SÃO NECESSÁRIOS INTERNOS NAS SEÇÕES DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR DE COLUNAS
DE DESTILAÇÃO ?
IS IT NECESSARY TO USE INTERNALS IN HEAT TRANSFER
SECTIONS OF REFINERY COLUMNS ?
¿SON NECESARIOS INTERNOS EN LAS SECCIONES DE
TRANSFERENCIA DE CALOR DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN?
Silvia Waintraub1
Glaucia Alves da Silva Torres2
Flávio Martins de Queiroz Guimarães3
Bruno de Almeida Barbabela4
RESUMO
Estudos e projetos recentes mostraram a grande vantagem de se usar empty spray sections em algumas regiões de
torres, tais como seções de refluxo circulante de gasóleo em torres a vácuo e zonas de lavagem em fracionadoras
principais de unidades de coqueamento.
A Petrobras tem seis torres a vácuo operando com empty spray sections. Quatro dessas colunas foram projetadas
pela Badger Limited em 1975 para a produção de lubrificantes com as seções de refluxo circulante de topo sem
internos, somente com os distribuidores do tipo spray. As outras duas torres, para produção de combustíveis,
obtiveram um acréscimo na transferência de calor na região de GOP pela adição de uma empty spray section
acima do leito de recheio existente.
Foram realizados testes operacionais e análise com Fluido Dinâmico Computacional (CFD), a fim de se avaliar o
desempenho de algumas dessas empty spray sections em refinarias da Petrobras.
Foram levantados perfis de temperaturas radiais em vários níveis dessas seções para permitir a determinação da
qualidade da distribuição de líquido e de vapor e da altura necessária para cada troca térmica desejada.
A técnica de CFD foi usada para modelar a transferência de calor em seções sem recheio. A má distribuição de
vapor e a influência de sua velocidade (via fator Cs) foram também estudadas.
ABSTRACT
Recent studies and some designs have shown a great advantage of using empty spray sections in some regions of
towers, such as gas oil pumparounds in vacuum towers and wash oil chambers in coker main fractionators.
1
CENPES/EB/FCS
e-mail: [email protected]
2
AB-RE/TPF
3
Chemtech
4
Chemtech
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
366
Petrobras has six vacuum towers operating with empty spray sections. Four of the columns were designed by
Badger Limited in 1975 to produce lube oil with the top pumparound sections having no internals, just spray
nozzle distributors. The other two, both fuel oil type, had the heat transfer increased in the HVGO region by an
addition of empty spray sections above the existing packing beds.
Plant tests and CFD analysis were conducted in order to evaluate the performance of some of these empty spray
sections in PETROBRAS’s refineries.
Radial temperature surveys were collected at several levels to allow the determination of the distribution quality
profile and the height necessary to exchange the desired heat amount.
CFD analysis was used to model the heat transfer in sections without packing. Vapor maldistribution and the
influence of vapor velocity (C factor) were also studied.
RESUMEN
Estudios y proyectos recientes mostraron la gran ventaja de usar empty spray sections en algunas regiones de
torres, tales como secciones de reflujo circulante de gasóleo en torres a vacío y zonas de lavado en
fraccionadoras principales de unidades de coqueamiento.
La Petrobras tiene seis torres a vacío operando con empty spray sections. Cuatro de esas columnas fueron
proyectadas por la Badger Limited en 1975, para producción de lubricantes con las secciones de reflujo
circulante de parte superior sin internos, solamente con los distribuidores del tipo spray. Las otras dos torres,
para producción de combustibles, obtuvieron un incremento en la transferencia de calor en la región de GOP por
la adición de una empty spray section encima del lecho de relleno existente.
Fueron realizadas pruebas operacionales y análisis con Fluído-Dinámica Computacional (CFD) a fin de evaluar
el desempeño de algunas de esas empty spray sections en refinerías de la Petrobras.
Fueron levantados perfiles de temperaturas radiales en vários niveles de esas secciones para permitir la
determinación de la calidad de la distribución de líquido y de vapor, y de la altura necesaria para cada
intercambio térmico deseado.
La técnica de CFD fue usada para modelar la transferencia de calor en secciones sin relleno. La mala
distribución de vapor y la influencia de su velocidad (vía factor Cs) fueron también estudiadas.
1.
INTRODUÇÃO
As torres de destilação de refinarias têm, em geral, dois tipos de regiões: seções de fracionamento e
seções de troca térmica. Os dispositivos de contato direto normalmente usados nas seções de troca
térmica são pratos, recheios ou grades.
Nas torres a vácuo é necessário se ter a menor queda de pressão possível, a fim de se poderem vaporizar
as frações mais pesadas do petróleo. Por esse motivo, a maioria das colunas a vácuo das refinarias opera
com recheios. Quando o recheio é removido e apenas o distribuidor de líquido do tipo spray permanece
nessas seções de transferência de calor, a região é chamada empty spray section.
O emprego de seções sem internos em regiões de transferência de calor de torres a vácuo permite uma
operação de corte mais profundo, em virtude da redução da queda de pressão na coluna, resultando
numa menor pressão na zona de vaporização, em um aumento na produção de gasóleos e numa redução
do rendimento de resíduo de vácuo (RV).
Estudos feitos por simulação mostram que a redução de 1 mmHg na pressão resulta no acréscimo de
aproximadamente 0,3 % no rendimento de gasóleos. Isso representa um lucro de cerca de 13 milhões de
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
367
dólares por ano, numa unidade típica com vazão de 30.000 m3/d. Outros benefícios são o decréscimo no
investimento e no custo de manutenção.
Estudos anteriores (Cai & Kunesh, 1999, Kunesh, 1993, Ognisty, 1990 Ognisty & Kao, 1988)
mostraram que distribuidores do tipo spray são um meio eficiente de transferência de calor por contato
direto, e que virtualmente todo o calor se transmite numa curta distância da saída do bocal.
A Petrobras tem quatro torres a vácuo na Reduc, projetadas pela Badger Limited em 1975, sem
qualquer interno na seção de refluxo de topo. Neste trabalho são mostrados os resultados de testes de
corrida realizados em uma dessas torres (T-7104 da U-1710) e na torre T-201 da U-02 da Refap, a fim
de estudar essas empty spray sections, bem como a análise de CFD usada para modelá-los.
2.
PRIMEIRO TESTE DE CORRIDA: TORRE A VÁCUO PARA LUBRIFICANTES
(T-7104 da U-1710 – REDUC)
2.1.
Descrição
Na figura 1 é apresentado um esquema simplificado da torre de vácuo testada. Pode-se notar que esta
possui pratos, diferentemente das modernas, que usam recheios. Observe-se também que a seção de
topo não possui internos, mas apenas o distribuidor de líquido.
EM PTY SPR A Y SEC TIO N
GOL
VR
AR
Fig. 1 – Esquema da primeira torre de vácuo.
Fig. 1 – First vacuum tower sketch.
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
368
O teste de corrida consistiu na variação da vazão do refluxo de GOL de topo e medições simultâneas
dos perfis de temperatura, cargas térmicas e avaliação da altura necessária para efetuar cada troca
térmica. Os casos foram divididos entre a vazão normal de refluxo circulante, uma vazão maior e outra
menor e denominados casos base, máximo e mínimo.
Foram abertas janelas radiais no isolamento da torre, oito em cada nível de altura, num total de onze
níveis e 88 pontos de medição, com uma distância de 400 a 500 mm entre níveis adjacentes, para a
medição de temperaturas com um pirômetro a laser e determinação da qualidade do perfil de
distribuição, bem como da altura de espaço vazio necessária para efetuar cada troca térmica desejada.
29500 mm
29000 mm
28500 mm
28000 mm
27500 mm
26500 mm
26100 mm
25700 mm
25300 mm
24900 mm
24500 mm
Fig. 2 – Níveis de temperaturas radiais.
Fig. 2 – Radial temperature levels.
2.2.
Resultados do Primeiro Teste de Corrida
Na tabela I pode-se observar que a empty spray section funciona. Com uma maior vazão de refluxo
circulante de GOL, as temperaturas de topo e da panela de GOL diminuem, enquanto que seu
rendimento aumenta, indicando um aumento de calor transferido na seção. O oposto ocorre quando a
vazão de refluxo é reduzida.
TABELA I
RESULTADOS DA SEÇÃO DE TOPO
TABLE I
TOP SECTION RESULTS
Vazão de Refluxo de GOL
Normal
BASE
Temperatura de Topo ( °C)
Temp. da panela de GOL ( °C) BASE
Vazão de GOL ( m3/d )
BASE
Máximo Mínimo
-13
+29
-23
+14
+31
-29
Os resultados das medições das temperaturas radiais estão nas tabelas de II a V.
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
369
Podemos concluir, a partir dos dados das Tabelas de II a IV que :
•
Há boa distribuição de líquido e vapor
•
A transferência de calor ocorre na região inferior da seção
•
A região superior é isotérmica
•
A altura necessária diminui quando a vazão de refluxo aumenta
TABELA II
RESULTADOS PARA VAZÃO DE REFLUXO NORMAL
TABLE II
NORMAL REFLUX RESULTS
Altura
(mm)
29500
29000
28500
28000
27500
26500
26100
25700
25300
24900
24500
1
48
47
46
44
44
45
51
55
64
100
135
Temperaturas Radiais (°C)
2
3
4
5
6
7
52
46
44
48
44
42
48
45
43
48
42
43
47
43
43
47
43
43
48
43
43
46
43
43
47
45
43
45
44
44
48
46
45
48
46
44
48
48
46
51
49
46
52
49
47
52
49
47
55
53
49
63
57
48
70
75
58
92
90
66
134 126 121 134 133 117
8
43
43
43
43
44
47
47
47
50
59
118
∆T Max.
(°C)
10
6
4
5
4
4
5
8
14
41
18
T Média
(°C)
46
45
44
44
45
46
48
50
55
76
127
TABELA III
RESULTADOS PARA VAZÃO DE REFLUXO MÁXIMA
TABLE III
MAXIMUM REFLUX RESULTS
Altura
(mm)
29500
29000
28500
28000
27500
26500
26100
25700
25300
24900
24500
1
44
44
45
45
44
44
49
49
50
57
99
Temperaturas Radiais (°C)
2
3
4
5
6
7
48
46
44
43
41
44
47
47
46
44
42
44
47
47
43
42
42
45
47
45
44
46
44
46
47
46
44
46
44
46
47
46
46
46
47
44
49
48
47
49
48
46
49
48
47
49
47
46
50
48
49
50
49
45
52
53
49
52
51
49
108 98
99
99
91
86
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
8
42
44
44
44
47
47
46
46
46
47
94
∆T Máx.
(°C)
7
5
5
3
3
3
3
3
5
10
22
T Média
(°C)
44
45
44
45
46
46
48
48
48
51
98
370
TABELA IV
RESULTADOS PARA VAZÃO DE REFLUXO MÍNIMA
TABLE IV
MINIMUM REFLUX RATE RESULTS
Altura
(mm)
29500
29000
28500
28000
27500
26500
26100
25700
25300
24900
24500
1
63
67
60
57
58
60
73
84
104
139
156
Temperaturas Radiais (°C)
2
3
4
5
6
7
64
61
57
67
60
56
63
60
54
67
57
56
62
58
54
58
56
56
61
54
54
58
57
56
61
58
53
57
59
57
63
57
58
63
60
54
70
64
60
68
66
58
72
69
61
72
67
62
82
82
68
90
86
71
104 102 82 116 118 98
152 142 137 149 155 132
8
57
54
56
56
57
61
62
66
76
85
133
∆T Máx.
(°C)
8
13
6
7
8
9
10
23
36
57
24
T Média
(°C)
61
60
58
57
58
60
65
69
82
106
145
A altura necessária para transferir o calor necessário é baixa, variando de 800 mm a 2 m, como se pode
ver na tabela V.
TABELA V
VARIAÇÃO DA TEMPERATURA RADIAL MÉDIA COM A ALTURA
TABLE V
VARIATION OF RADIAL MEDIUM TEMPERATURES WITH HEIGHT
∆T 29000-29500 (+ 5000 mm) (°C)
∆T 28500-29000 (+ 4500 mm) (°C)
∆T 28000-28500 (+ 4000 mm) (°C)
∆T 27500-28000 (+ 3500 mm) (°C)
∆T 26500-27500 (+ 3000 mm) (°C)
∆T 26100-26500 (+ 2000 mm) (°C)
∆T 25700-26100 (+ 1600 mm) (°C)
∆T 25300-25700 (+ 1200 mm) (°C)
∆T 24900-25300 (+ 800 mm) (°C)
∆T 24500-24900 (+ 400 mm) (°C)
Altura Estimada (m)
Normal
1
1
0
1
1
2
2
5
21
51
1.2
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
Caso
Máximo
1
1
1
1
0
2
0
0
3
47
0.8
Mínimo
1
2
1
1
2
5
4
13
24
39
2.0
371
3.
SEGUNDO TESTE DE CORRIDA : TORRE A VÁCUO PARA COMBUSTÍVEIS
(T-201 da U-02 - REFAP)
3.1.
Descrição
Esta torre a vácuo foi projetada com um leito de fracionamento GOL/GOP, o qual foi removido após
uma parada, e o distribuidor de líquido de refluxo de GOL para este leito permaneceu na torre.
Parte do reciclo frio de GOP foi enviado para este distribuidor, funcionando como uma nova empty
spray section, e o restante continuou sendo enviado para o distribuidor do leito de troca térmica de
GOP.
O teste consistiu em dividir o calor do reciclo de GOP entre essas duas regiões: a nova empty spray
section e o antigo leito de troca térmica do GOP. A vazão total de reciclo foi fixada em 3700 m3/d e, em
cada etapa, a vazão de GOP para o leito com recheio foi reduzida em 500 m3/d e a da empty spray
section acrescida do mesmo valor. Os cinco passos do teste estão mostrados na tabela VI.
TABELA VI
ETAPAS DO TESTE DA SEGUNDA TORRE DE VÁCUO
TABLE VI
STEPS OF THE SECOND VACUUM TOWER TEST
Passo
Vazão de refluxo de GOP p/ o leito (m3/d)
Vazão de refluxo de GOP p/ a empty spray
section (m3/d)
Vazão total de refluxo de GOP ( m3/d )
1
3700
2
3200
3
2700
4
3200
5
3700
0
500
1000
500
0
3700
3700
3700
3700
3700
Termopares radiais foram conectados ao sistema de SDCD, quatro em cada nível, num total de quatro
níveis e 16 pontos, para medição das temperaturas e determinação da qualidade do perfil de
distribuição, bem como a altura necessária para a troca térmica desejada. Um esquema simplificado da
região da torre que foi estudada está mostrado na figura 3.
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
372
D-
°
GOL
8”
G1-
HVGO
J-
Termopares existentes
Termopares radiais do Nível 1
Termopares radiais do Nível 2
Termopares radiais do Nível 3
Termopares radiais do Nível 4
Fig. 3 – Esquema da segunda torre de vácuo.
Fig. 3 – Second tower sketch.
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
373
3.2.
Resultados do Segundo Teste de Corrida
A transferência de calor na empty spray section foi confirmada.
Diferentemente do primeiro teste, não foi possível determinar a altura necessária para cada troca
térmica desejada. Observou-se má distribuição do vapor e do líquido.
Depois do teste, a equipe de manutenção explicou que os bocais do distribuidor que foi mantido no leito
de fracionamento antigo tinham sido trocados por outros de baixo desempenho e que estavam
localizados originalmente em outro distribuidor. Portanto, o perfil de temperaturas radiais estava
coerente com a má qualidade do distribuidor.
Como se pode observar na tabela VII, um aumento na vazão para a empty spray section resulta num
decréscimo na produção de GOL e na temperatura de sua panela e num aumento da produção de GOP.
TABELA VII
RESUMO DOS RESULTADOS DO SEGUNDO TESTE
TABLE VII
SUMMARY OF THE SECOND TEST RUN RESULTS
Passo
Vazão de refluxo de GOP p/ o leito (m3/d)
Vazão de refluxo de GOP p/ a empty spray section –
distribuidor de fracionamento (m3/d)
Vazão total de refluxo de GOP (m3/d)
Vazão de GOL (m3/d)
Temperatura da panela de GOL (°C)
Vazão de GOP (m3/d)
Temperatura da panela de GOP (°C)
1
3700
2
3200
3
2700
4
3200
5
3700
0
500
1000
500
0
3700
Base
Base
Base
Base
3700
-135
-7
+120
+0
3700
-125
-9
+110
+1
3700
-121
-6
+125
+1
3700
Base
Base
Base
Base
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
374
As diferenças de temperatura entre cada nível dos termopares radiais estão mostradas na figura 4. Os
valores são elevados, indicando um mau perfil de distribuição.
∆T RADIAL
76
70
60
50
NÍVEL 1
40
NÍVEL 2
°C
30
NÍVEL 3
20
NÍVEL 4
10
1
2
Fig. 4 – Diferenças nas temperaturas radiais.
Fig. 4 – Differences in radial temperatures.
3.3.
3
ETAPA
4
5
Modelo de CFD para o Primeiro Teste de Corrida
Um modelo de Fluido Dinâmica Computacional (CFD) foi proposto usando-se o programa comercial
PHOENICS, da Concentration Heat and Momentum Limited (CHAM Ltd.), uma companhia do Reino
Unido, para reproduzir os resultados do primeiro teste de corrida.
As equações básicas de transporte foram resolvidas usando-se um algorítmo de interphase-slip, que é
um dos mais robustos e validados modelos multifásicos. Os coeficientes de momento específico,
transporte de massa e de calor foram customizados com base nos defaults da PHOENICS, usando-se
uma modelagem estado-da-arte para representar o que ocorre na empty spray section .
Simulações tridimensionais do distribuidor de líquido e das regiões das chaminés de vapor foram
escolhidas para assegurar que planos de simetria pudessem ser usados para simplificar o modelo. O
modelo tridimensional usado no final representa apenas um quarto de todo o domínio, minimizando
assim o tempo de computação. Na figura 5 mostram-se os resultados da geração dos sprays .
Um modelo bidimensional simplificado foi também proposto e validado para ser usado no estudo da
otimização da transferência de calor. O modelo tridimensional foi empregado apenas nos melhores
casos selecionados pelo uso do modelo bidimensional.
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
375
Fig. 5 - Resultados da geração do spray (tridimensional).
Fig. 5 – Spray generation results (three-dimensional).
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
376
Na figura 6 são apresentados os perfis de temperatura da fase vapor gerados pelo modelo bidimensional
simplificado, usando vazões de líquido diferentes e uma velocidade de vapor ascendente constante. É
possível perceber a influência da vazão de refluxo de GOL na altura efetiva da seção de transferência de
calor.
Vazão de refluxo normal
Vazão máxima de refluxo
Vazão mínima de refluxo
Fig. 6 - Perfis de temperatura da fase vapor (bidimensional).
Fig. 6 – Vapor phase temperature profiles (two-dimensional).
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
377
Os perfis horizontais de temperaturas para o caso tridimensional estão mostrados na figura 7 para
diferentes seções e vazão normal de refluxo de GOL (caso base).
Fig. 7 – Perfis de temperatura da fase vapor (tridimensional).
Fig. 7 - Vapor phase temperature profiles (three-dimensional).
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
378
A fim de se estudar a influência da velocidade de vapor na estabilização do cone de spray foi feita uma
análise de sensibilidade com diferentes valores do fator CS . Nas figuras 8 e 9 mostram-se,
respectivamente, os resultados para valores de CS de 0,2 e 0,35 ft/s , vazão normal de refluxo de GOL e
um ângulo dos bocais de spray de 60° .
Perfil de temperatura da fase vapor
Perfil de velocidade da fase líquida
Fig. 8 - Resultados da simulação bidimensional para CS = 0,2 ft/s.
Fig. 8 – Two-dimensional simulation results for Cs = 0.2 ft/s.
Os cones dos sprays são estáveis para baixas velocidades do vapor ascendente e cobrem inteiramente a
seção transversal na fronteira inferior do domínio.
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
379
Perfil de temperatura da fase vapor
Perfil de velocidade da fase líquida
Fig. 9 - Resultados da simulação bidimensional para CS = 0,35 ft/s
Fig. 9 – Two-dimensional simulation results for Cs = 0.35 ft/s
Quando a velocidade do vapor ascendente aumenta, o cone de spray é destruído e a transferência de
calor dentro da seção fica comprometida.
Bol. téc. Petrobras, Rio de Janeiro, 46 (3/4):366 – 382, jul./dez., 2003
380
Na figura 10 mostra-se a influência do uso de dois distribuidores com um ângulo dos bocais dos sprays
de 90°, um situado no topo da seção e o segundo no meio, com uma velocidade de vapor
correspondente a CS = 0,35 ft/s.
Perfil de temperatura da fase vapor
Perfil de velocidade da fase líquida
Fig. 10 - Resultados da simulação bidimensional para dois sprays com CS = 0,35 ft/s
Fig. 10 – Two-dimensional simulation results for two spray distributors and Cs = 0.35 ft/s
Para este caso de uso de um distribuidor intermediário foi possível manter os sprays estáveis com uma
maior velocidade de vapor ascendente. Essa nova configuração de injeção de GOL também melhorou a
transferência de calor, minimizando a altura efetiva necessária.
Esses resultados mostraram que o uso de mais de um nível de sprays é mais eficiente para manter os
cones estáveis e também melhoram o desempenho da seção de troca de calor.
4.
CONCLUSÕES
O desempenho das empty spray sections em torres a vácuo foi avaliado com base nos resultados de
modelos CFD bi- e tridimensionais, em várias condições operacionais. Ambos os modelos foram
calibrados e validados com dados operacionais de torres a vácuo de refinarias da Petrobras. Pode-se
concluir que as empty spray sections funcionam, e que o modelo CFD que foi usado reproduz os dados
experimentais obtidos nos testes.
A transferência de calor em empty spray sections depende das vazões de líquido e vapor.
A transferência de calor para líquidos sub-resfriados ocorre na região inferior da seção; na região
superior a temperatura fica constante.
Ao se aumentar a vazão de líquido a transferência de calor aumenta, e a altura necessária para troca
diminui. O oposto ocorre quando se reduz a vazão de líquido.
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O aumento da vazão de vapor aumenta a altura necessária de troca térmica.
Há um valor máximo da vazão de vapor, acima da qual a forma de cone do spray é perdida.
O uso de dois níveis de distribuidores é recomendado para aumentar a estabilidade dos cones dos sprays
e para reduzir a altura efetiva da seção de transferência de calor. Usando dois distribuidores em níveis
diferentes consegue-se um aumento de capacidade.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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