25

Figura 9: Folgas de vazamentos do pr-aquecedor regenerativo (Petrobras)

3. Apresentao do problema

Todo sistema que opera em regime contnuo deve periodicamente passar por

algum tipo de manuteno. Nos trocadores de calor rotativos os problemas mais

observados na prtica so a corroso dos elementos da matriz, perda de eficincia,

desbalanceamento do conjunto rotativo, deformao de eixos, mancais danificados,

danos no redutor de velocidade e vazamentos por corroso da selagem.

O PAF, objeto de estudo deste trabalho, foi submetido inspeo na ltima

parada da unidade, quando foram evidenciados danos nos selos radiais, ocasionado

26

pela fadiga das peas. Estas chapas de selagem, conforme mostra a figura 10,

esto projetadas para passarem rente chapa da carcaa do permutador, reduzindo

o vazamento.

Todavia, como em decorrncia de corroso da carcaa havia uma superfcie

irregular de vedao, na ltima parada foi instalada uma chapa plana sobre esta

superfcie. A deformao desta chapa causou interferncia com as selagens radiais

e os ciclos de deformaes acarretaram a fadiga. (Como o rotor gira a cerca de 3

RPM, a cada dia eram mais de 1440 ciclos). As fotos da figura 10 mostram as

selagens radiais do lado frio com danos causados pela fadiga.

Figura 10: Danos causados pela fadiga nas selagens radiais.

Apesar de j conhecidos os danos no PAF, necessrio dimensionar os

custos operacionais dos mesmos para a deciso da viabilidade econmica da sua

substituio. 4. Anlise Tcnica

4.1 Dados de projeto e sintomas

A tabela 5 mostra os dados de projeto para o permutador Ljungstrom do

sistema objeto de estudo deste trabalho para 100% da carga trmica dos fornos.

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Vazo (t/h) AR

Entrada 150,94 Sada 136,2

GASES Entrada 146,46

Sada 161,2

Temperatura (C)

AR Entrada 60 Sada 332

Gases Entrada 415

Sada Sem vazamento 180 Com vazamento 170

Tabela 5: Dados de projeto do trocador regenerativo Ljungstrm.

Considerando as temperaturas de entrada e sada do gs e do ar no

permutador na situao sem vazamento do projeto temos a seguinte relao:

Tar / Tgs = 1.16 (Eq. 9)

Onde:

T ar = Temperatura de sada do ar Temperatura de entrada do ar

T gs = Temperatura de entrada do gs Temperatura de sada do gs

A figura 11 mostra as condies do processo para os parmetros de

temperatura dos fluidos envolvidos:

Figura 11: Temperaturas de entrada e sada dos gases e do ar no PAF

28

A anlise dos dados mdios do grfico permite o clculo pela equao (9) da

relao obtida nas atuais condies operacionais chegando ao resultado de 1,01. Admitindo a passagem da corrente de ar saindo junto com os gases frios, este valor

caracteriza um sintoma de vazamento no PAF, pois o vazamento de ar frio diminuiria

a temperatura de sada dos gases, diminuindo a razo T.

A comparao dos teores de O2 nos gases de combusto em diferentes

pontos do sistema, quais sejam radiao (%O2rad), antes do PAF (%O2ap) e depois

do PAF (%O2dp), permite confirmar o percentual de vazamentos.

Uma relao T > 1.16 seria explicada com uma possvel infiltrao de ar falso no forno causado por problemas de vedao. Para este caso:

%O2rad < %O2ap %O2dp

Para uma relao T < 1.16 temos duas possveis causas:

Vazamento pelo damper da chamin. Neste caso os teores de oxignio nos

diferentes pontos no variam significativamente.

Vazamento no PAF. Comprovado pelo aumento significativo no teor de

oxignio depois do trocador no lado dos gases.

Os dados dos analisadores contnuos de O2 no processo reforam o diagnstico

de vazamento pela diferena de 4 a 5% nos valores dos teores de O2 antes e depois

do PAF demonstrados na figura 12:

Figura 12: Teores de O2 (%) antes e depois do PAF

29

4.2 Balanos de energia e massa

A figura 13 representa o volume de controle do pr-aquecedor:

Figura 13: Volume de controle

A ferramenta utilizada para o tratamento de dados foi a construo de uma

planilha em Excel, conectada aos servidores de dados das unidades de

processamento da refinaria, que permite calcular as mdias dos valores de processo

em um perodo definido pelo usurio. Devido constante mudana nas condies

operacionais do sistema e ao grande nmero de variveis, os dados de processo

que sero aplicados nas equaes de balano so valores mdios e os perodos

escolhidos so aqueles em que a unidade est processando sua capacidade

mxima de vazo de petrleo.

4.3 Demonstraes do clculo

As tabelas 6 e 7 mostram uma compilao de dados extrados da planilha

para um dado perodo, sendo que a vazo volumtrica dada pelos instrumentos do

processo e a vazo mssica de ar foi calculada multiplicando-se pela densidade do

ar 1,29 Kg/ m3 (Incropera, 2008) e a vazo mssica de gs combustvel pela

densidade mdia do gs 0,82 kg/m3 (Dados Petrobras).

Gases Frios Gases quentes

Ar frio Ar quente (VAR)

PAF

Ar do vazamento

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Variveis de Processo Vazo (Nm3/h) Vazo Mssica (kg/h)

Vazo de ar para o Forno A 66239 85448

Vazo de ar para o Forno B 63955 82502

Vazo total de ar para os fornos (VAR) 130194 167950

Vazo de GC Forno A 4054 3324 Vazo de GC Forno B 4115 3375

Vazo total de GC 8170 6699

Gases de combusto Forno A 70293 88772

Gases de combusto Forno B 68071 85877 Total 138363 174649

Tabela 6: Vazes mdias das correntes envolvidas

Conforme a as premissas tericas do item 2.1.4 aplica-se a equao (8) para

o clculo dos fluxos de calor de cada corrente, utilizando os valores de processo,

obtendo os seguintes resultados:

Q= m. Cp. T m (kg/h) Cp (kcal/kg.C) T (C)

Fluxo de Calor recebido pelo ar (Gcal/h) 12,1 167950 0,245 293

Fluxo de Calor cedido pelos gases (Gcal/h) 13,9 174649 0,295 270

(Qd) Diferena (Gcal/h) 1,8

Tabela 7: Dados de clculo dos fluxos de calor envolvidos

A tabela 7 nos permite concluir que h uma diferena (Qd) entre o calor

cedido pelos gases e o calor com que o ar sai do regenerador. Essa diferena

atribuda ao calor cedido ao ar que vaza para a corrente de gases, uma vez que o

calor perdido para o ambiente desprezvel, devido s caractersticas j descritas

no item 2.5 deste trabalho. Essa a diferena de fluxo de calor que est deixando

de ser aproveitado para o aquecimento do ar que vai para a queima. Podemos

31

estimar a vazo mssica de ar vazando (Vav) aplicando este valor diretamente na

equao de fluxo de calor:

Vav = (10)

Vav= 67879 kg/h

x 100 (11)

Substituindo os valores na equao (10) e (11) com os dados da tabela 7

obtemos um percentual de vazamento de 28,7 %. Este valor est bem acima dos

nveis normais de vazamento do equipamento que esto entre 7 e 10% da vazo de

ar do ventilador.

5. Anlise econmica 5.1 A anlise por consumo de combustvel

Quando se fala do consumo de energia de uma determinada planta de

produo de uma indstria, no se refere apenas ao consumo de energia eltrica,

mas sim somatria de todas as fontes de energia utilizadas, tais como os

combustveis.

Como cada combustvel possui determinada quantidade de energia para cada

unidade de massa consumida (PCI), no correto apenas somar as quantidades

utilizadas de combustvel entre si. Antes de efetuar essa soma, faz-se necessrio

traduzir cada combustvel em uma unidade comum, expressa em kg de leo

Combustvel Padro Equivalente (kg OCPE). Logo, o consumo total de energia de

uma refinaria pode ser expresso em massa OCPE por determinado espao de

tempo (hora, dia, ms).

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Com o fluxo de calor perdido no ar que vaza demonstrado na tabela 7

converte-se essa energia perdida para OCPE obtendo o valor de 190 kg/h.

Dados de clculo OCPE

Reduo do calor perdido (kcal/h) 1.862.628

Poder calorfico inferior (kcal/kg) 9.833* Economia de combustvel (kg/h) 190 Custo do combustvel (US$/kg) 0,50*

Economia anual (US$) 820.800

Tabela 8: Clculo de economia de combustvel (* Dados Petrobras)

5.2 O impacto na produo de diesel

Conforme descrito no item 2.3.1 os fornos da unidade podem apresentar

limitaes nas suas cargas trmicas ao processar petrleos mais leves. Isso se d

pela maior quantidade de calor latente necessria para vaporizao.

Para manter a quantidade de processamento, nestes casos o petrleo acaba saindo

dos fornos em uma temperatura mais baixa, por exemplo, em torno de 367C. A

consequncia deste fato que parte da retirada na torre atmosfrica que seria para

a corrente de diesel acaba degradando para a corrente de fundo de resduo

atmosfrico. Os clculos da engenharia de otimizao chegaram a um valor de 1,5%

de diesel que se perde para o fundo da torre.

Diante destas limitaes, qualquer incremento na capacidade trmica dos

fornos representa um ganho na produo de diesel, derivado com valor agregado

maior. Cada m3 de diesel degradado est estimado em um custo de

aproximadamente US$ 200,00. Para uma carga de processamento de 20000m3/dia,

considerando que esta limitao ocorra em 70% do tempo, teremos um aumento de

receita na ordem de US$ 42000 / dia totalizando US$1.260.000 por ms.

(20.000 m3/dia) x 0,015 x (200,00 US$/ m3) x 0,70 = US$ 42.000,00 / dia

33

5.3 Investimentos para um novo pr-aquecedor

Os servios de instalao, alm da compra de um novo equipamento, tm

grande impacto no custo final do empreendimento, uma vez que a dimenso das

mquinas, a complexidade das atividades envolvidas e a mo-de-obra especializada

so os fatores que contribuem para o aumento do preo final. A compra de um novo

PAF est cotada em US $ 6 0 0 . 0 00 . Os servios de instalao so estimados em US $ 5 5 0 . 0 0 0 .

O total do investimento de cerca de US $ 1 . 1 5 0 . 0 00 . Nota-se que este valor ser recuperado em menos de um ms, considerando o clculo do rendimento

de diesel apresentado no item 5.2. Deste patamar em diante, retirada a limitao

atual, os ganhos sero significativos, tanto do ponto de vista da produo de diesel,

quanto na economia de energia.

34

6. CONCLUSO

As inspees nas ltimas paradas de manuteno do PAF j indicavam um

potencial de vazamento de ar no equipamento. O objetivo deste trabalho foi o de

analisar os sintomas e dar um dimensionamento aos vazamentos. O mtodo

adotado foi o balano trmico e anlise dos teores de O2 no sistema. Desta forma:

Pela anlise da economia de combustvel, se conclui que o retorno do valor

total de investimento, deve se dar em aproximadamente 17 meses.

Analisando o impacto na produo pode-se afirmar que se est perdendo em

rendimento de diesel um pouco mais que um regenerador novo e instalado

por ms.

Quando o forno a principal restrio em uma unidade de destilao de

petrleo todo o calor que pode ser recuperado vai para o aquecimento do

petrleo, permitindo desta forma temperaturas de sada maiores, o que

impacta diretamente na produo de diesel.

Identificadas essas situaes, recomenda-se a substituio do regenerador

Ljungstrm, que dever ser feita o quanto antes, avaliando-se um perodo em que se

possa operar com os dois fornos em tiragem natural, uma vez que possvel a

realizao dos servios com a unidade em operao.

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REFERNCIAS ANNARATONE, D. Engineering Heat Transfer. 1ed. Berlim: Springer, 2010. 328p. BRASIL, I. N. Processamento de Petrleo e Gs. 1ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010. FARAH, M.A. Petrleo e seus derivados. 1ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.261p. GARCIA, R. Combustveis e combusto industrial. 1ed. Rio de Janeiro: Intercincia, 2002.

GENTIL, V. Corroso. 3ed. Rio de Janeiro: LTC, 1996.345p. http://steamofboiler.blogspot.com.br acessado em 10/10/2012.

INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P.; BERGMAN, T. L.; LAVINE, A.S. Fundamentos de transferncia de calor e massa. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC,2008.643p. LIEBERMAN N. P.; LIEBERMAN E.T. A Working Guide to Process Equipment. 2ed. Londres: Mc-Graw Hill, 2008. 425p.

KING, M. Process Control: A Practical Approach. 1ed. Londres: Wiley, 2011. MIORALLI, P. C. Transferncia de Calor em um Regenerador Rotativo com Perda de Carga Estabelecida nos Dutos da Matriz. 2009. Tese de Doutorado em Engenharia Mecnica Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2009.

PUJAD, P.R.; JONES D.S.J. Handbook of Petroleum Processing. 1ed.Berlim: Springer, 2006.

VINAYAGAM, K. Understand the secrets of fired heaters tuning. Hydrocarbon Processing, 2007.

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