UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
INDUSTRIAL
Inferência da Curva de Destilação ASTM da
Destilação Atmosférica para Controle Avançado
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511 Projeto de Fim de Curso
Diego Soares Silvestre
Florianópolis, Outubro de 2005
Inferência da Curva de Destilação
ASTM da Destilação Atmosférica para
Controle Avançado
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
Diego Soares Silvestre
Florianópolis, outubro de 2005
2
Inferência da Curva de Destilação ASTM da Destilação
Atmosférica para o Controle Avançado
Diego Soares Silvestre
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
e aprovada na sua forma final pelo
Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial
Banca Examinadora:
Eng. Mário Luiz do Nascimento
Orientador Empresa
Prof. Júlio Elias Normey Rico
Orientador do Curso
Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia
Responsável pela disciplina
Prof. Ricardo Machado, Avaliador
Hamilton Carmezini Junior, Debatedor
Francisco de Assis C. da S. Neto, Debatedor
Agradecimentos
Aos meus pais, Célio e Elenita, que sempre me apoiaram, sempre incentivando a
continuar, a sempre alcançar os meus objetivos, e que fazem parte da minha vida;
A minha namorada, Andréa, pelo incondicional apoio emocional, e a compreensão
pela distância;
Ao meu orientador professor Júlio Normey-Rico, pela sua orientação durante a
vida acadêmica, e pela sua disposição de sempre ajudar quando necessário;
Aos engenheiros Mario Luiz do Nascimento e Marcos Aurélio Evangelista, pela
sua atenção, busca de objetivos para o trabalho, a sempre disposição de explicar
o que às vezes não estava tão claro, e a importância do projeto que foi proposto a
ser realizado;
Aos outros estagiários e funcionários da Refinaria Presidente Getúlio Vargas –
REPAR, que de alguma forma colaboraram na realização deste estágio;
Ao apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo – ANP, e da Financiadora de Estudos
e Projetos – FINEP, por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de
Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT;
E finalizando, a todos os meus amigos que contribuíram, direta ou indiretamente,
para que esse projeto se tornasse realidade.
1
Resumo
Este trabalho apresenta o estudo e implementação de um conjunto de
modificações do software de inferência de qualidade de produtos obtidos a partir
da coluna de destilação atmosférica da REPAR-Petrobras de Araucária –PR. Este
tipo de estudo torna-se necessário cada vez que são introduzidas modificações
nas unidades de processo que utilizam as inferências no seu sistema de controle.
Foram realizadas diversas modificações neste programa, tanto de escrita
de novas funções quanto de ajustes estatísticos, visando adequá-lo a nova
realidade da unidade de destilação atmosférica. Também elaborou-se uma
documentação deste programa para que em futuras modificações da unidade seja
mais fácil realizar os ajustes necessários para a volta da operação correta do
software.
2
Abstract
This work presents the study and implementation of a set of modifications of
the software of inference of quality of products gotten from the column of
atmospheric destillation of the REPAR-Petrobras in Araucária - PR. This type of
study becomes necessary each time that is introduced modifications in the units of
process that use the inferences in its system of control.
Diverse modifications in this program had been carried through, as much of
writing of new functions as in statistical adjustments, aiming at to adjust it to a new
reality of the unit of atmospheric destillation. Also a documentation of this program
was elaborated so that in future modifications of the unit it is more easy to carry
through the necessary adjustments for the return of the correct operation of
software.
3
Sumário
Agradecimentos ...................................................................................................... 1
Resumo ................................................................................................................... 2
Abstract ................................................................................................................... 3
Sumário ................................................................................................................... 4
Índice de Figuras..................................................................................................... 7
Capítulo 1: Introdução ............................................................................................. 8
Capítulo 2: A Repar............................................................................................... 12
2.1: Histórico da Empresa.................................................................................. 12
2.2: A Refinaria .................................................................................................. 12
2.2.1: Interligações......................................................................................... 13
2.3: Setores da REPAR ..................................................................................... 14
2.3.1: Setor de Destilação (U-2100)............................................................... 16
2.4: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 21
Capítulo 3: Destilação Atmosférica ....................................................................... 22
3.1: Fundamentos da Destilação Atmosférica ................................................... 22
3.1.1: Volatilidade........................................................................................... 22
3.1.2: Pressão de Vapor................................................................................. 22
3.1.2.1: Influência da Pressão Externa na Vaporização ............................. 24
3.1.3: Ponto de Bolha e Ponto de Orvalho ..................................................... 24
3.1.4: Pressão de Vapor de uma Mistura Líquida .......................................... 26
3.2: Princípio Geral da Destilação ..................................................................... 27
3.2.1: Razão de Equilíbrio K........................................................................... 29
3.2.2: Volatilidade Relativa............................................................................. 29
3.3: Processos de Destilação ............................................................................ 30
3.3.1: Destilação por Expansão Brusca (Destilação Flash ou Integral).......... 31
3.3.2: Destilação Simples (Destilação Diferencial)......................................... 32
3.3.3: Destilação Fracionada.......................................................................... 32
3.4: Torre Convencional de Destilação.............................................................. 35
3.4.1: Pratos................................................................................................... 36
3.4.2: Recheios .............................................................................................. 37
3.4.2.1: Recheios Randômicos................................................................... 37
3.4.2.2: Recheio Estruturado ...................................................................... 38
3.4.3: Componentes e Seções da Coluna de Destilação Convencional ........ 39
3.4.3.1: Componentes da Coluna ............................................................... 39
3.4.3.2: Seções da Coluna de Destilação................................................... 40
3.4.4: Mecanismo de Funcionamento de uma Torre de Destilação
Convencional ................................................................................................. 41
3.5: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 42
Capítulo 4: Curvas de Destilação e Nível de Fracionamento ................................ 43
4.1: Curvas de Destilação.................................................................................. 43
4.1.1: Curvas ASTM (American Society For Testing And Materials).............. 43
4.1.2: Curva PEV (Ponto de Ebulição Verdadeiro)......................................... 44
4.1.3: Comparação Entre as Curvas ASTM e PEV ........................................ 46
4
4.2: Nível de Fracionamento.............................................................................. 46
4.3: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 49
Capítulo 5: Torre de Destilação Atmosférica (T-2103) .......................................... 50
5.1: Seção de Fracionamento............................................................................ 50
5.2: Seção de Retificação .................................................................................. 51
5.3: Objetivos e Tipos de Refluxos da T-2103 ................................................... 52
5.3.1: Refluxo Interno ..................................................................................... 52
5.3.2: Refluxo de Topo ................................................................................... 52
5.3.3: Refluxo Circulante ................................................................................ 53
5.4: Detalhes dos Produtos e Frações da T-2103 ............................................. 54
5.4.1: Nafta DD (Destilação Direta)................................................................ 54
5.4.2: Querosene ........................................................................................... 54
5.4.3: Gasóleos Atmosféricos (Diesel Leve e Pesado) .................................. 54
5.5: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 55
Capítulo 6: Inferências e Controle Avançado ........................................................ 56
6.1: Inferências – Conceito e Utilidade .............................................................. 56
6.2: Controle Avançado ..................................................................................... 58
6.3: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 59
Capítulo 7: Programa de Inferências da Destilação ASTM ................................... 60
7.1: Introdução................................................................................................... 60
7.1.1: Controle Avançado na Unidade de Destilação Atmosférica ................. 61
7.1.2: Cálculo das Propriedades Internas da T-2103 ..................................... 61
7.1.2.1: Variáveis Calculadas para cada Seção ......................................... 62
7.1.2.2: Inferência da Destilação ASTM dos produtos da T-2103 .............. 62
7.1.3: Considerações Sobre o Fracionamento para o Programa de Inferências
....................................................................................................................... 63
7.2: Visão Geral do Programa Principal de Inferência da Torre Atmosférica..... 66
7.2.1: Declaração das Partes da Torre Atmosférica....................................... 67
7.2.2: Inicialização das Partes da Torre Atmosférica ..................................... 67
7.2.3: Ligação das Partes da Torre Atmosférica ............................................ 68
7.2.4: Loop Principal do Programa de Inferência ........................................... 70
7.3: A Função que Calcula as Propriedades...................................................... 70
7.4: Filtros e Wegstein ....................................................................................... 71
7.5: Visão Mais Detalhada da Função Lê Dados Pertencente ao Loop Principal
........................................................................................................................... 71
7.6: Visão Mais Detalhada da Função Calcula Torre Pertencente ao Loop
Principal ............................................................................................................. 72
7.7: Visão Mais Detalhada da Função Escreve Resultados Pertencente ao Loop
Principal ............................................................................................................. 72
7.8: Funções Importantes Utilizadas Pela Função Calcula Torre ...................... 73
7.9: Funções Auxiliares Contidas Fora do Código do Programa Principal ........ 74
7.10: Inclusão de LCO no Programa ................................................................. 75
7.11: Conclusões do Capítulo............................................................................ 76
Capítulo 8: Ajuste dos Coeficientes Estatísticos do Inferidor ................................ 77
8.1: Criação dos Primeiros Arquivos de Leitura, e Correções Visando Total
Utilização ........................................................................................................... 79
5
8.2: Calibração do Programa com o Conjunto Inicial de Dados Baseado em
Médias ............................................................................................................... 82
8.3: Outliers ....................................................................................................... 85
8.4: Valores Iniciais do Programa e Múltiplas Iterações .................................... 85
8.5: Mais Iterações, e Leitura no Tempo ao Invés de Médias............................ 88
8.6: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 92
Capítulo 9: Diesel Intermediário, Validação, Acompanhamento e Resultados...... 93
9.1: Validação com os Coeficientes Baseados em Médias ............................... 95
9.2: Validação com os Coeficientes Baseados em Leituras no Tempo ............. 96
9.3: Acompanhamento do Programa Rodando no Servidor e Resultados Obtidos
........................................................................................................................... 97
9.4: Problema Encontrado no Acompanhamento, e Soluções......................... 100
9.5: Finalizando o Projeto ................................................................................ 102
9.6: Conclusões do Capítulo............................................................................ 102
Capítulo 10: Conclusões e Perspectivas............................................................. 103
Capítulo 11: Referências Bibliográficas............................................................... 105
6
Índice de Figuras
Figura 1: Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR. ................................................................ 13
Figura 2: Sistema de terminais marítimos e oleodutos da REPAR. ................................................. 14
Figura 3: Fluxograma Geral das Principais Unidades de Processo da Refinaria............................. 15
Figura 4: Unidade de Destilação da REPAR .................................................................................... 16
Figura 5: Fluxograma Simplificado da Unidade de Destilação da REPAR....................................... 17
Figura 6: Torre de Destilação Atmosférica........................................................................................ 19
Figura 7: Torre de Destilação a Vácuo. ............................................................................................ 20
Figura 8: Pressão de Vapor. ............................................................................................................. 23
Figura 9: Ponto de Bolha e Orvalho. ................................................................................................. 26
Figura 10: Destilação Flash............................................................................................................... 31
Figura 11: Destilação Simples........................................................................................................... 32
Figura 12: Destilação Fracionada. .................................................................................................... 33
Figura 13: Destilação Fracionada com Refluxos. ............................................................................. 34
Figura 14: Esquema do Funcionamento de um Prato Valvulado. .................................................... 37
Figura 15: Recheio Randômico (IMTP)............................................................................................. 38
Figura 16: Recheio Estruturado. ....................................................................................................... 39
Figura 17: Esquema de uma Coluna de Destilação.......................................................................... 39
Figura 18: Curva de Destilação ASTM.............................................................................................. 44
Figura 19: Curva de Destilação PEV................................................................................................. 45
Figura 20: Comparação Entre as Duas Curvas. ............................................................................... 46
Figura 21: Fracionamento Perfeito.................................................................................................... 47
Figura 22: Fracionamento Ruim........................................................................................................ 47
Figura 23: Controle Realimentado. ................................................................................................... 56
Figura 24: Controle com Inferidor...................................................................................................... 57
Figura 25: Esquema Geral do Controle Avançado. .......................................................................... 59
Figura 26: Cortes / PEV. ................................................................................................................... 63
Figura 27: Fracionamento em uma Seção da Torre Atmosférica. .................................................... 64
Figura 28: L/V e o fracionamento. ..................................................................................................... 65
Figura 29: Torre de destilação / fracionamento. ............................................................................... 65
Figura 30: Ligação dos Produtos. ..................................................................................................... 68
Figura 31: Ligação das Seções......................................................................................................... 69
Figura 32: Ligação dos Refluxos....................................................................................................... 69
Figura 33: Principais Coeficientes da Inferência............................................................................... 77
Figura 34: Coeficientes da Inferência para T30% do RAT ............................................................... 78
Figura 35: Universo de Operação ..................................................................................................... 79
Figura 36: Diagrama do RCI ............................................................................................................. 80
Figura 37: Detalhe da Curva ASTM de um Produto. ........................................................................ 81
Figura 38: Solucionador .................................................................................................................... 83
Figura 39: T100% QR Inicial ............................................................................................................. 85
Figura 40: T100% QR Múltiplas Iterações ........................................................................................ 87
Figura 41: T100% DL Leitura no Tempo........................................................................................... 90
Figura 42: T10% DP Leitura no Tempo ............................................................................................ 90
Figura 43: Alinhamento dos Produtos da Torre da Destilação Atmosférica Montado no Inferidor... 93
Figura 44: Comparação do T85% Laboratório, Inferência e SICOM ................................................ 98
7
Capítulo 1: Introdução
Este relatório apresenta as atividades desenvolvidas durante o projeto de
fim de curso – PFC em Engenharia de Controle a Automação Industrial na
Refinaria Presidente Getúlio Vargas – UN-REPAR, em Araucária – PR, no período
de 15/02/2005 a 31/07/2005.
Não importa qual a finalidade se vai dar para o petróleo, combustível ou
algum outro produto acabado, praticamente todos os processos de refino a que o
petróleo é submetido passam pela destilação, o que mostra a grande importância
deste processo para uma refinaria de petróleo [ 1 ].
Levando em conta o grande volume de produção de uma refinaria de
petróleo, se percebe a importância de se ter um controle adequado de sua
produção, pois qualquer desajuste pode significar uma perda de milhares de
dólares.
O controle de uma unidade deste porte pode ser dividido em três níveis. No
nível 1 de controle encontram-se todos os controladores tipo PID ou avançados
(feedfoward, cascata,etc.) que controlam diretamente as temperaturas, pressões,
níveis, etc. das diferentes partes da unidade. Os setpoints destes controladores
são comandados por sua vez por um controle preditivo multivariável (nível 2) que
controla de forma geral a qualidade dos produtos (composição, etc.). Finalmente
no 3° nível encontra-se o otimizador que envia para o controle MIMO as
referências, calculadas levando em conta critérios de otimização econômica da
produção.
No controle de nível 2 de uma unidade de destilação atmosférica, é
necessário manter a qualidade dos produtos dentro de determinadas condições.
Para isto é necessário que o sistema de controle receba informação confiável das
variáveis que medem esta qualidade. Neste ponto, uma das principais dificuldades
é o grande tempo necessário para que a análise da qualidade dos produtos que
estão sendo destilados seja realizada.
Para contornar este problema, se utiliza comumente softwares de inferência
de qualidade destes produtos. Estes softwares utilizam medições de diversas
8
variáveis disponíveis em tempo real e um modelo matemático que calcula a partir
das mesmas os valores das variáveis que deseja-se controlar. Assim tem-se,
antecipadamente, uma “inferência” do verdadeiro valor da variável a controlar que
pode ser usado no sistema de controle.
A REPAR utiliza normalmente este software no sistema de controle da
unidade de destilação atmosférica. Em 2004, ocorreram modificações na unidade
de destilação atmosférica, visando aumentar a produção da mesma (este
processo de reforma é chamado de REVAMP). Com estas alterações na unidade,
o programa de inferências que era utilizado parou de funcionar corretamente. Isso
se deu pelas alterações inseridas na torre atmosférica, em conjunto com a
alteração das frações que eram mandadas para esta torre, e pela introdução de
uma torre pré-flash para pré-processar a alimentação da coluna de destilação
atmosférica.
Atualmente, é necessário esperar cerca de quatro horas até que
modificações nas variáveis de controle da torre atmosférica (pressão e
temperatura das várias panelas da torre, vazão dos produtos, de carga da unidade
e de vapor introduzido na torre) apareçam na curva de destilação dos produtos,
que é o que se deseja controlar. Essa demora se deve ao tempo necessário para
que o produto chegue até os pontos de amostragem, além do tempo que leva a
análise do laboratório.
Mesmo sendo utilizados bonecos (modelos) para cada tipo de petróleo,
que permitem ter uma noção “grosseira” dos pontos de cortes dos produtos, se
perde um tempo significativo para se ajustar com precisão os pontos de cortes
conforme desejado, se perdendo tempo e dinheiro na operação desta unidade.
Com a volta da utilização da inferência da curva de destilação destes
produtos, se busca eliminar este “tempo morto” e aumentar a confiabilidade do
processo. Além disso, é possível voltar a utilizar o controle avançado da unidade,
e com isso manter o sistema mais tempo dentro da janela ótima de operação
calculada pelo otimizador.
Os objetivos deste projeto aqui relatado, foram o de reunir os códigos fonte
do programa de inferência original dos produtos da unidade de destilação
9
atmosférica da REPAR, estudar e documentar o funcionamento do programa, e
realizar as modificações necessárias para que o software volte a funcionar
corretamente, sendo futuramente utilizado novamente pelo controle avançado da
unidade de destilação.
Com esses objetivos em mente, primeiramente se buscou conhecer a
refinaria e os processos da mesma, com uma certa ênfase na unidade de
destilação atmosférica (U-2100). Após essa etapa inicial, reuniram-se os vários
pedaços de código fonte que formavam o programa original, e realizou-se um
estudo tanto dos códigos quanto dos princípios da destilação atmosférica, de
maneira a compreender o funcionamento do programa e da destilação
atmosférica.
Após um estudo das modificações trazidas pelo REVAMP de 2004, foram
realizadas alterações no programa, gerando uma nova versão. Além disto foi
necessário realizar um ajuste estatístico de variáveis para as várias curvas de
destilação, se baseando em dias chave de teste. Foi também gerada uma
documentação extensa sobre o programa de inferências, de maneira que, quando
ocorrerem novos REVAMP’S (o próximo será provavelmente realizado em 2007),
se saiba como o programa funciona, e possam ser realizadas modificações no
software de maneira a voltar a adequá-lo.
Concluindo o trabalho, foi realizada a validação do software de inferências.
Posteriormente estava previsto utilizar o software em conjunto com o controle
avançado, que acabou não ocorrendo devido à falta de revisão do funcionamento
do controle para as novas condições da unidade. Apesar deste problema, foram
obtidos resultados que permitiram que o programa inferidor passasse a ser
utilizado pelos operadores da unidade, que atualmente realizam o controle da
operação.
O relatório está organizado da seguinte maneira: No próximo capítulo é
apresentada a REPAR, empresa onde o projeto foi realizado, além de mostrar as
varias unidades que compõem a refinaria. No Capítulo 3, passa a ser apresentada
a destilação atmosférica, com os fundamentos de como este processo funciona. O
Capítulo 4, aborda as curvas de destilação e o nível de fracionamento, dois
10
conceitos importantes neste projeto. No Capítulo 5, se mostra com mais detalhes
a torre de destilação atmosférica (T-2103) da unidade de destilação atmosférica
da REPAR, torre onde foram medidos os dados para gerar as inferências. No
Capítulo 6, se aborda a teoria geral por trás das inferências, e o funcionamento do
controle avançado. No Capítulo 7, se mostra em maiores detalhes o programa de
inferências, como as variáveis inferidas e as modificações realizadas no software
para que o programa voltasse a operar corretamente. No Capítulo 8, se mostra
como ajustar os coeficientes estatísticos do programa, se baseando em dias teste
chave, além dos resultados dos testes realizados com esses coeficientes, se
focando principalmente nos componentes. O Capítulo 9 é focado no trabalho
desenvolvido para o diesel intermediário, com a validação realizada com o
conjunto final de coeficientes, e o acompanhamento dos resultados por três
semanas, além dos resultados obtidos com o programa de inferências.
Finalizando, são apresentadas as conclusões deste projeto.
11
Capítulo 2: A Repar
Neste capítulo, é apresentada a refinaria REPAR, local onde foi realizado o
PFC. É apresentado um pequeno histórico, a organização desta empresa, as
principais unidades de processo e produtos da refinaria. As informações contidas
neste capítulo foram retiradas em grande parte do site interno da refinaria [ 2 ].
2.1: Histórico da Empresa
Em outubro de 1953, através da Lei 2.004 a Petróleo Brasileiro S.A. Petrobras foi criada para executar as atividades do setor de petróleo, no Brasil em
nome da União.
Hoje a Petrobras é constituída por noventa e cinco plataformas de
produção, dezesseis refinarias, pouco mais de trinta mil quilômetros em dutos e
cerca de seis mil postos de combustíveis. Fazendo parte deste patrimônio a
Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR.
A Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR foi construída na década
de 70, a 25 quilômetros de Curitiba, estado do Paraná.
2.2: A Refinaria
A UN-REPAR é a principal empresa do setor químico paranaense e a maior
indústria do sul do país, com 580 empregados próprios e 260 contratados e um
número quatro vezes maior de empregos indiretos.
Localizada em Araucária, a refinaria constitui o maior investimento
individual da Petrobras no Paraná, equivalente a 1,5 bilhão de dólares, com um
índice da nacionalização de 85% ocupando uma área de 10 milhões de metros
quadrados. A capacidade atual de refino é de 31 milhões de litros diários de
petróleo, equivalentes a 196 mil barris, representando 11,5% da produção
nacional, transformados nos produtos – óleo diesel (40%), gasolina (22%), gás de
12
cozinha – GLP (10%), óleos combustíveis (10%), nafta petroquímica (7%), asfaltos
(2%) e outros com menor percentual como querosene de aviação, matéria-prima
para fertilizantes, asfalto e gás de refinaria.
Aproximadamente 75% de sua produção destina-se ao abastecimento do
Paraná, Santa Catarina, sul de São Paulo e Mato Grosso do Sul. O restante é
destinado a outras regiões do país ou é exportado.
A instalação da Repar em 1977 no Paraná, até então um estado
predominantemente agrícola, propiciou na região de Curitiba e Araucária, a
criação de parques industriais que resultaram em atratividade para instalação de
novas empresas industriais e de serviços, notadamente para a região
metropolitana da capital.
Figura 1: Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR.
2.2.1: Interligações
A Refinaria é interligada por dois terminais marítimos e três oleodutos os
quais estão descritos a seguir:
- o terminal marítimo de São Francisco do Sul, situado no litoral
catarinense, por onde recebe petróleos nacionais e importados por via marítima,
com capacidade de transporte de até 1.500 m3 de petróleo/hora;
13
- o terminal marítimo e oleoduto de distribuição de derivados de Paranaguá,
no litoral paranaense, exercem o papel de terminal regulador, deslocando
excedentes de derivados de petróleo produzidos pela Repar para outras regiões
do país e exportando-os para países africanos, da América latina e para os
Estados Unidos. Além disso, esse terminal complementa as necessidades de
outros produtos na região, através da importação via cabotagem, principalmente
de gás de cozinha e óleo diesel;
- o poliduto que interliga a Repar ao estado de Santa Catarina, com bases
de distribuição nas cidades de Guaramirim, Itajaí e Florianópolis.
As interligações descritas acima podem ser vistas na figura 2.
Figura 2: Sistema de terminais marítimos e oleodutos da REPAR.
2.3: Setores da REPAR
A Unidade UN-REPAR está dividida nos seguintes setores ou unidades:
•
Gestão Empresarial;
•
Destilação e Hidrotratamento (DH);
•
Craqueamento Catalítico e Desasfaltação; (DCCF);
•
Hidrodessulfurização (HDS).
14
•
Qualidade de Produtos (QP);
•
Inspeção de Equipamentos (IE);
•
Saúde, Meio Ambiente e Segurança (SMS);
•
Transferência e Estocagem (TE);
•
Utilidades (UT);
Na figura 3, pode-se ver o fluxograma geral da REPAR, onde é mostrado as
ligações entre as unidades e os produtos gerados pela refinaria.
Figura 3: Fluxograma Geral das Principais Unidades de Processo da Refinaria.
Destas unidades, a destilação (unidade 2100), é vista em maiores detalhes
a seguir, principalmente a parte da destilação atmosférica da unidade, por ser a
unidade a que o projeto visava restabelecer a inferência de qualidade de produtos.
15
2.3.1: Setor de Destilação (U-2100)
A Unidade de Destilação da REPAR, inicialmente projetada para processar
20000 m3/d, possui atualmente uma capacidade de processamento diário de
32000 m3 de petróleo. Modificações voltadas à adequação do processo às novas
características do mercado, com a ajuda de novas tecnologias, promoveram essa
melhoria e a flexibilidade operacional da unidade, podendo hoje operar com a
maioria dos petróleos existentes.
Como o próprio nome nos indica, essa unidade é baseada em processos de
separação, como pode ser visto no fluxograma simplificado da unidade na figura 5.
Ao separar as diferentes frações do petróleo, a unidade obtém os seguintes
produtos diretos: GLP, Nafta Leve, Nafta Pesada, Querosene, Diesel Leve, Diesel
Pesado e ainda Petrosolve, Gasóleo Leve (GOL), Gasóleo Pesado (GOP),
Resíduo de Vácuo (RV) e Óleo Combustível.
Na figura 4 é mostrada a foto da unidade, e na figura 5 mostra-se o
fluxograma simplificado da unidade:
Figura 4: Unidade de Destilação da REPAR
16
Figura 5: Fluxograma Simplificado da Unidade de Destilação da REPAR.
As várias partes que compõe a unidade 2100 são as seguintes:
•
Baterias de Pré-Aquecimento e Dessalgadoras
O petróleo cru, carga da unidade, proveniente dos tanques de
armazenamento, é pré-aquecido numa bateria de permutadores de calor, desta
forma, tem-se um menor consumo de combustível, que seria necessário ao
aquecimento da carga, permitindo ainda um menor dimensionamento dos fornos.
O sistema de Dessalgadoras do petróleo tem como importância de evitar
corrosão nos sistemas de topo das torres, facilitar o escoamento e a troca térmica
nos permutadores e fornos por evitar a deposição de sais e sólidos no interior dos
equipamentos.
O petróleo, já dessalgado e desidratado, flui pelo topo dos vasos e é então
enviado para a Segunda Bateria de Pré-Aquecimento, com mesma finalidade que
a primeira.
•
Torre Pré-Flash (T-2101)
O petróleo proveniente da Segunda Bateria de Pré-Aquecimento é
alimentado na Torre Pré-Vaporizadora, ou Pré-Flash. Esta torre foi projetada com
17
o intuito de se ampliar a capacidade da unidade, retirando-se as frações mais
leves do petróleo, não sobrecarregando então a Torre de Destilação Atmosférica.
•
Torre Estabilizadora (T-2102)
A Torre Estabilizadora recebe a carga de topo de Torre de Pré-
Vaporização, composta basicamente de GLP e Nafta Leve. Esta torre opera com
as funcionalidades de Torre Estabilizadora de Nafta, tendo como objetivo a
remoção do GLP necessário para especificar a pressão de vapor da Nafta Leve
(gasolina de destilação direta). Esta torre também é chamada de Debutanizadora
quando se deseja retirar da carga o máximo de GLP (C3 e C4), e não apenas o
necessário para estabilizar a nafta leve.
•
Fornos
Os Fornos da Unidade de Destilação são utilizados para promover o
aquecimento das cargas de alimentação da Torre de Destilação Atmosférica,
Torre de Destilação à Vácuo, e Refervedor da Torre Pré-Vaporizada. Com
exceção deste último, os demais fornos da unidade possuem, na zona de
convecção, serpentinas para a geração e superaquecimento de vapor, visando
aumentar a eficiência térmica dos Fornos.
•
Torre de Destilação Atmosférica (T-2103)
É a principal torre da unidade na qual é retirada a maior parte dos produtos.
A alimentação desta torre consiste no produto de fundo da Torre Pré-Flash. A
carga fracionada tem como produtos: no topo a Nafta Pesada, nos cortes laterais
o Querosene, Diesel Leve e Diesel Pesado e no fundo o Resíduo Atmosférico
(RAT).
A torre é formada por duas seções: a primeira seção de absorção ou
fracionamento, situada acima da zona de vaporização, sendo constituída por 10
pratos valvulados e recheios randômicos para a troca de calor, e recheios
ordenados para o fracionamento. A segunda seção, de esgotamento ou
18
retificação, situada abaixo da zona de vaporização é constituída por recheios
randômicos onde ocorre a retificação dos produtos de fundo, através da injeção de
vapor de retificação.
O emprego de vapor de retificação ao uso de fornos refervedores apresenta
as seguintes vantagens: redução dos efeitos de craqueamento catalítico de
hidrocarbonetos constituintes do petróleo, redução da pressão parcial dos
hidrocarbonetos e um conseqüente maior percentual de vaporização.
Os produtos da torre são retirados através de cortes pelos diferentes pontos
de ebulição e orvalho. O fracionamento e o balanço de calor da Torre de
Destilação Atmosférica são controlados normalmente através de três refluxos
circulantes: superior, inferior e de fundo. Na Figura 6 tem-se a foto da Torre de
Destilação Atmosférica.
Figura 6: Torre de Destilação Atmosférica.
•
Torre de Retificação (T-2104)
A Torre Retificadora é constituída de três seções independentes de
retificação, sobrepostas umas sobre as outras. Cada uma destas seções é
alimentada por uma fração de corte lateral da Torre de Destilação Atmosférica,
19
sendo na parte inferior de cada seção injetado vapor de retificação, para promover
a vaporização de hidrocarbonetos leves. Os hidrocarbonetos leves são
realimentados na Torre de Destilação Atmosférica.
Os produtos são enviados, então, para trocarem calor nos permutadores do
pré-aquecimento do cru e depois cada um vai para um tanque de armazenamento
específico. O querosene pode ainda ser enviado para Unidade de Tratamento
MEROX.
•
Torre de Destilação a Vácuo (T-2105)
O fracionamento do Resíduo da Destilação Atmosférica (RAT), requer a
vaporização do mesmo e assim o emprego de temperaturas elevadas, o que
acarreta no craqueamento térmico, rompendo as ligações químicas pela ação do
calor. Para minimizar este efeito, o RAT é fracionado sob condições reduzidas de
pressão, o que proporciona uma diminuição do ponto de ebulição das frações a
serem separadas. Na figura 7 é mostrada a foto da unidade de destilação a vácuo.
Figura 7: Torre de Destilação a Vácuo.
20
•
Unidade de Solventes
A Unidade de Solventes foi projetada para produzir Petrosolve, Hexano,
Solvente de Borracha e Aguarrás, processando Nafta Leve para a obtenção dos
três primeiros e Nafta Pesada para a obtenção de Aguarrás.
•
Unidade de Águas Ácidas
A Unidade de Retificação de Águas Ácidas tem como finalidade a remoção,
por stripping com vapor, do gás sulfídrico (H2S) e da amônia (NH3), contidos nas
correntes de águas ácidas provenientes dos sistemas de topo da unidade.
•
Tratamento MEROX
O tratamento Merox tem por finalidade promover o adoçamento de Nafta
Pesada ou de Querosene de Aviação (QAV).
2.4: Conclusões do Capítulo
Neste capítulo foi apresentada a empresa onde o projeto foi realizado, com
uma ênfase especial para a área de destilação atmosférica, por ser para esta que
o projeto se destinava.
21
Capítulo 3: Destilação Atmosférica
Como o programa de inferências dos pontos de destilação ASTM de
produtos funciona sobre a unidade de destilação atmosférica (U-2100), se estuda
com mais detalhes neste capítulo os conceitos fundamentais da destilação
atmosférica para que se possa entender melhor o processo de destilação.
A destilação é um processo que, se baseando na diferença dos pontos de
ebulição de uma mistura de componentes, serve para separar componentes de
uma mistura de líquidos miscíveis [ 3 ] [ 4 ].
3.1: Conceitos da Destilação
3.1.1: Volatilidade
É o potencial de uma substância de passar para o estado de vapor. Em
outras palavras, as substâncias mais voláteis de uma mistura são aquelas que no
estado puro tem a maior pressão de vapor (maior tendência de escapar do
líquido).
Como exemplo, se pode citar que o metano é mais volátil que o etano, que
por sua vez é mais volátil que o propano. Isso se deve ao fato que geralmente a
volatilidade de uma substância é diretamente proporcional ao tamanho da cadeia
de sua molécula.
3.1.2: Pressão de Vapor
Considere um recipiente fechado onde se coloca uma certa quantidade de
mistura líquida, por exemplo, hidrocarbonetos, a temperatura constante. Pela
teoria cinética as forças que atuam sobre as moléculas presentes na superfície do
líquido são maiores no sentido do interior do líquido para a superfície.
Por causa do desequilíbrio previamente citado, as moléculas da superfície
do líquido tenderão a evaporar. Com as moléculas passando da fase líquida para
22
a fase vapor, a pressão do recipiente irá aumentar, devido aos choques das
moléculas de vapor contra a superfície do recipiente. Essa pressão é diretamente
proporcional ao número de moléculas vaporizadas, mas esse valor não aumenta
indefinidamente, pois num determinado momento, se chegará a um ponto de
equilíbrio dinâmico, em que o número de moléculas que saem do líquido será o
mesmo número de moléculas que passam de vapor para o líquido. Nesse
momento, a pressão exercida pelo vapor passará a ser a pressão de vapor da
mistura na temperatura fixada.
Na figura 8 pode ser visto este recipiente fechado com as transformações
de estado ocorrendo em seu interior.
A composição do vapor e do líquido não mais se alterará por maior que seja
o tempo. Diz-se então, que o líquido e o seu vapor estão em equilíbrio.
Figura 8: Pressão de Vapor.
Supõe-se agora que a temperatura seja aumentada. Com isso, a energia
cinética das moléculas na superfície do líquido aumentará, e assim um maior
número de moléculas passarão do estado líquido para o vapor e vice-versa, e uma
nova situação de equilíbrio será atingida. A pressão do recipiente (pressão de
vapor do líquido) será maior que no caso anterior, quando a temperatura era mais
baixa.
Partindo disto, se conclui que a pressão de vapor de um líquido varia com a
temperatura, e é tanto maior quanto mais alta for esta temperatura.
Finalizando, se chega a lei fundamental da pressão de vapor, que é: A
pressão máxima de vapor de um líquido depende somente da natureza do líquido
e da temperatura.
23
3.1.2.1: Influência da Pressão Externa na Vaporização
A pressão externa também tem influência na vaporização de um líquido.
Para facilitar a explicação, considera-se como exemplo um líquido puro, como
água, a 30ºC, e a pressão atmosférica padrão (101,3 kPa). Nesta temperatura, a
pressão de vapor da água é 4,24kPa.
A medida que se vai cedendo calor à água, sua temperatura vai subindo
(calor sensível), aumentando a pressão de vapor da mesma. Quando a
temperatura da água chegar a 100ºC, esta começará a ferver, e todo o calor
fornecido passa a ser usado como calor latente de vaporização, não mais
elevando a temperatura da mesma. Nesse momento, a pressão de vapor é 101,3
kPa. Ou seja, o ponto de ebulição normal da água é 100ºC porque sua pressão de
vapor torna-se igual à pressão atmosférica.
Esta análise leva a seguinte conclusão: um líquido puro entra em ebulição a
uma dada temperatura quando a pressão de vapor correspondente a esta
temperatura iguala à pressão ao que o líquido está submetido.
Logicamente, se a pressão externa que atua sobre o líquido for aumentada,
o líquido necessitará de uma temperatura maior para entrar em ebulição, até que a
pressão de vapor se iguale à pressão externa. O mesmo raciocínio se aplica
quando a pressão externa diminui, passando a água a ferver a uma temperatura
menor que 100ºC. A tabela 1 exemplifica esta idéia no caso da água.
Pressão (kPa)
101,3
202,6
Temperatura (ºC)
100
120
Tabela 1: Ponto de Ebulição por Pressão da Água.
3.1.3: Ponto de Bolha e Ponto de Orvalho
Um detalhe importante é que a uma determinada pressão, a vaporização de
um composto puro se processa a uma temperatura constante, sem modificar a
24
composição de seus vapores, diferente do que acontece na vaporização de uma
mistura.
Numa mistura, a vaporização e a condensação não dependem apenas da
pressão de vapor de seus componentes, pois se verifica que os componentes
mais voláteis exercem um efeito de arraste sobre os componentes mais pesados
ou menos voláteis, os quais, por sua vez, tem uma ação aceleradora sobre a
condensação dos componentes mais leves.
Assim, uma mistura constituída por butano, pentano, hexano e heptano, por
exemplo, evapora-se completamente a uma temperatura mais baixa do que o
ponto de ebulição do heptano, do mesmo modo que se condensa a uma
temperatura mais alta do que a do ponto de condensação do butano.
Levando isso em conta, se chega a dois conceitos:
Ponto de Bolha: é a temperatura de uma mistura a uma dada pressão, em
que a mesma começa a ferver (primeira bolha na massa líquida). Quando a
pressão é a atmosférica, o ponto de bolha da mistura é chamado de ponto de
ebulição normal.
Ponto de Orvalho: é a temperatura de uma mistura vaporizada a uma
dada pressão, onde se condensa a primeira gota de líquido. Entre esses dois
pontos, a mistura estará entre 0% e 100% vaporizada.
Ambos pontos acima mudam de posição para cada composição da mistura,
gerando duas curvas, a curva de pontos de bolha e de pontos de orvalho.
A modo de exemplo considera-se uma mistura binária de benzeno-tolueno
a pressão atmosférica. A figura 9 mostra as curvas de equilíbrio temperatura por
composição de benzeno da mistura. Além disso, esta figura servirá para
exemplificar outros conceitos vistos mais adiante neste capítulo.
25
Figura 9: Ponto de Bolha e Orvalho.
Conforme a figura 9, se percebe que o benzeno é o componente mais
volátil da mistura, sendo seu ponto de ebulição normal igual a 81ºC (fração molar
do benzeno = 1), enquanto o tolueno, menos volátil, tem seu ponto de ebulição
normal igual a 110,6ºC (fração molar do benzeno = 0).
Percebe-se, também pela análise da figura 9, que para cada composição da
mistura, haverá diferentes pontos de orvalho e bolha.
3.1.4: Pressão de Vapor de uma Mistura Líquida
Para misturas, a pressão de vapor não depende apenas da mistura, mas
também de sua composição.
Como exemplo considera-se as pressões de vapor do tolueno e do benzeno
a 82ºC, que são respectivamente 41,597 kPa e 107,325 kPa. Uma mistura destas
substâncias, nesta temperatura, não terá a pressão de vapor equivalente a soma
direta das duas pressões de vapor (149,92 kPa). Cada componente irá contribuir
com uma parcela da pressão de vapor da mistura, equivalente a sua composição
molar presente na mistura.
26
Considerando-se a mistura líquida como ideal, pode-se calcular a
contribuição de cada componente na pressão de vapor da mistura, utilizando-se a
Lei de Raoult, (equação 1).
Pa = Pa’ * Xa
(1)
Pa = Pressão parcial de vapor do componente A na mistura líquida.
Pa’ = Pressão de vapor do componente A na temperatura do sistema.
Xa = Fração molar do componente A no líquido.
Utilizando a Lei de Raoult, e se supondo que a mistura contém 60% molar
de benzeno e está na temperatura citada previamente, terá uma pressão de valor
igual a 81,034 kPa, de acordo com as seguintes contribuições:
•
Tolueno : 41,597 Kpa * 0,4 = 16,639 kPa;
•
Benzeno : 107,325 Kpa * 0,6 = 64,395 kPa.
Obviamente, se a composição da mistura mudar, mesmo que a temperatura
permaneça constante, a pressão de vapor da mistura também mudará.
3.2: Princípio Geral da Destilação
Para se avançar no estudo da destilação, é preciso o conhecimento do
equilíbrio líquido-vapor. Quando uma mistura líquida estiver em equilíbrio com o
vapor correspondente, a pressão de vapor desta mistura será igual à pressão total
do sistema.
Utilizando a mesma mistura do exemplo anterior, nota-se que a pressão de
vapor da mistura é inferior à pressão atmosférica (81,034 kPa < 101,325 kPa).
Isso significa que não existe um vapor em equilíbrio com a mistura líquida, sendo
assim que a mistura é um liquido sub-resfriado, conforme pode ser visto no ponto
“a” (82ºC – 0,6 benzeno) na figura 9, mostrada na seção 3.1.3.
Aquecendo-se a mistura até 89,4ºC (ponto “b”), a pressão de vapor da
mistura passa a ser 101,325 kPa (20,932 Kpa + 80,393 Kpa ), dessa maneira se
igualando à pressão atmosférica, assim passando a existir um vapor de equilíbrio
27
com esta mistura líquida. O ponto “b” passa a ser chamado de ponto de bolha
para essa mistura líquida com 60% molar de benzeno.
O vapor, que está em equilíbrio com a mistura líquida que se encontra no
ponto “b”, aparece no ponto “c” do mesmo gráfico.
Considerando-se que este vapor tem um comportamento ideal, pode-se,
através da Lei de Raoult e da Lei de Dalton, obter a composição deste vapor, da
seguinte maneira:
A Lei de Dalton, (equação 2), permite que seja calculada a pressão parcial
de cada componente neste vapor gerado da mistura.
Pa = P * Ya
(2)
Pa = Pressão parcial do componente A na fase vapor.
P = Pressão total do sistema.
Ya = Fração molar do componente A na fase vapor.
Combinando a Lei de Dalton com a Lei de Raoult, se chega à equação 3:
Ya = (Pa’ / P) * Xa
(3)
A equação 3 só tem sentido quando existe um vapor em equilíbrio com a
mistura. Da equação, se percebe que a composição de equilíbrio de um
componente no vapor é diretamente proporcional à sua composição no líquido e à
sua pressão de vapor, e é inversamente proporcional à pressão total do sistema.
Utilizando esta equação, pode-se calcular a composição do vapor que esta
em equilíbrio com a mistura de 60% molar de benzeno no ponto de bolha, na
pressão atmosférica.
•
Tolueno : Yt = (52,329 / 101,325) * 0,4 = 0,2066 = 20,66%
•
Benzeno: Yb = (133,989 / 101,325) * 0,6 = 0,7934 = 79,34%
O vapor com esta composição tem uma massa desprezível quando
comparada com a massa líquida que lhe originou, sendo que se formou apenas
uma bolha de vapor (o líquido esta em equilíbrio com uma massa desprezível de
vapor). Da mesma maneira, se pode dizer que o vapor formado está em seu ponto
de orvalho à temperatura de 89,4ºC, e em equilíbrio com o líquido com fração
molar de benzeno de 60%.
28
Uma conclusão importante deste exemplo é a seguinte: O vapor em
equilíbrio com um líquido sempre será mais rico em componente volátil do que o
líquido.
Esta diferença entre composições do liquido e do vapor em uma mistura
multi-componentes em equilíbrio é o princípio em que toda a destilação se baseia.
O processo de destilação industrial se baseia nos fatos de uma mistura
líquida em ebulição se torna rica no componente menos volátil, já que o mais
volátil tende a escapar do líquido mais facilmente, e que um vapor em processo de
condensação também se torna rico no componente mais volátil, já que o menos
volátil tende a se condensar com mais facilidade.
3.2.1: Razão de Equilíbrio K
Quando alcançado o equilíbrio, o número de moléculas que passam da fase
líquida para vapor e vice-versa é igual. A diferença importante é que o
componente mais volátil se encontra mais concentrado no vapor, enquanto o
menos volátil se encontra mais concentrado no líquido.
A razão de equilíbrio é definida como a razão entre as frações molares de
um componente nas fases líquidas e vapor, de acordo com a equação 4:
K=Y/X
(4)
Y = Fração molar na fase vapor.
X = Fração molar na fase líquida.
Sempre o componente mais volátil apresentará uma razão K maior que o
componente menos volátil.
3.2.2: Volatilidade Relativa
Uma forma de se avaliar o quanto um componente é mais volátil que o
outro é através da volatilidade relativa.
A equação 5 mostra a volatilidade relativa, que nada mais é que uma
relação entre as constantes de equilíbrio dos componentes.
ab = Ka / Kb
(5)
29
Se combinando a equação 5 com as Leis de Dalton e Raoult, se chega a
equação 6:
ab = Pa’ / Pb’
(6)
A equação 6 mostra que a volatilidade relativa de uma mistura binária ideal
é simplesmente a relação entre as pressões de vapor dos componentes puros na
temperatura considerada.
A volatilidade relativa serve para indicar o quanto difícil é a separação dos
componentes em um processo de destilação. Componentes com igual volatilidade
( ab = 1) são impossíveis de serem separados através de destilação simples.
Quanto maior o valor da volatilidade relativa, mais fácil será a separação. Na
prática, se considera os valores menores ou iguais à 1,1 e maiores ou iguais a 1,5
como uma separação difícil e uma separação fácil, respectivamente.
A volatilidade relativa depende da temperatura e pressão da operação, só
que a temperatura de equilíbrio é diretamente proporcional a pressão, desta forma
fazendo com que a pressão de operação que acabe por determinar a volatilidade
relativa. Deste fato, se chega a conclusão que, quanto maior a pressão, menor
será a volatilidade relativa, e por conseguinte maior a dificuldade de separação
entre os componentes.
3.3: Processos de Destilação
No passado, os métodos de destilação de petróleo era rudimentares. Eram
realizados em alambiques, e de maneira descontínua.
Além do desconhecimento das diferentes propriedades do petróleo na
época, não era exigida uma boa qualidade para os produtos destilados. Vale
lembrar que também não existia na época o interesse de se produzir todos os
derivados existentes hoje, e nem a necessidade da qualidade exigida atualmente.
O processo passou por fortes evoluções desde então, se buscando a
melhor qualidade dos produtos acabados.
A seguir se vê detalhes dos três tipos mais comuns de destilação.
30
3.3.1: Destilação por Expansão Brusca (Destilação Flash ou Integral)
É o tipo de destilação onde a carga é separada em dois produtos em um
único estágio: um vapor e um líquido, que estão em equilíbrio termodinâmico.
Nesta destilação, o vapor produzido fica durante a vaporização em contato
íntimo com o líquido residual, desta maneira ligando o líquido e o vapor produzidos
por relações de equilíbrio.
Novamente utilizando a mesma mistura do exemplo anterior (60% molar de
benzeno e 40% molar de tolueno), e a aquecendo até 92ºC, se chega ao ponto “d”
na figura X. Percebe-se que neste ponto, há duas fases em equilíbrio, nos pontos
“e” e “f”.
Conforme visto no princípio básico da destilação, o líquido (ponto “e”) tem
uma composição de 51% molar de benzeno, enquanto o vapor (ponto “f”) tem uma
composição de 72,2% molar de benzeno.
As fases do líquido e vapor resultantes são separadas do equipamento.
Obviamente, o vapor será mais rico em compostos mais voláteis do que a carga
ou líquido residual.
Este tipo de destilação é a primeira fase que ocorre durante o
fracionamento de petróleo.
A figura 10 exemplifica este tipo de destilação.
Figura 10: Destilação Flash.
31
3.3.2: Destilação Simples (Destilação Diferencial)
É uma destilação que acontece de forma descontínua. Uma carga de
líquido é introduzida em um vaso ou retorta provida de aquecimento. A carga entra
em ebulição, ao receber calor, e vai aumentado de temperatura continuamente (já
que o líquido no vaso vai se enriquecendo com o componente mais pesado), e os
vapores são retirados tão rapidamente quanto se formam, para um condensador,
onde são liquefeitos e coletados em um recipiente, conforme o esquema da figura
11. Ao contrário da destilação integral, não existe relação de equilíbrio entre o
líquido residual e o líquido condensado.
Figura 11: Destilação Simples.
A primeira parte do destilado será a mais rica na substância mais volátil, e
a medida que a vaporização prosseguir, o produto vaporizado se tornará cada vez
menos volátil.
Este tipo de destilação é utilizada em laboratórios, para testes como curva
de destilação ASTM, intemperismo para o GLP, etc.
3.3.3: Destilação Fracionada
É uma operação de separação de componentes de misturas por intermédio
de vaporizações e condensações sucessivas, que, aproveitando as diferentes
32
volatilidades das substâncias participantes da mistura, torna possível o
enriquecimento da parte vaporizada com os componentes mais voláteis e da parte
líquida com os componentes menos voláteis.
Este tipo de destilação é uma evolução da destilação integral, sendo que
nada mais é do que uma destilação integral com vários estágios, e pela sua
capacidade de produzir produtos com maior grau de pureza, que muitas vezes
nem pode ser alcançado pela destilação integral, é o mais utilizado em indústrias
de grande porte. A destilação fracionada pode ser realizada em processo
contínuo, utilizando para tal, equipamentos denominados torres ou colunas de
destilação.
A modo de exemplo apresenta-se a evolução das composições em uma
separação do tipo descrito acima, para uma mistura de duas substâncias A e B,
sendo que A é cinco vezes mais volátil do que B.
Deseja-se obter um líquido com mais de 90% de A, partindo de um líquido
que tenha somente 10% de A. Utilizando as equações (1) e (2), obtém-se as
composições da figura abaixo, onde se verifica que para tal são suficientes três
vaporizações e condensações sucessivas (três estágios), conforme pode ser visto
na figura 12.
Vale citar que se o desejado fosse uma mistura com mais componente B,
bastava utilizar o líquido residual do primeiro estágio, e seguir destilando o líquido
residual, desta forma enriquecendo o líquido com mais componente B.
Figura 12: Destilação Fracionada.
33
Partindo da idéia acima, estudaram-se várias melhorias no processo, como
o uso de um condensador de maior capacidade no último estágio do produto
menos volátil; a devolução de parte do produto condensado ao estágio inferior
para resfriar os vapores; o uso de apenas um vaporizador de maior capacidade no
último estágio da seção de purificação do produto mais pesado para vaporizar
total ou parcialmente o líquido deste estágio, e a utilização do vapor formado para
aquecer os líquidos desta seção. Estas modificações eliminam a necessidade de
ter vários permutadores e vaporizadores intermediários.
Seguindo esta idéia, os líquidos formados nos estágios serão devolvidos a
estágios diretamente inferiores de onde estes forem formados, assim como os
vapores formados em cada seção serão passados para a seção diretamente à
frente. O esquema descrito se encontra na figura 13.
Figura 13: Destilação Fracionada com Refluxos.
Vendo a figura 13, percebe-se que em cada estágio, o vapor quente no seu
ponto de orvalho (saturado) passa a ter contato com um líquido frio no seu ponto
de bolha (saturado), o que permite obter:
34
•
Uma temperatura final intermediária entre as temperaturas do líquido e
vapor, devido à troca de calor entre eles;
•
Um vapor e um líquido com composições diferentes dos originais, devido
tanto à condensação preferencial do componente menos volátil do vapor,
quanto à vaporização preferencial do componente mais volátil do líquido.
Com estes efeitos, o vapor que sai do estágio se encontra a uma
temperatura menor e mais enriquecido de componentes mais leves que o original.
E o líquido, que se encontra em equilíbrio com esse vapor formado, sai do estágio
a uma temperatura maior e mais enriquecido de componentes mais pesados que o
original.
Essa condensação parcial dos mais pesados e revaporização preferencial
dos mais leves acontece nos outros estágios da seqüência, assim:
•
Quanto maior a pureza desejada dos produtos, maior o número de estágios
será necessário;
•
Quanto mais condensado retorna para cada estágio, melhor será o grau de
separação, já que será maior o grau de enriquecimento do vapor no
componente mais volátil. Esse retorno do condensado é conhecido
comumente como refluxo.
Estas duas variáveis são as consideradas na hora de projetar um
equipamento para se obter um certo grau de separação.
Toda esta idéia apresentada é aplicada em um equipamento industrial
conhecido como Torre de Destilação ou de Fracionamento, com capacidade de
processar maiores volumes de carga, sem afetar a qualidade dos produtos.
3.4: Torre Convencional de Destilação
As torres de destilação funcionam conforme os princípios da destilação
fracionada, sendo que os vasos, que serviam para realizar o contato líquido –
vapor, são substituídos por outro dispositivo. Dessa maneira, cada estágio da
35
coluna é constituído fisicamente de uma chapa metálica especial, chamada de
bandeja ou prato.
Nesses pratos, é preciso dar condição para que o vapor vindo da seção
inferior borbulhe no líquido em ebulição, e ao líquido de escoar horizontalmente
pelo prato através de um gradiente hidráulico, entre o ponto de chegada e de
descida do líquido.
A torre então necessita ter dispositivos que permitam esse escoamento de
vapor e líquido, garantindo o contato entre eles. Os dois tipos que são
considerados são os pratos e os recheios.
3.4.1: Pratos
Nada mais é do que uma chapa metálica especial, de forma circular, com
uma área central perfurada para permitir a passagem de vapor. De acordo com o
tipo de perfuração, os pratos podem ser: perfurados, borbulhadores ou valvulados.
O prato perfurado é simplesmente uma chapa furada. Todos os pratos
possuem uma calha (vertedor), por onde o líquido é descarregado na bandeja
inferior, sendo que o nível de líquido no prato é determinado pela altura deste
vertedor acima do prato e pela perda de carga no escoamento do prato superior
para o prato que se esta analisando.
O prato com borbulhadores, é o que tem ao redor de seus furos pequenas
chaminés, cobertas por uma campânula ligeiramente afastada, de maneira a
formar um canal entre a chaminé e a campânula.
Já o prato valvulado tem um disco sobre a perfuração, com algum acessório
adicional que impeça que o disco seja arrastado pelo vapor. A pressão dos
vapores sobre a parte inferior do disco o mantém na posição adequada para a
passagem dos vapores. Esse tipo de prato pode ser visto na figura 14.
Em todos esses tipos de pratos, o líquido escoará horizontalmente, em um
ou mais sentidos.
36
Figura 14: Esquema do Funcionamento de um Prato Valvulado.
3.4.2: Recheios
Recheios são dispositivos colocados no interior da torre, mantendo um
contato contínuo entre o vapor e o liquido por toda a extensão do leito recheado.
Ao invés de pratos, a torre é composta de seções recheadas, onde ocorre a
transferência de massa e calor entre o líquido e o vapor. O número de seções
recheadas é função da eficiência do equipamento, o que obriga uma redistribuição
do líquido, para garantir o máximo de área molhada do recheio possível. Os
recheios mais comuns são divididos em duas categorias, randômicos e
estruturados.
3.4.2.1: Recheios Randômicos
São recheios que são postos dentro da seção sem nenhuma preocupação
com o arranjo que eles formarão. Mesmo assim são necessários suportes para
mantê-los no interior da seção. Os mais conhecidos são:
•
Anéis de Raschig;
•
Selas de Berl;
37
•
Selas Intalox;
•
Anéis de Pall;
•
IMTP.
Os dois primeiros são os recheios mais antigos, e vem sendo substituídos
gradualmente por recheios mais eficientes. A sela Intalox é uma versão mais nova
da sela de Berl. Os anéis de Pall são os recheios mais usados na destilação, pela
grande eficiência, flexibilidade e capacidade. Por fim, o IMTP (Intalox Metal Tower
Packing), patente da Norton, é considerado mais eficiente que os anéis de Pall.
Em relação aos recheios IMTP, eles apresentam seis tamanhos (15 ao 70),
sendo que o menor proporcionará uma maior eficiência e o maior obterá uma
maior capacidade e menor perda de carga.
Na figura 15 é mostrado o recheio randômico IMTP.
Figura 15: Recheio Randômico (IMTP).
3.4.2.2: Recheio Estruturado
Os recheios estruturados devem ser colocados na torre de uma forma
ordenada ou arrumada. Dividem-se entre os tradicionais e os de alta eficiência.
A diferença entre os dois é a baixa perda de carga que os de alta eficiência
causam, além da elevada taxa de transferência de massa. São recheios muito
caros.
Os recheios estruturados normalmente são denominados por um número
acrescido de X ou Y, por exemplo 250Y. O número representa a área do recheio,
enquanto a letra representa o ângulo (X = 30° e Y = 45°) da inclinação da
38
corrugação do recheio. Na figura 16 é mostrado um exemplo de recheio
estruturado.
Figura 16: Recheio Estruturado.
3.4.3: Componentes e Seções da Coluna de Destilação Convencional
3.4.3.1: Componentes da Coluna
Na figura 17 observa-se os três componentes adicionais de uma coluna: o
condensador, o tambor de refluxo e o refervedor.
Figura 17: Esquema de uma Coluna de Destilação.
39
O vapor que sai da coluna, pelo seu topo, é condensado total ou
parcialmente no condensador de topo. O condensado (junto com um eventual
vapor em caso de não totalidade na condensação) vai para o tambor de topo (ou
de refluxo). Parte do líquido frio retorna para a torre através de uma bomba,
passando a ser chamado de refluxo, sendo sua vazão controlada por uma válvula
que permite controlar a temperatura no topo da coluna. A outra parte do
condensado é o produto de topo, chamado de destilado.
O liquido que sai pelo fundo da coluna é enviado a um trocador de calor,
chamado de refervedor, onde ocorrerá vaporização de parte deste líquido. Os
vapores formados serão fonte de calor para a coluna, permitindo a revaporização
dos componentes mais leves dos líquidos que descem para a seção inferior, com
a conseqüente condensação dos componentes mais pesados desse vapor. A
parte não vaporizada constituirá o produto de fundo (resíduo).
3.4.3.2: Seções da Coluna de Destilação
A coluna de destilação pode ser dividida em três partes: zona de flash,
seção de absorção e seção de esgotamento.
A zona de flash é o ponto intermediário onde a carga da coluna é
introduzida, geralmente perto do meio da coluna. Esse ponto passa a dividir a
coluna, sendo que para cima dele fica a seção de absorção, e abaixo, a seção de
esgotamento.
A seção de absorção (também chamada de seção de enriquecimento ou de
retificação), tem como objetivo absorver os componentes mais pesados do vapor
que a atravessa, dessa maneira enriquecendo o vapor com componentes mais
leves.
A seção de esgotamento serve para remover os componentes leves do
líquido que desce da zona de flash. É a operação inversa da seção de absorção.
40
3.4.4: Mecanismo de Funcionamento de uma Torre de Destilação
Convencional
Existem três caminhos possíveis para a carga que está entrando na torre,
de acordo com seu estado térmico:
1. Temperatura da carga
Ponto de Bolha : A carga, em estado líquido, desce
para o prato diretamente abaixo da entrada da carga (seção de
esgotamento), misturando-se com o refluxo interno que desce pela seção
de absorção.
2. Temperatura da carga
Ponto de Orvalho : A carga, em estado vapor, sobe
pela seção de retificação.
3. Ponto de Bolha < temperatura da carga> Ponto de Orvalho : A parte líquida
da carga, carga esta que se encontra parcialmente vaporizada, desce para
o prato superior da seção de esgotamento, enquanto o vapor sobe pela
seção de retificação, borbulhando no liquido desta seção.
Ao atravessar o líquido que se encontra em um prato superior ao seu, o
vapor (no seu ponto de orvalho), que está a uma temperatura maior e composição
diferente da do líquido, acaba por sofrer uma condensação preferencial de seus
componentes mais pesados (menos voláteis). Aliado a este fato, o calor liberado
por essa condensação acaba por promover a vaporização dos componentes mais
leves (mais voláteis) do líquido que chega neste prato vindo do prato superior.
Com isso, o vapor que abandona o prato, além de ter uma temperatura
menor, também tem uma maior concentração de componentes mais voláteis do
que o vapor que chega a este prato, pois o vapor que abandona o prato deixou
seus componentes menos voláteis no líquido deste prato, e retirou deste liquido
seus componentes mais voláteis.
Já o líquido que abandona este prato, além de ter uma temperatura maior,
também tem uma concentração maior de componentes menos voláteis do que o
líquido que esta chegando neste prato, pois ele recebe os componentes menos
41
voláteis do vapor que borbulha por ele, além de perder seus componentes mais
voláteis para este mesmo vapor.
Por causa destas vaporizações e condensações que ocorrem por contato
direto entre o vapor e o líquido, é dito que existe uma troca de massa e calor entre
o líquido e o vapor que passam pela coluna de destilação.
Quanto mais alto na torre, mais frio se tornam os vapores, e mais
concentrados de componentes mais voláteis.
E quanto mais baixo na torre, mais quentes se tornam os líquidos, e mais
concentrados de componentes menos voláteis.
Destas afirmações acima, se chega à conclusão que o topo da torre é o
local onde existem as menores temperaturas e pressões do sistema, além da
maior concentração de componentes mais voláteis, enquanto o fundo da torre é o
local onde se encontram as maiores temperaturas e pressões, e a maior
concentração de componentes menos voláteis.
O refluxo externo, gerado da condensação de parte dos vapores
provenientes do topo da torre, acaba por gerar o refluxo interno da torre, que
desce de prato a prato, e acaba por ajudar a remover os compostos pesados do
vapor que esta subindo pela torre, melhorando o fracionamento na seção de
absorção.
Já na seção de esgotamento, acontece o contrário, onde quanto mais vapor
subir pelo fundo, melhor a remoção dos componentes leves presentes desta
seção.
3.5: Conclusões do Capítulo
Este capítulo tratou dos fundamentos e princípios da destilação atmosférica,
e também abordou os diferentes tipos de destilação, além de detalhar as principais
partes e o mecanismo de funcionamento de uma torre de destilação atmosférica.
42
Capítulo 4: Curvas de Destilação e Nível de
Fracionamento
4.1: Curvas de Destilação
O petróleo é uma mistura complexa, formado por muitos componentes, em
sua maioria hidrocarbonetos, pelo que não é possível identificar ou determinar a
composição de cada componente puro.
Mas para se executar projetos e otimizações de unidades, é necessário se
obter uma caracterização dos componentes do petróleo, através de métodos
indiretos, baseados em propriedades médias e/ou empiricamente determinados.
Desta premissa, surgem os vários ensaios realizados em laboratório, visando
levantar curvas de destilação.
Vale lembrar que a destilação não visa obter produtos com uma
composição definida em termos de componentes, sendo que na maioria das vezes
os produtos são uma mistura complexa de hidrocarbonetos (frações do petróleo).
Com o objetivo de se avaliar o fracionamento entre os diversos produtos
e/ou seções de uma torre, utilizam-se as curvas de destilação destes produtos,
comparando o ponto final (PFE) de determinado produto e o ponto inicial (PIE) do
respectivo produto retirado imediatamente abaixo na torre.
Um detalhe interessante é que todos os tipos de ensaios de destilação são
realizados em bateladas, e a sua destilação é a mais completa possível.
Dois tipos de curvas de destilação são utilizadas no programa de
inferências da REPAR [ 1 ] [ 5 ].
4.1.1: Curvas ASTM (American Society For Testing And Materials)
Neste método, os vapores formados em decorrência do aquecimento do
balão de destilação são continuamente removidos do aparelho e condensados,
sem refluxos externos para a coluna. Por causa das perdas de calor do
equipamento para o exterior, existe uma pequena condensação de vapores
43
formados, gerando gotas de condensado que retornam ao balão, vindo dai o
pequeno e grosseiro fracionamento deste método (comparando com a PEV).
Ao decorrer do ensaio, se vão registrando progressivamente o volume de
destilado e a temperatura correspondente.
A curva obtida com a metodologia ASTM é a mais fácil de ser obtida em
laboratório, tendo como desvantagem não fornecer grande precisão nos
resultados, em grande parte devido ao fracionamento pobre que é obtido. A curva
ASTM fornece basicamente porcentagens vaporizadas de volume de 5% em 5%,
e é utilizada basicamente para controle de qualidade das frações de petróleo.
Existem vários tipos de padronizações diferentes, conforme o produto e a
pressão utilizados.
O método ASTM D-86 é para produtos com PFE até 400°C, sendo
realizado na pressão atmosférica, enquanto o ASTM D-1160 é para produtos com
PFE acima deste valor, sendo realizado o teste em uma coluna a vácuo.
Na figura 18 vê-se o comportamento da curva de destilação ASTM.
Figura 18: Curva de Destilação ASTM.
4.1.2: Curva PEV (Ponto de Ebulição Verdadeiro)
Esta curva de destilação é levantada em uma coluna especial, dotada de
um grande numero de estágios ideais de equilíbrio e trabalhando com uma razão
de refluxo elevada. Tem como objetivo se aproximar da condição que cada ponto
da curva represente o ponto de ebulição de seus componentes na pressão da
44
destilação. É necessário para isto operar com um volume razoável de amostra
(por exemplo, cem litros), além de recolher o destilado em frações reduzidas de
volume, para se estreitar a faixa dos componentes obtidos.
Este ensaio se inicia pela debutanização (remoção de hidrocarbonetos mais
leves que o butano) a uma temperatura constante de -20°C no condensador, além
da pesagem e análise dos gases em cromatografia gasosa. Depois se parte para
a destilação, ajustando a retirada do produto de acordo com critérios préestabelecidos. Caso sejam necessárias altas temperaturas por causa de
componentes pesados, se continua a destilação a pressões menores que a
pressão atmosférica, evitando assim o craqueamento.
Na hora de montar a curva, caso necessário, se corrige as temperaturas
obtidas em pressões sub-atmosféricas para a pressão atmosférica.
A destilação PEV fornece uma separação mais precisa dos componentes
do petróleo ou de uma fração de petróleo, com isso se obtendo uma alta precisão
e exatidão de seus resultados. Em contrapartida, é uma análise muito demorada,
além de ser de alto custo e difícil execução, com isso sendo raramente realizada,
a não ser para avaliação do petróleo e suas frações, para determinar sua
qualidade e possíveis rendimentos.
Este método permite separar porcentagens vaporizadas em faixas bem
estreitas, por exemplo, 1%, 2%, 3%, etc.
Na figura 19 vê-se o comportamento da curva de destilação PEV.
Figura 19: Curva de Destilação PEV.
45
4.1.3: Comparação Entre as Curvas ASTM e PEV
Figura 20: Comparação Entre as Duas Curvas.
A figura 20 mostra de forma comparativa as curvas ASTM e PEV obtidas na
destilação de uma mesma fração de petróleo.
4.2: Nível de Fracionamento
O nível de fracionamento entre dois cortes destilados é um dos parâmetros
mais importantes de otimização na operação de uma torre [ 1 ] [ 5 ].
O fracionamento entre dois cortes destilados é dito perfeito quando não
existem componentes comuns entre os destilados. Isso acontece quando o ponto
final do corte da fração mais leve coincidir com o ponto inicial do corte da fração
mais pesada, na curva PEV.
Nestas condições, o ponto final da curva de destilação ASTM da fração
mais leve seria inferior ao ponto inicial da curva de destilação ASTM da fração
mais pesada.
Este fracionamento perfeito é mostrado na figura 21.
46
Figura 21: Fracionamento Perfeito.
Esse acontecimento é indicado nas curvas de destilação ASTM pelo
chamado GAP, que serve como uma indicação de ótima qualidade de
fracionamento.
O caso diretamente oposto, quando a separação não é boa, é quando as
frações sucessivas possuem elementos em comum, acarretando em que os
pontos finais das curvas PEV e ASTM da fração leve são superiores aos pontos
iniciais das curvas PEV e ASTM da fração pesada, conforme mostrado na figura
22.
Figura 22: Fracionamento Ruim.
A disposição das curvas mostradas pode ser chamada de overlap, sendo
que o valor de overlap é diretamente correspondente ao quanto pior esta sendo a
47
separação, ou seja, quanto maior o overlap, pior a separação. Como os pontos
finais e iniciais da curva de destilação ASTM não podem ser determinados com
muita precisão, se considerar para a separação os pontos 5% ASTM e 95% ASTM
para se estimar a seletividade do fracionamento em uma determinada seção.
Assim, definem-se:
•
“GAP”: Temp. 5% do prod. pesado – Temp. 95% do prod. leve > 0;
•
“OVERLAP”: Temp. 5% do prod. pesado – Temp. 95% do prod. leve < 0.
A tabela 2 mostra um exemplo de uma mistura com pontos das curvas de
nafta leve e pesada e querosene:
Destilação Nafta Leve
PIE (°C)
35
5% (°C)
48
10% (°C)
51
30% (°C)
61
50% (°C)
74
70% (°C)
91
90% (°C)
109
95% (°C)
116
PFE (°C)
122
Nafta Pesada
73
110
116
129
137
145
155
159
168
Tabela 2: Pontos de Destilação ASTM.
Querosene
194
198
201
208
214
221
235
241
255
A partir da análise realizada e da tabela 2 obtém-se:
•
Nafta Pesada (110ºC) - Nafta Leve (116ºC) = Overlap de 6ºC;
•
Querosene (198ºC) - Nafta Pesada (159ºC) = Gap de 39ºC.
Com esses dois fatos, se pode afirmar que a separação entre as Naftas não
é satisfatório, por apresentar um overlap de 6ºC, e que a separação entre a Nafta
Pesada e o Querosene é satisfatória, por apresentar um gap de 39ºC.
Vale citar também que, para se melhorar o fracionamento entre dois
produtos laterais adjacentes, se deve aumentar o refluxo líquido nos pratos entre
eles. Esse aumento pode ser alcançado tanto pela redução dos refluxos
circulantes, quanto pela redução da retirada do corte superior (leve) e um igual
aumento na retirada do corte inferior (pesado), sempre cuidando para que os
produtos não saiam da especificação.
48
4.3: Conclusões do Capítulo
Neste capítulo analisou-se a importância das curvas de destilação para
caracterização das frações obtidas do petróleo, e também o conceito de nível de
fracionamento, um parâmetro importante para a otimização da unidade
atmosférica.
49
Capítulo 5: Torre de Destilação Atmosférica (T-2103)
O programa de inferências estudado neste trabalho utiliza dado da torre T2103. Assim, neste capítulo, analisam-se com detalhes as principais partes da
torre de destilação atmosférica (T-2103), os seus refluxos da torre e as correntes
de produtos que saem da mesma.
Na T-2103, o petróleo pré-fracionado na torre pré-flash (T-2101) sofre novo
fracionamento, fornecendo Nafta Pesada como produto de topo, Resíduo
Atmosférico como produto de fundo, e Querosene, Diesel Leve e Diesel Pesado
como produtos laterais [ 5 ].
Conforme visto anteriormente, esta torre é dividida em duas seções, uma
de absorção, que se situa acima da zona de vaporização, e a outra de
esgotamento, que se situa abaixo da zona de vaporização.
Um detalhe interessante é que o controle do fracionamento e o balanço de
calor da T-2103 é realizado através de três refluxos circulantes, que são: o Refluxo
Circulante Superior (Nafta Pesada), Refluxo Circulante Intermediário (Diesel Leve)
e o Refluxo Circulante de Fundo (Diesel Pesado), complementado com Refluxo de
Topo (Nafta Pesada), que no projeto original previa ser utilizado apenas durante o
processamento de petróleo Baiano.
Hoje, com as várias alterações sofridas tanto no projeto da torre quanto no
perfil do petróleo a ser refinado, este refluxo é utilizado com frequência. No
entanto, se tenta manter seu uso no mínimo possível, por questão de economia de
energia (por desperdício de calor nos air-coolers do topo da torre).
5.1: Seção de Fracionamento
A seção de fracionamento da T-2103 é constituída das seguintes partes:
1. Dez pratos valvulados, na região entre o topo e a retirada de Querosene;
2. Um leito de recheios ordenados para o fracionamento (250Y) de 1,89 m. de
espessura, na região entre a retirada do Querosene e a de Diesel Leve;
50
3. Dois leitos de recheios randômicos para troca de calor (superior de
IMTP#50 e inferior de IMTP#70) de 1 m. e 1,4 m. de espessura
respectivamente, na região entre a retirada de Querosene e a de Diesel
Leve, abaixo do leito dos recheios ordenados;
4. Um leito de recheios ordenados para o fracionamento (250Y) de 1,686 m.
de espessura, na região entre a retirada de Diesel Leve e a de Diesel
Pesado;
5. Um leito de recheios randômicos para troca de calor (IMTP#70) de 2,1 m.
de espessura, na região entre a retirada de Diesel Leve e a de Diesel
Pesado, abaixo do leito dos recheios ordenados;
6. Um leito de recheios ordenados para o fracionamento (250Y) de 1,89 m. de
espessura, na região de sobrevaporizados (entre a retirada de Diesel
Pesado e a entrada de carga);
7. E finalizando, possui uma panela para retirada de R.C.S., um acumulador
para a retirada de Querosene, uma panela para a retirada de Diesel Leve, e
uma panela para a retirada do Diesel Pesado.
5.2: Seção de Retificação
A seção de retificação da T-2103 é constituída das seguintes partes:
1. Dois leitos de recheios randômicos para troca de calor, sendo o superior de
IMTP#40 e o inferior de IMTP#25, com 1,3 m. e 1,2 m. de espessura
respectivamente, na região abaixo da entrada de carga, onde ocorre a
retificação do produto de fundo.
2. Um distribuidor de vapor de retificação, que pode receber vapor de baixa
pressão superaquecido e vapor de média pressão, cujas vazões são
controladas respectivamente por dois controladores e indicadores de vazão
(FIC-2126 e FIC-2127), situado logo abaixo dos leitos de retificação.
51
5.3: Objetivos e Tipos de Refluxos da T-2103
Conforme foi visto nos capítulos anteriores, para se alcançar um
fracionamento perfeito, seria necessário um número muito grande de pratos, o que
não é realizável do ponto de vista econômico. Para remediar esta situação, de
fracionamento não perfeito, se aumenta o volume de líquido que escoa ao longo
das bandejas através de refluxos.
Dessa maneira, se aumentando a quantidade de refluxo que desce prato a
prato, se pode variar o grau de fracionamento ao longo de uma faixa.
São três os tipos de refluxos presentes na T-2103, o refluxo interno, o de
topo e o circulante.
5.3.1: Refluxo Interno
É o refluxo que desce de prato a prato no interior da torre, e é causado pelo
refluxo de topo.
Diferente do refluxo de topo, o refluxo interno é um refluxo quente, ou seja,
o refluxo se encontra em seu ponto de bolha, desta maneira removendo
unicamente calor latente para sua vaporização.
Vale citar que esta vaporização acaba por gerar outro refluxo interno, de
composição e temperatura diferentes do anterior, sucessivamente ao longo da
torre.
5.3.2: Refluxo de Topo
Também conhecido como refluxo externo, é a corrente líquida produzida
pela condensação de parte dos vapores do topo da coluna, que retorna para o
topo da torre, no primeiro prato.
É um refluxo classificado como frio, pois chega na torre com uma
temperatura abaixo do seu ponto de bolha. Com isso, ele remove uma quantidade
de calor (sensível para aquecer e latente para vaporizar) para elevar a sua
temperatura até a temperatura de controle de topo da torre. Facilmente se percebe
52
que, quanto mais baixa for a temperatura do refluxo de topo, maior será o refluxo
interno da torre, e em conseqüência disto melhor será o fracionamento dos
produtos.
5.3.3: Refluxo Circulante
Este refluxo difere dos outros dois citados por não ser vaporizado. Ele
remove unicamente calor sensível, representado pela diferença de temperatura na
circulação. O refluxo sai da torre no seu ponto de bolha à alta temperatura, e
retorna ao sistema apos ter sido resfriado.
Este calor é utilizado geralmente para remover calor em pontos abaixo do
topo da torre, e com isso, acaba por gerar duas vantagens:
1. Reduz o refluxo de topo, portanto a vazão de vapores que sobem pela
torre, com isso diminuindo o diâmetro da torre e o condensador de topo;
2. Sua alta temperatura pode ser usada como fonte de calor para o
aquecimento do petróleo crú.
Em compensação, o refluxo circulante acaba por gerar duas desvantagens:
1. Com a diminuição do refluxo de topo (e conseqüentemente o refluxo
interno), acaba por piorar o grau de fracionamento na região acima do prato
onde o refluxo circulante é introduzido;
2. Aumenta o número de pratos da torre, pois sua introdução acaba por criar a
necessidade de uma área para se conseguir uma troca de calor interna, de
modo a levar o refluxo sub-resfriado a líquido saturado (ponto de bolha) no
prato de retirada.
Um detalhe interessante também é que, por o calor deste refluxo ser cedido
ao crú, esse refluxo não pode sofrer grandes variações, para evitar variações na
temperatura do petróleo na entrada do sistema.
53
5.4: Detalhes dos Produtos e Frações da T-2103
De uma maneira geral, pela destilação ser um processo físico, as
propriedades
físicas
dos
componentes
não
são
alteradas,
apesar
de
ocasionalmente ocorrer o craqueamento térmico de frações mais pesadas.
Dentre os vários produtos produzidos na unidade de destilação, os que são
produzidos diretamente na T-2103, com detalhes sobre estes produtos, são vistos
a seguir.
5.4.1: Nafta DD (Destilação Direta)
Nafta é um termo genérico que se refere a frações mais leves do petróleo,
sendo que sua faixa de destilação abrange a gasolina e o querosene comerciais.
Sua faixa de destilação ASTM geralmente varia de 20°C a 220°C.
A nafta DD se divide em três naftas (pesada, intermediária e leve), sendo
que apenas a nafta pesada é produzida na T-2103.
A nafta DD pode tem aplicações que vão desde fazer parte do pool de
gasolina até produção de solventes industriais.
5.4.2: Querosene
O querosene contém hidrocarbonetos de 9 a 17 átomos de carbono, e tem
uma faixa de destilação normalmente entre 150°C e 300°C.
Foi o primeiro derivado de petróleo a ser obtido, e o principal derivado até o
surgimento da indústria automotiva, quando era utilizado para iluminação.
Atualmente, é utilizado em grande parte como constituinte do pool de óleo
diesel, e como querosene de aviação.
5.4.3: Gasóleos Atmosféricos (Diesel Leve e Pesado)
Os gasóleos atmosféricos contém uma grande faixa de hidrocarbonetos,
com uma faixa de destilação normalmente entre 150°C e 400°C. Por causa dessa
grande faixa de destilação, eles são retirados em dois cortes diferentes na coluna
54
de destilação, alem de ter seu principal uso como participantes do diesel
automotivo, daí surgindo a denominação diesel leve e pesado.
Vale citar que, no caso especifico do Brasil, devido a grande demanda de
diesel, se adiciona também ao blend à nafta pesada e o querosene, além do LCO
obtido da unidade de craqueamento catalítico.
5.5: Conclusões do Capítulo
Neste capítulo foi visto em detalhe as seções da torre de destilação
atmosférica (T-2103), os seus refluxos e os produtos obtidos a partir desta. Essa
visão em maiores detalhes se justifica por ser esta a torre “montada” no programa
de inferências.
55
Capítulo 6: Inferências e Controle Avançado
Neste capítulo, estuda-se o conceito de inferências, o sistema de controle
avançado da unidade 2100 e as variáveis de interesse para este controle [ 6 ].
6.1: Inferências – Conceito e Utilidade
Inferir, que é um termo da lógica, significa tirar uma conclusão se baseando
em certas hipóteses e certos conhecimentos disponíveis. Dois tipos principais de
inferências são as deduções e as induções.
Inferência, para a área de controle, significa estimar o valor de uma variável
que não pode ser medida em tempo real através de cálculos baseados em outras
medidas que estão disponíveis no processo.
Como exemplo de propriedades em que inferidores são utilizados, temos a
curva de destilação ASTM de vários produtos, PVR de naftas ou ponto de fulgor
médio, intemperismo do GLP, teor de C3+ no gás combustível, etc.
Sempre lembrando que os cálculos utilizam para sua realização medidas de
temperatura, vazão ou pressão.
Pode-se, de maneira simples, entender a utilidade de um inferidor para um
sistema de controle.
A figura 23 mostra um sistema de controle por realimentação quando podese medir a variável a ser controlada.
Figura 23: Controle Realimentado.
56
O problema, quando a variável controlada é uma composição química,
passa a ser o grande atraso na obtenção da resposta, obtida dos analisadores do
laboratório.
Para contornar isto é utilizado o inferidor, que através dos valores de
variáveis secundárias mensuráveis (zk) e da variável manipulada, estima o valor,
através de correlações matemáticas, da variável controlada.
O esquema de controle, usando o inferidor, fica de acordo com a figura 24.
Figura 24: Controle com Inferidor.
É importante ressaltar que uma malha de controle inferencial depende
diretamente da qualidade do estimador. Esta qualidade depende do conhecimento
que se tem do processo, sendo indispensável realizar estudos junto ao setor de
engenharia de operação da planta.
Outro fato de grande importância para uma boa qualidade do inferidor é o
ajuste dos coeficientes estatísticos das correlações. Este deve ser realizado se
baseando em um certo conjunto de dias, onde a planta, além de se encontrar em
um ponto estável de funcionamento, permita que as variáveis da unidade
alcancem uma faixa significativa de valores de operação.
No caso específico da Petrobras, o controle inferencial tem sido muito
usado, como parte de controladores preditivos multivariáveis, na forma de
subrotinas de cálculos de propriedades por correlações matemáticas.
57
6.2: Controle Avançado
O controle avançado utilizado na unidade realiza três grandes passos, que
são os seguintes:
1. Através das respostas em degrau levantadas na identificação da unidade
(aplicando variações nos set points dos controladores locais), e tendo em
sua memória todos os set points das variáveis manipuladas, o controle faz
previsões do valor futuro das variáveis controladas;
2. Otimiza todos os valores das variáveis manipuladas (set points para o
SDCD), buscando atingir, com as previsões futuras, faixas aceitáveis de
máximos e mínimos. Para isso, o otimizador utiliza programação linear, e
define objetivos para o controle da unidade, através de pesos e restrições
para as variáveis manipuladas;
3. Tendo em posse os objetivos definidos pelo passo dois, o controlador
encaminha suavemente a unidade para estes objetivos. Utiliza para este fim
uma técnica chamada controle por matriz dinâmica (DMC).
A técnica chamada de Dynamic Matrix Control é um algoritmo de controle
multivariável sem restrições. É assim conhecido porque utiliza uma matriz,
chamada de matriz dinâmica, que associa mudanças nas saídas futuras do
sistema com uma combinação linear de mudanças em entradas futuras. Usando
esta representação em matriz, o vetor de movimento ótimo pode ser computado
analiticamente como solução de um problema de mínimos quadrados [ 7] .
A figura 25 indica o funcionamento do controle avançado acima detalhado.
58
Figura 25: Esquema Geral do Controle Avançado.
Sintetizando o que foi dito acima, o controle avançado tem caráter preditivo
e otimizador.
O caráter preditivo se deve pela capacidade do controle de prever o
comportamento futuro das variáveis controladas, e o caráter otimizador se deve a
capacidade do controlador, que leva em conta restrições no processo controlado,
tanto por questões econômicas quanto necessidades de processo, e busca
valores ótimos para as variáveis manipuladas dentro de uma janela operacional
criada pelas restrições.
Finalizando, levando-se em conta apenas o módulo DMC do controle
avançado, percebe-se que o mesmo busca minimizar tanto o erro da variável
controlada quanto a movimentação das variáveis manipuladas.
Atualmente, nas refinarias, este controle DMC tem como características:
•
A cada minuto são reavaliadas as ações de controle;
•
O controlador é multivariável.
6.3: Conclusões do Capítulo
Neste capítulo foi apresentado o conceito de inferência, a sua importância
para o controle avançado, e detalhes do funcionamento deste.
59
Capítulo 7: Programa de Inferências da Destilação ASTM
Este capítulo apresenta o funcionamento do programa de inferência,
detalhando cada uma das partes.
Além da linguagem formal, se adotou como ferramenta na geração desta
documentação o UML (Unified Modeling Language). O UML é uma estruturação
que permite escalabilidade, segurança, e execução robusta sobre condições de
stress, visando permitir que programadores de manutenção possam rapidamente
achar e corrigir defeitos que apareçam muito depois dos autores originais terem
passado para outros projetos [ 8 ] [ 9 ].
Os detalhes das contas realizadas pelo programa, os fluxogramas e
diagramas UML demonstrando o funcionamento das funções, também a lista de
métodos e variáveis dos objetos que o compõe, além de dados sobre a ligação do
programa e variáveis necessárias para montagem de outras torres no software
geraram um documento a parte. Este documento está disponível na biblioteca do
departamento de automação e sistemas (DAS), intitulado de “Detalhes Técnicos
Sobre o Software Inferidor da Destilação Atmosférica” [ 10 ].
7.1: Introdução
Um dos problemas mais desafiadores enfrentados por operadores de
refinarias é o controle efetivo de torres de unidades de destilação. O problema de
gerenciamento deste tipo de processo se mostra um problema formidável devido à
junção de dois fatores:
•
Interações complexas entre variáveis de processo;
•
Necessidade de confiabilidade nas medições em tempo real para o controle
direto da qualidade dos produtos.
Os sistemas de controle convencionais de unidades de processo não têm
conseguido solucionar efetivamente este problema.
60
Devido a isto, são utilizadas estratégias avançadas de controle para os
pontos de corte de produtos das torres de unidades de destilação atmosférica, que
combinam modelos matemáticos com medições padrões do processo, para
predizer parâmetros de qualidade das correntes de produtos da torre.
Usando estas predições, técnicas avançadas de controle estabilizam a
qualidade dos produtos e minimizam o consumo de energia na torre.
7.1.1: Controle Avançado na Unidade de Destilação Atmosférica
O programa inferidor foi desenvolvido como uma ferramenta para
implementar estratégias de controle e supervisão de fracionamento.
Com o objetivo de melhorar o rendimento da unidade de processo e a
qualidade dos produtos, as variáveis inferidas são utilizadas nos loops de controle
supervisório. Além deste uso, estas variáveis de processo inferidas podem servir
para prover uma avaliação global do status operacional da planta.
Controles inferênciais precisam ser seguros e corretos, já que as variáveis
estimadas, como relação fluxo líquido / vapor, pontos de cortes dos produtos,
carga térmica e condições de inundação, podem ser usadas para controle em
tempo real, para levar a unidade de processo aos seus objetivos operacionais.
7.1.2: Cálculo das Propriedades Internas da T-2103
O programa de inferências calcula em tempo real (“on-line”), a cada trinta
segundos, as vazões internas de líquido e vapor em cada seção, as propriedades
físicas destas correntes, os calores retirados pelo condensador de topo e pelos
refluxos circulantes, e os parâmetros de hidráulica das seções da torre.
Todos estes cálculos são efetuados a partir das variáveis operacionais nas
diversas seções da torre, como vazões, temperaturas e pressões, correlações
termodinâmicas e balanços materiais e energéticos.
61
7.1.2.1: Variáveis Calculadas para cada Seção
•
Calor Retirado dos Permutadores dos Refluxos Circulantes: Apresentado
em Gcal/h, representa o calor retirado de cada seção da torre pelos refluxos
circulantes e cedido a bateria de pré-aquecimento e a T-2102 (Torre
Estabilizadora depois da Torre Pré-Flash).
•
Relação L/V Molar: É a relação entre a vazão molar de liquido que desce da
seção e a vazão molar de vapor que chega na seção. Esta variável tem
bastante influência no fracionamento (grau de separação) entre o produto
da seção e da seção logo abaixo. O L/V do prato do diesel pesado, também
chamado de sobrevaporizado da torre, tem influência na qualidade do
diesel linha, com relação aos seus compostos mais pesados.
•
Fator de “Flooding”(FF): É a relação entre a capacidade hidráulica atual de
uma seção e sua capacidade máxima operacional. É apresentado em
porcentagem. Para as seções de pratos, a capacidade máxima operacional
seria aquela em que poderia ocorrer arraste ou inundação. Para seções de
recheio, a capacidade máxima é aquela onde a eficiência do recheio
começa a diminuir. Antes do REVAMP de 2004 da unidade 2100, as seções
de RCS e Querosene eram de pratos, sendo que agora toda a torre tem
seções de recheio.
7.1.2.2: Inferência da Destilação ASTM dos produtos da T-2103
A partir de variáveis operacionais da torre, como temperaturas, pressões e
vazões, é feita a inferência da destilação ASTM dos produtos da T-2103. Vale
lembrar que este cálculo independe da característica da carga, já que, quando
muda o tipo de petróleo processado, as variáveis operacionais na torre (vazão,
temperaturas e pressões) se alteram, informando ao inferidor a nova curva de
destilação.
Resumidamente, o programa inferidor realiza os seguintes passos:
62
•
Calcula as temperaturas de 30% de vaporização ASTM dos produtos, a
partir das temperaturas dos pratos de retirada, corrigidas para a pressão
atmosférica;
•
Calcula a inclinação da curva ASTM (temperatura / vazão) para cada
produto;
•
Calcula as outras temperaturas ASTM de cada um dos produtos
interpolando-se linearmente em relação às vazões dos produtos;
•
Calcula as temperaturas ASTM do diesel linha, fazendo uma média
ponderada em relação às vazões e das temperaturas dos produtos,
utilizando-se um índice de mistura.
Vale lembrar que para a inferência da nafta pesada, a temperatura utilizada
para a realização da interpolação com o produto inferior (querosene) é a de 85%,
e não a de 30% como nos outros.
O cálculo ainda usa diversas correções estatísticas para adequar os valores
calculados aos dados particulares da REPAR, e filtros dinâmicos para compensar
as variações do processo no tempo.
7.1.3: Considerações Sobre o Fracionamento para o Programa de
Inferências
Figura 26: Cortes / PEV.
63
A figura 26 representa as faixas de destilação (corte / produto) da nafta
pesada e do querosene, e a reta ao fundo representa a curva P.E.V. do petróleo.
A faixa compreendida entre os trinta e setenta % vaporizados da sempre sobre a
reta e independe do grau de fracionamento. Os desvios dos cortes em relação à
reta guia, compreendendo a parte inicial e final dos cortes dos produtos, são em
função do fracionamento.
O L/V é a relação, numa determinada região de fracionamento, do líquido
descendente pelo vapor ascendente, como exemplifica a figura 27.
Figura 27: Fracionamento em uma Seção da Torre Atmosférica.
Essa figura mostra claramente duas regiões, uma imediatamente acima da
seção, e outra imediatamente abaixo da mesma, sendo que cada uma tem seu
respectivo L/V.
O fracionamento, conforme visto no capítulo 4, é função do número de
pratos teóricos da torre e do refluxo interno ao longo da torre. Como há limitação
no número de pratos teóricos da torre, pois este já está definido, procura-se uma
condição de L/V que proporcione o melhor fracionamento, fornecendo-se calor
suficiente à carga ou reduzindo-se a pressão parcial dos hidrocarbonetos na
região de flash.
64
Figura 28: L/V e o fracionamento.
Na figura 28, se pode ver que efeito um aumento no L/V no corte entre a
querosene e o diesel leve. Nota-se que, à medida que o L/V aumenta, o desvio em
relação à curva do cru (PEV) diminui, ou seja, melhora o fracionamento, contudo
será maior o volume de líquido que desce ao longo da torre (refluxo interno
sobrevaporizado), assim aumentando o delta de pressão ao longo da torre.
Levando essa condição ao extremo, chegaria um momento em que o nível de
líquido de cada prato levaria a uma condição de atolamento, e no recheio a uma
diminuição de sua eficiência (flooding). Assim, se percebe que só se chegaria a
um fracionamento perfeito, com rendimento máximo dos produtos, se o número de
pratos teóricos fosse infinito. Assim, a condição que está sendo perseguida é a de
menor pressão.
Figura 29: Torre de destilação / fracionamento.
65
Na figura 29 se encontra representado, à grosso modo, a eficiência de
fracionamento em uma torre de destilação, onde se vê que nem todo o produto
vaporizado é retirado da torre, uma fração do líquido vaporizado retorna ao longo
da torre (refluxo interno - sobrevaporizado), e se soma ao líquido que não
vaporizou na retirada de fundo. O problema enfrentado consiste em minimizar o
sobrevaporizado sem comprometer a qualidade do diesel pesado e do diesel linha
por conseqüência.
7.2: Visão Geral do Programa Principal de Inferência da Torre
Atmosférica
O programa pode ser dividido em quatro seções bem distintas, cada uma
com seu objetivo [ 11 ]:
1. Criação das várias partes que compõem a coluna de destilação e seus
produtos e definição de parâmetros que se mantém constantes;
2. Inicialização das partes criadas na seção anterior e dos canais de
comunicação do programa;
3. Ligação entre as várias partes inicializadas na seção anterior; de acordo
com a coluna que se deseja montar;
4. Loop (repetição) principal do programa de inferência, onde são realizadas
as leituras de valores do processo, as inferências, e a posterior escrita
destes valores para o PI. O programa permanece nesta seção após sua
primeira iteração.
As seções citadas acima podem ser vistas em maiores detalhes nas seções
7.2.1, 7.2.2, 7.2.3 e 7.2.4 respectivamente.
Vale citar que, tanto a leitura de valores do programa, quanto à escrita de
valores calculados, pode ser tanto diretamente do PI quanto de um arquivo texto.
Essa funcionalidade foi incluída para permitir a realização com mais facilidade de
66
testes com o programa, se gerando um conjunto de entradas empírico e
analisando as saídas fornecidas pelo programa.
7.2.1: Declaração das Partes da Torre Atmosférica
Inicialmente, são incluídas algumas bibliotecas padrões do sistema, e as
declarações dos objetos que virão a serem usados no programa.
A seguir, são definidos parâmetros constantes da torre, como área dos
pratos e espaçamento entre eles, e fatores de perdas por radiação e correção de
leitos.
É declarada também uma variável global para receber o tempo de
amostragem.
Em seguida declaram-se os produtos e as suas respectivas características
de entrada, e são realizados os cálculos de algumas propriedades deles (sendo
mostradas na seção 7.3 quais propriedades). No caso da torre atualmente
montada, as frações são: Nafta Pesada, Querosene, Diesel Leve, Diesel Pesado,
RCS, RAT (Resíduo Atmosférico), LCO, e o Blend do Diesel.
Do blend do diesel participam as frações NP, QR, DL, DP e LCO.
Depois são declarados os refluxos circulantes, que no caso da torre atual
são: refluxo circulante superior, intermediário e de fundo.
Então são declarados os leitos (hidráulica), que são pratos e recheios
superiores e inferiores. Finalizando, são declaradas as seções da coluna
atmosférica, que na coluna atual são: seção de topo, de RCS, de QR, de DL, de
DP e de Fundo.
Após a etapa previamente descrita, se entra no propriamente dito programa
principal, dentro da main(), e na etapa de inicialização.
7.2.2: Inicialização das Partes da Torre Atmosférica
Primeiramente, é inicializado o tempo de amostragem, também chamado de
tempo de scan.
67
Depois, são inicializados os produtos, com estes recebendo valores para:
limites máximos e mínimos de vazão, porcentagens de vaporização e as
constantes de tempo dos filtros dinâmicos.
Posteriormente se inicializam as seções, com estas recebendo valores
para: limites máximos de temperatura de entrada e saída da seção e constantes
de tempo dos filtros dinâmicos.
Dá-se a continuação da inicialização dos refluxos circulantes, sendo
fornecido aos refluxos constantes de tempo dos filtros dinâmicos.
Por fim, são inicializados os streams (canais) de entrada e saída do
programa, e a variável de controle do loop.
7.2.3: Ligação das Partes da Torre Atmosférica
A seguinte etapa consiste na ligação dos componentes da coluna
atmosférica, iniciando pelos produtos. Os produtos são ligados entre si, e a uma
seção da coluna, figura 30:
Figura 30: Ligação dos Produtos.
Depois é realizada a ligação entre as seções, entre si, com os produtos
retirados das seções, e com leitos, figura 31, conforme segue:
68
Figura 31: Ligação das Seções.
E finalizando as ligações, são realizadas as ligações entre os refluxos
circulantes e seus respectivos produtos que os compõe, figura 32, conforme
segue:
Figura 32: Ligação dos Refluxos.
69
Finalmente se entra no loop principal do programa, que é mostrado em
detalhes na seção seguinte.
7.2.4: Loop Principal do Programa de Inferência
Nesta seção, o programa chama três grandes funções, descritas a seguir:
1. Lê os Dados, que carrega para o programa de inferência os valores das
variáveis referenciadas pelos tags do PI [ 10 ]. Há também a opção do
programa ler diretamente de um arquivo texto, função útil para a realização
de testes e calibrações do programa [ 12 ];
2. Calcula a Torre, onde o programa de inferência, utilizando os dados que
foram carregados durante a etapa de inicialização e os dados carregados
no passo um, calcula os valores das variáveis de saída [ 10 ];
3. Escreve os Resultados, último passo do loop, onde os valores calculados
no passo dois são escritos num canal (stream) de saída, podendo ser ele
um arquivo texto ou diretamente no PI, de acordo com o desejo do usuário.
O programa repete estes três passos indefinidamente.
Estas três grandes funções são vistas de uma maneira mais detalhada nas
seções 7.5, 7.6 e 7.7, respectivamente Lê Dados, Calcula a Torre e Escreve
Resultados.
7.3: A Função que Calcula as Propriedades
Quando o produto é instanciado no início do programa, ele chama a função
Calcula Propriedades, que por usa vez chama outras quatros funções [ 10 ]:
1. Calcula d20, no caso a densidade aa 20/4;
2. Calcula MW, no caso o peso molecular;
70
3. Calcula Propriedades Críticas, no caso temperatura e pressão crítica, e o
fator acêntrico e o Hfv/R;
4. Calcula CP, no caso as constantes para a entalpia da fração.
7.4: Filtros e Wegstein
São duas classes auxiliares utilizadas inúmeras vezes no programa de
inferência.
A função chamada filtro nada mais é do que um filtro de primeira ordem
(passa baixa). Serve para atenuar o resultado de mudanças bruscas das variáveis
da unidade, e também ruídos nas mesmas.
A função chamada Wegstein serve para acelerar a convergência de uma
função, similar ao método elaborado por Newton.
7.5: Visão Mais Detalhada da Função Lê Dados Pertencente ao
Loop Principal
É lida pela função a vazão volumétrica (e desta calculada a vazão mássica)
dos produtos da torre.
Para o LCO (que não provém da torre) é lido a densidade 20/4 e toda sua
curva de destilação ASTM.
Depois é lido o fator KW do Diesel, e caso ele seja aceito é utilizado, caso
contrário, um valor padrão é utilizado. Os demais produtos têm seu KW igualado
ao do Diesel.
E então, passam a serem lidos dados das seções, como: vazão do refluxo
de topo, pressão e temperaturas de entrada e saída da seção.
Por fim, são lidas vazões e temperaturas para os refluxos circulantes.
71
7.6: Visão Mais Detalhada da Função Calcula Torre Pertencente
ao Loop Principal
Esta função acaba por ser o núcleo do programa inferidor, sendo dela que
todas as inferências são feitas, e todos os cálculos de como os valores lidos
afetam a coluna.
Pode se dividir esta grande função de calcular a torre em quatro grandes
partes, sendo elas [ 10 ]:
•
O cálculo de vapor das seções, que tem como objetivo calcular as vazões
de vapor das seções;
•
O cálculo de toda a torre, que tem como objetivo calcular as vazões e
propriedades internas de cada seção;
•
A inferência da qualidade dos produtos, que tem como objetivo calcular a
curva de destilação ASTM de cada produto, além do fulgor e congelamento
para o querosene;
•
O cálculo da densidade do RCS.
7.7: Visão Mais Detalhada da Função Escreve Resultados
Pertencente ao Loop Principal
Inicialmente, a função Escreve Resultados confere se o canal (stream) de
escrita esta aberto, para então começar a escrever os resultados.
A primeira coisa a ser escrita pela função são resultados referentes às
seções, como: calor retirado na seção, pressão, temperatura corrigida para um
ATM, relação L/V, capacidade dos leitos e vazão do líquido que sai da seção.
Finalizando, são escritos pela função resultados referentes aos produtos,
como: curva de destilação ASTM, densidade 20/4, e especificamente para o
querosene seu ponto de congelamento e fulgor.
72
7.8: Funções Importantes Utilizadas Pela Função Calcula Torre
Na parte chamada cálculo de toda a torre, as seguintes funções são utilizadas:
•
Função Entalpia, que calcula a entalpia de uma fração de petróleo,
utilizando o método de Victor Rice para desvio entálpico e do API data book
para a entalpia de liquido e gás;
•
Função Tatm, que corrige uma temperatura para pressão atmosférica,
quando fornecido um par, temperatura e pressão. A função utiliza a
equação de Clausius/Clayperon;
•
Funções
Densidade
Líquida
e
Densidade
Vapor,
que
calculam
respectivamente a densidade líquida e vapor de uma fração de petróleo;
•
Função Calor, que calcula a carga térmica de uma corrente de petróleo;
•
Função QVap, que calcula o calor trocado pelo vapor d’água na seção;
•
Função Calcula KW, que calcula o fator de caracterização Watson de uma
fração de petróleo.
Na parte de inferência da qualidade dos produtos, as seguintes funções são
utilizadas:
•
Função Calcula T30 ASTM, que serve para calcular a temperatura
correspondente a 30% de vaporização dos produtos;
•
Função Índice, que retorna o índice correspondente a uma porcentagem de
vaporização do produto;
•
Função Vap, que através de interpolação, retorna uma porcentagem de
vaporização correspondente a uma temperatura ASTM;
•
Função Calcula Slope, que calcula a inclinação ASTM da vazão pela
temperatura;
•
Função Calcula Temperatura (Tx), que serve para calcular a temperatura
de x % vaporizados de um produto;
73
•
Função Infere d60, que infere a densidade 60/60 (d60) do produto, a partir
da T50% ASTM.
•
Função Tastm, que serve para retornar uma temperatura ASTM
correspondente a uma porcentagem de vaporização do produto.
7.9: Funções Auxiliares Contidas Fora do Código do Programa
Principal
Vale citar que algumas funções importantes que são utilizadas pelo
Querosene e pelo Blend do Diesel se encontram separadas do código do
programa principal.
Quais são estas e o que fazem está detalhado mais abaixo:
•
Contém duas funções diferentes de transformar temperaturas ASTM para
PEV e vice-versa. O método que esta sendo usado pelo programa é o
baseado em Riazi e Daubert (1986), enquanto o outro que não está sendo
usado é baseado em Daubert (1994). Esses métodos aqui citados são
chamados pela próxima função, e acabam sendo usados na obtenção da
curva de temperaturas ASTM para o Blend.
•
Uma função de transformação, que transforma a curva ASTM para PEV e
vice-versa, usando a função anterior em seu cálculo.
•
E as últimas duas funções são utilizadas pelo Querosene, para encontrar o
seu ponto de congelamento e fulgor.
Outras funções importantes de interpolação, muito utilizadas por várias
partes do programa de inferência, se encontram separadas do código do
programa principal.
Neste arquivo também se encontram outras funções como raiz cúbica,
spline e outras utilidades, mas não estão sendo usada no programa de inferência.
Quais são e o que fazem estas funções está detalhado mais abaixo:
74
•
Contém duas funções diferentes, chamadas de bisec e hunt, para buscar
valores dentro de um vetor, retornando a posição do valor exato ou o
diretamente anterior ao procurado;
•
Duas funções de transformação, uma que transforma um valor na escala
linear para um valor na escala Sigmoidal, e uma que faz o inverso da
primeira;
•
Três funções de interpolação linear, mas apenas duas são utilizadas. Elas
são a interpolação bisec e interpolação hunt, cada uma usando o método
de busca de valores igual ao seu nome, sendo que apenas a segunda pode
realizar tanto interpolação como extrapolação;
•
E finalizando, uma função de interpolação sigmóide, que pode tanto
interpolar quanto extrapolar, usando a função sigmóide para converter
valores para ela e a inversa sigmóide para converter novamente os valores
no fim da conta.
7.10: Inclusão de LCO no Programa
Depois do REVAMP (modificação visando aumentar capacidade) da
unidade 2100 (Destilação), o produto LCO (óleo craqueado leve), proveniente da
unidade 2200 (Craqueamento Catalítico), passou a ser incluído no blend do diesel,
se unindo com as correntes de diesel pesado e parte do diesel leve que passam
pela unidade de hidro tratamento do diesel (HDS).
Com essa mudança, a curva de temperaturas ASTM para o blend do diesel
(Diesel Intermediário), inferida pelo programa, passou a apresentar um erro, por
não levar esse fato em conta.
Levando em conta que se encontram no Process Information (PI) dados
como a densidade 20/4 (d20) e quase toda a curva de destilação ASTM do LCO,
se incluiu este produto no blend, com os seguintes passos abaixo:
•
Criação da classe produto LCO (prod_lco);
75
•
Implementação de métodos para leitura das variáveis de interesse para
esse produto, citadas anteriormente, além de métodos para o cálculo do
fator de caracterização (kw) do LCO, conversão de graus Celsius para
Fahrenheit, estimação das temperaturas ASTM que faltavam, e inicialização
das porcentagens de vaporização vindas do arquivo de configuração.
Vale citar que a classe Blend já foi criada de maneira a ser fácil a retirada
ou adição de produtos, de modo que, após a criação do produto que faltava, foi
simples a sua inclusão na mistura.
7.11: Conclusões do Capítulo
Neste capítulo foi apresentado em detalhes o funcionamento do software
inferidor, as suas principais funções, em conjunto com as modificações realizadas
no mesmo.
76
Capítulo 8: Ajuste dos Coeficientes Estatísticos do
Inferidor
Para o correto funcionamento da inferência da curva de destilação ASTM
de cada produto da destilação atmosférica, que é a função mais importante do
programa, é necessário ajustar adequadamente os coeficientes dessa parte da
inferência.
Estes coeficientes servem para ajustar a inferência de acordo com as
características particulares da torre de destilação atmosférica da unidade 2100 da
REPAR.
Independente do x% de vaporização ASTM que se busca na grande maioria
dos casos, são três os coeficientes, figura 33, e se distribuem da seguinte forma:
Figura 33: Principais Coeficientes da Inferência
O coeficiente um multiplica a temperatura corrigida para pressão
atmosférica para o caso da inferência do T30% dos produtos (com exceção do
RAT), ou a temperatura de x% de vaporização de um produto (Tx), para o caso do
resto da curva dos produtos (com exceção da nafta pesada).
O coeficiente dois é o valor que é multiplicado pela relação Lv da seção
(apenas no caso da nafta pesada), ou pela relação Lv elevada ao quadrado, da
própria seção ou da seção anterior, de acordo com o mostrado na seção 7.6.3.
O último coeficiente, que aparece independente na fórmula, é comumente
chamado de bias, nada mais é do que um ajuste na equação, também visando
ajustar a correlação da inferência com os dados estatísticos específicos da coluna
da REPAR.
Conforme foi explicado sobre o funcionamento correto do programa de
inferências no Capítulo 7, uma boa inferência do ponto T30% de vaporização é
77
muito importante, já que todo o resto da curva dos produtos, com a exceção
apenas da nafta pesada, dependem fortemente desse ponto, sendo a partir dele
realizado o cálculo da inclinação da curva ASTM do produto.
Partindo dessa afirmação, e percebendo que quanto mais pesado o
produto, mais difícil fica sua análise, se buscaram coeficientes adicionais aos
acima referidos, buscando melhorar os pontos T30% ASTM do diesel pesado e do
resíduo atmosférico (RAT).
No caso do diesel pesado, apenas se soma a equação mostrada na figura
33 um fator de correção, chamado de coeficiente T30, que multiplica a raiz
quadrada da temperatura da seção, corrigida para pressão atmosférica.
Já no caso do RAT, que tem apenas o seu T30% ASTM inferido, são
utilizados seis coeficientes, de acordo com a figura 34.
Figura 34: Coeficientes da Inferência para T30% do RAT
Os coeficientes funcionam da mesma maneira que os previamente
explicados, apenas correlacionando diferentes propriedades para o caso do RAT.
Ao todo, existiam cento e quinze coeficientes que precisavam ser ajustados,
trinta para cada produto no caso do querosene e do diesel leve, trinta e um para o
diesel pesado, seis para o RAT e dezoito para a nafta pesada.
Um fato que já era conhecido do trabalho realizado no passado, na criação
do software de inferência, era a necessidade de se obter “dias ideais” para a
calibração destes coeficientes, onde as variáveis da unidade permanecessem
próximas de um ponto de operação constante por um tempo considerável, sem
sofrer influências de
perturbações externas
consideráveis.
Também
era
necessário que esses dias contivessem um universo representativo de valores nas
suas variáveis durante a operação do sistema, tornando válida a inferência
realizada, conforme figura 35.
Percebe-se que contando com apenas os pontos dentro da área azul como
universo na hora de ajustar os coeficientes, a tendência da inferência acabaria por
ser prejudicada, quando o sistema saísse deste universo. O ideal é se ter pontos
78
que representem um universo maior de operação, daí se conseguindo uma
aproximação mais correta do comportamento, conforme a área vermelha indicada.
Figura 35: Universo de Operação
A geração destes dias, além de ser um processo trabalhoso, acabaria por
ser muito custoso, por forçar as variáveis da unidade a alcançar valores que
comumente não são utilizados.
Para escapar deste problema, se utilizou um conjunto de dados gerados em
testes na unidade de destilação feitos entre 26/08/2004 e 21/02/2005. Estes foram
realizados pela empresa KBC, que tinha como objetivo gerar dados para um
simulador desta unidade.
Este conjunto de dados foi o escolhido para a calibração de todos os
coeficientes do programa de inferências, já que, apesar de serem apenas oito
dias, foi tomado um grande cuidado por evitar perturbações na operação da
unidade, e de se obter um universo relativamente espaçado de pontos.
8.1: Criação dos Primeiros Arquivos de Leitura, e Correções
Visando Total Utilização
Com base nas horas de início e fim de cada teste, foram criados, com o
auxílio de uma tabela montada no software Excel, arquivos texto de entrada para o
programa de inferências, contendo os valores a serem lidos [ 10 ].
79
Inicialmente, se apoiando no fato da pouca variação do valor das variáveis
da unidade em torno de seus setpoints, também praticamente constantes, durante
o período de testes e de consulta com pessoas ligadas a destilação, se buscou
utilizar uma média destes valores no tempo da realização do teste.
Já de partida, foram encontrados alguns problemas. Dos oito dias que se
tinham dados, em quatro faltavam dados sobre o fator de caracterização KW do
diesel, valor necessário para ser lido pelo programa. Observando-se os valores
normalmente alcançados por essa variável no passado, em conjunto com a
compreensão de como o programa operava, se concluiu que esta variável não era
vital para o sucesso da inferência. Daí foram escolhidos empiricamente valores
para esses quatro dias, dentro de uma faixa normalmente alcançada pela variável.
Um outro problema muito mais crítico foi a descoberta da falha do
instrumento que obtinha a temperatura do refluxo circulante intermediário em três
dos oito dias, o que impossibilitava o seu uso para a calibração.
Depois de novas consultas com engenheiros do setor, se percebeu uma
maneira de contornar este problema, e utilizar todos os oito dias para a calibração
do inferidor.
A maneira encontrada se baseia no diagrama da unidade mostrado na
figura 36. Assim, ao invés de utilizar o tag responsável por armazenar a
temperatura do refluxo circulante intermediário (21-TI082), que apresentou o
problema, se realizou uma estimação utilizando os tags que armazenavam as
medições de temperatura e vazão das duas correntes em que o RCI é dividido
antes de passar pelos permutadores de calor da unidade (21-TI080, 21-TI081, 21FRC23 e 21-FRC24) [ 10 ].
Figura 36: Diagrama do RCI
80
Pode-se estimar a temperatura do refluxo circulante intermediário ao se
somar a multiplicação da temperatura de cada ramo por sua respectiva vazão, e
depois dividindo esta soma pela soma da vazão dos dois ramos.
Um outro problema que se observava em todos os dias teste que se
possuía era a falta da temperatura de 85% de vaporização da curva ASTM, e em
conseqüência disto, a impossibilidade de se calibrar este ponto para todos os
produtos.
A maneira adotada para se contornar este problema pode ser entendida ao
se analisar a figura 37.
Figura 37: Detalhe da Curva ASTM de um Produto.
Nesta observa-se que a inclinação entre os pontos setenta por cento
vaporizados e noventa por cento é relativamente constante. Isto permite, através
da equação mostrada, se encontrar aproximações para o valor do ponto oitenta e
cinco por cento vaporizados, completando os arquivos de entrada. De posse
desses valores, é possível a calibração de toda curva de destilação ASTM dos
produtos (exceto a nafta pesada).
Já que o produto anterior a nafta pesada (nafta intermediária) ser obtido em
outra torre, onde não há inferências, não é possível realizar um inferência de
qualidade dos pontos inicias de destilação da mesma. Esse fato não traz
problemas significativos para o resto das inferências, nem para o blend do diesel,
inferência mais importante.
Dessa maneira, se contava agora com oito arquivos de entrada para a
calibração do programa.
81
8.2: Calibração do Programa com o Conjunto Inicial de Dados
Baseado em Médias
Nessa etapa, foram criadas tabelas especiais, novamente no software
Excel, onde foram criados “solucionadores” para cada produto, visando
correlacionar os dados reais, obtidos do teste KBC, com os gerados pelo
programa de inferências.
A tabela foi montada de acordo com a figura 38, onde se pode visualizar as
principais partes do solucionador:
•
Coeficientes:
Área vermelha
do
solucionador,
onde
aparecem
os
coeficientes necessários para cada faixas de destilação ASTM. Cada
coluna representa uma faixa de destilação ASTM;
•
Valores para o inferidor: Área azul do solucionador, onde aparecem os
valores utilizados pelo inferidor, de acordo com o apresentado no Capítulo
7, para a realização das inferências das varias faixas de destilação ASTM.
Cada coluna representa um dia teste;
•
Faixa de Destilação: Área verde do solucionador, onde aparecem os
valores reais de temperatura (y) para aquela faixa de destilação, o valor de
temperatura que seria calculado (yi) pelo inferidor utilizando os coeficientes
e valores apresentados, o erro entre estes dois valores e o erro quadrado.
Cada linha representa um dia. Na caixa do topo à direita é mostrada a
soma dos erros quadrados, valor que se objetiva minimizar para alcançar
uma boa correlação. Nota-se que, para cada faixa de destilação, existe uma
caixa destas;
•
Produtos: Na área amarela do solucionador, se encontra a seleção do
produto que se está considerando.
82
Figura 38: Solucionador
Inicialmente, foram utilizados os coeficientes antigos do programa, e
utilizando a ferramenta “solver” do Excel, foram buscados valores para os
coeficientes que minimizassem a soma dos erros quadráticos.
Com essa idéia, se gerou a primeira família de coeficientes. Quando os
mesmos oito dias testes foram novamente utilizados no programa, dessa vez com
os novos valores de coeficientes, se chegaram a novos resultados, diferentes dos
desejados na escolha dos coeficientes. Isso se deu pela maneira que o programa
foi construído.
Apesar de os valores lidos pelo programa serem exatamente os mesmos da
iteração inicial, os coeficientes do T30% haviam mudado, e em conseqüência
disto, os valores de T30%. Como todo o resto da curva se baseia na inclinação
entre os T30% dos produtos, todos os outros valores de destilação foram
modificados.
83
Dessa maneira, houve a necessidade de rodar novamente o programa, com
o mesmo conjunto de dados de entrada, para o ajuste destes coeficientes, já que
era preciso que os valores de T30% convergissem. Assim a inclinação entre os
pontos permaneceria constante, permitindo o ajuste correto dos coeficientes para
o restante dos pontos da curva.
Foi assim obtida uma nova família de coeficientes, que para alguns
componentes, com o diesel leve, se comportava de maneira muito boa, enquanto
para todos os outros apresentava erros consideráveis, forçando uma nova busca
por soluções.
Para se avaliar qualidade de uma correlação, foi utilizada a ferramenta
Proj.Lins do software Excel, que serve para calcular as estatísticas para uma linha
usando o método de "mínimos quadrados", devolvendo uma linha reta com o
ajuste perfeito para seus dados e retorna uma matriz que descreve a linha.
Dentre as estatísticas devolvidas, existe o coeficiente de determinação,
que, quanto mais próximo de um, melhor é a correlação entre os dados estimados
e os valores reais.
Para esse conjunto de coeficientes, o coeficiente de determinação de cada
faixa de destilação para cada produto é mostrado na Tabela 3.
NP
QR
DL
DP
RAT
PIE
0,874
0,957
0,765
-
5%
0,925
0,966
0,582
-
10%
0,955
0,959
0,518
-
30%
0,985
0,982
0,523
0,698
50%
0,947
0,959
0,97
0,343
-
70%
0,929
0,861
0,968
0,067
-
85%
0,857
0,762
0,956
0,047
-
90%
0,845
0,646
0,957
0,095
-
Tabela 3: Qualidade da Correlação com Iterações do Início.
95%
0,778
0,693
0,835
0,229
-
PFE
0,769
0,586
0,631
0,332
-
Nesta tabela, o resultados dos coeficientes para os produtos nafta pesada,
querosene e diesel leve parecem razoavelmente bons (pelo menos 0,7 de
correlação), principalmente nas porcentagens mais inferiores da curva. Na prática,
os resultados da inferência dos componentes nafta pesada e querosene se
encontravam abaixo do esperado. O motivo disto, e sua correção, é mostrados na
seção 8.4.
84
Na figura 39, se percebe a diferença entre o valor real que se deseja atingir
para o T100%(PFE) do Querosene, e o valor que a inferência está calculando.
Figura 39: T100% QR Inicial
8.3: Outliers
Ao se analisar as aproximações realizadas pelo solucionador, se percebeu
que em alguns casos, existiam pontos tinham comportamento diferente dos outros
pontos do sistema. Tentou-se tratar estes pontos como “outliers”, e descartar um
dia, que mais contivesse estes pontos, para cada um dos produtos.
Percebeu-se que, com a retirada destes outliers, em uma seguinte
interação com os novos coeficientes gerados, em comparação com uma nova
iteração mantendo todos os dias, apresentava resultados piores.
Esse fato se tornou ainda mais claro ao se adotar múltiplas iterações a
partir do inicio do programa, conforme será mostrado na seção seguinte.
Com isso, se desconsiderou esta solução para o problema, se utilizando
todos os oitos dias teste para todos os produtos.
8.4: Valores Iniciais do Programa e Múltiplas Iterações
Diante dos resultados pouco satisfatórios, se voltou ao código fonte do
programa de inferências, junto com um debug do programa, visando descobrir o
que pudesse estar influenciando os resultados.
85
Logo foi constatado que o programa sofria uma forte influência dos seus
valores de inicialização, que tendia a desaparecer com o tempo. Já que o objetivo
é rodar continuamente no servidor, este fato não deveria influenciar a escolha dos
coeficientes. Isso acabou demonstrando porque os coeficientes escolhidos no
passo anterior, apesar de pelos seus bons coeficientes de determinação, não
apresentavam resultados bons na prática.
Já que até o momento se estava iterando o programa apenas uma vez,
sempre partindo do zero, apenas mudando os coeficientes e mantendo o mesmo
conjunto de entrada, se percebeu que os coeficientes encontrados não
funcionariam quando o programa estivesse rodando continuamente.
Percebeu-se que o programa, para convergir a um valor sem influência da
inicialização, necessitava de cerca de trinta iterações (equivalente a trinta minutos
de tempo real), partindo do estado inicial.
Os resultados, utilizando esta lógica para geração dos coeficientes, se
mostraram mais válidos, com melhorias significativas para alguns componentes.
Nota-se algumas pioras em algumas faixas, mas percebe-se que, com a
mudança na maneira do programa funcionar, houve alterações nos Lvs e
temperaturas de inclinação (seção 7.9.5), o que acarretou um novo ajuste para os
coeficientes.
NP
QR
DL
DP
RAT
PIE
0,946
0,889
0,454
-
5%
0,968
0,95
0,542
-
10%
0,976
0,949
0,57
-
30%
0,984
0,988
0,523
0,698
50%
0,95
0,988
0,962
0,344
-
70%
0,927
0,982
0,915
0,092
-
85%
0,841
0,954
0,868
0,018
-
90%
0,827
0,942
0,853
0,053
-
Tabela 4: Qualidade da Correlação com Múltiplas Iterações.
95%
0,749
0,906
0,722
0,174
-
PFE
0,716
0,776
0,475
0,267
-
Na figura 40, volta-se ao ponto final do querosene, e em conjunto com os
pontos inferidos e reais, se vê os pontos previstos pelo simulador da KBC, que era
o considerado a melhor aproximação até o momento. Fica evidente a melhora,
quando comparada a resposta obtida na figura 39.
86
Figura 40: T100% QR Múltiplas Iterações
Em relação às inferências dos componentes, são apresentados na tabela 6
e 7 os resultados (em °C) obtidos utilizando este conjunto de coeficientes para
treze dias em que se tinham dados do laboratório sobre estes produtos. Nesta
tabela são mostrados dois dias (um bom e um ruim) para cada produto, além de
dados sobre o erro da inferência.
Bom e ruim se referem no caso ao erro obtido pela inferência, sendo que se
partiu da premissa que o erro para ser considerado aceitável deveria ser inferior a
10°C, já que se estimava que este fosse o erro da análise do laboratório.
NP
Real Infer Erro Real Infer Erro
PIE
5%
10%
30%
50% 154,4 154,1 0,3 151,5 149,1 2,4
70% 166,2 166,1 0,1 160,6 160,4 0,2
85% 180,1 179,9 0,2 167,9 173,2 5,35
90% 182,6 182,4 0,2 170,5 175,4 4,9
95% 191,5 197,8 6,3 174,1 186,3 12,2
PFE 213,2 205,8 7,4 183,4 197,3 14,9
Data
22/02/2005 04:40
7/5/2005 06h
QR
Real Infer Erro Real Infer Erro
197,2 194,6 2,6 198,8 197,3 1,5
212,8 208,6 4,2 210,7 210,7
0
215,9 213,4 2,5 213,7 214,1 0,4
227,2 227
0,2 222,7 220,8 1,9
238,3 237,3
1
232,1 232,7 0,6
251,3 251,8 0,5 244,5 248
3,5
271,3 274,5 3,2 262,9 270,3 7,44
274,8 278,2 3,4 266,1 274,4 8,3
288,4 293,3 4,9 277,6 288,9 11,3
297,3 301,9 4,6 290,3 300,1 9,8
7/5/2005 06 h
22/02/2005 04:40
Tabela 6: Inferência com Média NP e QR.
87
DL
DP
Real Infer Erro Real Infer Erro Real Infer Erro
Real
Infer Erro
PIE 211,5 208,9 2,6 213,9 221,5 7,6
198 187,4 10,6
178
181,8 3,8
5% 234,1 235,2 1,1 239,9 247,5 7,6 265,5 262,9 2,6
253,5 255,6 2,1
10% 242,5 242,9 0,4 246,3 253,7 7,4
298 294,9 3,1
285,5 287,2 1,7
30% 267,3 266,6 0,7 270,5 272,9 2,4
356 355,9 0,1
341
352,5 11,5
50% 288 286,3 1,7 289,6 290,5 0,9
389 385,9 3,1
372
386
14
70% 311,6 310,4 1,2 311,2 310,5 0,7 419,5 414,3 5,2
403
414,9 11,9
85% 341,3 340,2 1,1
339 337,2 1,8
447 448,6 1,6 439,55 447,3 7,75
90% 346,5 345,7 0,8 343,9 341,9
2
458 454,9 3,1
446
452,9 6,9
95% 361,6 360,1 1,5 358,3 356
2,3
478 475,1 2,9
464
471,2 7,2
PFE 366,9 369,4 2,5 367,4 366,6 0,8 530,5 530,7 0,2
513
522
9
Data
27/10/2004 06 h
30/03/2005 06 h
7/12/2004 21:30
3/9/2004 06 h
Tabela 7: Inferência com Média DL e DP.
8.5: Mais Iterações, e Leitura no Tempo ao Invés de Médias.
Partindo da idéia de que o programa ficará rodando continuamente no
servidor, e desejando diminuir esse tempo de estabilização do programa, de trinta
minutos, se passou a ler dados num intervalo menor, de trinta segundos ao invés
de sessenta segundos. Com isso, a estabilização se tornou mais rápida (quinze
minutos).
Resolveu-se também, ao invés de continuar usando o conjunto de entrada
baseado apenas na média dos dias testes, criar novos conjuntos, dessa vez
baseados na idéia de leitura a cada trinta segundos.
Conforme havia sido dito anteriormente, como o programa estabiliza depois
de quinze minutos, se percebeu que para os dias teste, realizando leituras a cada
trinta segundos, não era necessário a criação de arquivos de entrada que
levassem em conta todas as várias horas dos testes, que em média duravam sete
horas.
Passou-se a apenas utilizar a última meia hora de cada teste, e realizar a
leitura de trinta em trinta segundos dos dados, obtidos do Process Information (PI).
Com essa idéia, foi gerado um novo conjunto de coeficientes, que se
mostrou superior ao anteriormente encontrado, apresentando resultados muito
88
bons na inferência do querosene e do diesel leve, e melhorando substancialmente
a inferência da nafta pesada.
Os resultados da inferência para o diesel pesado continuam abaixo do
desejado, fato que ocorreu com todos os coeficientes gerados.
Um detalhe que foi considerado importante é que, comparando com dados
do software de inferências que estava sendo calibrado com os dados do simulador
da empresa KBC, se percebeu a deficiência na predição dos valores de diesel
pesado também deste simulador, de forma que parece ser um ponto que
apresenta uma dificuldade mais elevada que do resto dos produtos.
Esse problema não é inesperado, considerando a dificuldade que se tem na
análise em laboratório de produtos cada vez mais pesados, ainda mais pontos
finais de destilação destes produtos.
Apesar da inferência do diesel pesado apresentar os problemas citados, se
percebeu que para a mistura do diesel (diesel intermediário), que recebe
contribuição de todos os componentes (exceto RAT) em sua curva de destilação,
os resultados se mostravam com um erro médio dentro do aceitável.
NP
QR
DL
DP
RAT
PIE
0,991
0,884
0,46
-
5%
0,988
0,972
0,456
-
10%
0,988
0,961
0,424
-
30%
0,997
0,991
0,452
0,698
50%
0,958
0,996
0,981
0,207
-
70%
0,94
0,982
0,967
0,056
-
85%
0,871
0,946
0,951
0,001
-
90%
0,859
0,933
0,944
0,008
-
Tabela 5: Qualidade da Correlação dos Coeficientes Finais.
95%
0,801
0,894
0,851
0,046
-
PFE
0,796
0,768
0,631
0,08
-
A tabela 5 demonstra que há pouca diferença entre o ponto final do
querosene desta seção para seção anterior, por isso não é mostrada a resposta
do inferidor.
Na figura 41, é mostrada a comparação entre as respostas reais, do
inferidor e do simulador da KBC, para o ponto final do diesel leve, e na figura 42,
para o T10% do diesel pesado.
89
Figura 41: T100% DL Leitura no Tempo
Figura 42: T10% DP Leitura no Tempo
Da análise de ambas as figuras, se percebe a dificuldade do simulador da
KBC, que era considerado o ponto ideal a ser atingido, em acertar os pontos finais
dos produtos, além da dificuldade, já desde o inicio da inferência do diesel pesado,
de se acertar os pontos.
Em relação às inferências dos componentes, são apresentados na tabela 8
e 9 os resultados (em °C) obtidos utilizando este conjunto de coeficientes para
treze dias em que se tinham dados do laboratório sobre estes produtos. Nesta
tabela são mostrados dois dias (um bom e um ruim) para cada produto (exceto
para o diesel leve) além de dados sobre o erro da inferência.
No caso do diesel leve, nota-se que ambos os dias se qualificam como dias
bons (menos que 10°C de erro). Não houve uma inferência de diesel leve que se
classificasse como ruim dentre esses treze dias analisados.
Vale notar que para todos os componentes, com exceção de alguns dias
para o diesel pesado, houve melhorias.
90
NP
Real Infer Erro Real Infer Erro
PIE
5%
10%
30%
50% 154,4 155,3 0,9 151,5 149
2,5
70% 166,2 167,3 1,1 160,6 160,3 0,3
85% 180,1 181,7 1,6 167,9 173,1 5,2
90% 182,6 184,2 1,6 170,5 175,4 4,9
95% 191,5 191,7 0,2 174,1 182,5 8,4
PFE 213,2 206,8 6,4 183,4 196,5 14,1
Data
22/02/2005 04:40
7/5/2005 06h
QR
Real Infer Erro Real Infer Erro
197,2 195,3 1,9 198,8 199,2 0,4
212,8 208,1 4,7 210,7 211,5 0,8
215,9 212,3 3,6 213,7 214,6 0,9
227,2 226,5 0,7 222,7 221,5 1,2
238,3 237
1,3 232,1 233,4 1,3
251,3 250,6 0,7 244,5 248,4 3,9
271,3 271,4 0,1 262,9 270
7,1
274,8 274,9 0,1 266,1 273,9 7,8
288,4 288,3 0,1 277,6 287,7 10,1
297,3 295,3
2
290,3 298,6 8,3
7/5/2005 06 h
22/02/2005 04:40
Tabela 8: Inferência Final NP e QR.
DL
DP
Real Infer Erro Real Infer Erro Real Infer Erro Real
Infer Erro
PIE 211,5 211,1 0,4 213,9 221,9
8
198 189,5 8,5
178
184,7 6,7
5% 234,1 233,5 0,6 239,9 246,7 6,8 265,5 266,2 0,7
253,5 261,5
8
10% 242,5 242,3 0,2 246,3 253,4 7,1
298 298,5 0,5
285,5
294
8,5
30% 267,3 265,9 1,4 270,5 272,9 2,4
356 357,8 1,8
341
354,2 13,2
50% 288
287
1
289,6 291,4 1,8
389 387,6 1,4
372
387,5 15,5
70% 311,6 311,2 0,4 311,2 311,8 0,6 419,5 415
4,5
403
415,2 12,2
85% 341,3 341
0,3
339 338,5 0, 5 447 448,2 1,2 439,55 448 8,45
90% 346,5 346,5
0
343,9 343,1 0,8
458 454,2 3,8
446
453,5 7,5
95% 361,6 361,6
0
358,3 357,4 0,9
478 473,2 4,8
464
472,7 8,7
PFE 366,9 369,4 2,5 367,4 366,8 0,6 530,5 526,6 3,9
513
524,6 11,6
Data
27/10/2004 06 h
30/03/2005 06 h
7/12/2004 21:30
3/9/2004 06 h
Tabela 9: Inferência Final DL e DP.
Chegando a este resultado, o conjunto de coeficientes gerados nesta seção
passou a ser o utilizado pelo programa. Na tabela 10 e 11 são apresentados os
valores finais para os coeficientes de todo o programa.
30%
RAT
41.091
-428.14
0.139
0.421
Tabela 10: Valores dos Coeficientes Finais RAT.
-68.657
494.75
91
NP
QR
DL
DP
NP
QR
DL
DP
PIE
0.338
0.871
0.775
-138.921
57.776
187.221
5%
241.356
-4.26
-79.108
30%
1.011
0.837
-1.258
0.486
1.091
0.82
-98.589
55.79
160.352
0.8
1.057
1.05
0.751
NP
QR
DL
DP
1.191
1.128
1.05
-0.044
-10.007
-1.693
-32.806
51.261
2046.025 -481.468 68.308
134.156
12.063
-253.119
-40.336
192.715
-38.306
-19.385
0.625
1.004
0.834
-61.171
41.487
138.076
28.046
-7.866
0.913
48.721
-33.401
3.56
-54.116
-76.914
-10.687
-13.561
108.909
1.08
1.081
0.051
4.854
-144.818
1189.951
-10.746
-19.91
395.494
50%
85%
NP
QR
DL
DP
10%
-
70%
90%
-141.525
-9.439
4.128
465.495
1.24
1.135
1.042
-0.082
149.246
13.26
-275.575
-207.634
95%
-160.62
-10.145
7.09
486.827
PFE
333.855
-70.483
-242.712
-2633.728
1.588
0.507
0.285
-0.207
137.207
-11.191
6.367
1.169
1.176
0.978
-0.064
32.404
14.407
-298.396
-1258.72
-39.167
-9.234
38.578
498.93
-359.231
185.895
276.003
609.836
Tabela 11: Valores dos Coeficientes Finais Menos RAT.
Um fato importante, que acabou determinando a escolha final de quais
coeficientes seriam usados, foram os resultados apresentados pelo blend do
diesel (diesel intermediário), que estava sendo analisado paralelamente a geração
dos coeficientes para os produtos.
Essa análise sobre o diesel intermediário, em conjunto com a validação do
programa para trinta e um dias quaisquer, e o posterior acompanhamento do
programa rodando no servidor por três semanas, é apresentada no Capítulo 9.
8.6: Conclusões do Capítulo
Neste capítulo foi mostrada a metodologia aplicada para encontrar os
coeficientes estatísticos utilizados no programa, e também analisada a qualidade
das várias alternativas estudadas.
92
Capítulo 9: Diesel Intermediário, Validação,
Acompanhamento e Resultados
Devido ao principal interesse da inferência ser o diesel intermediário,
principalmente a inferência do ponto oitenta e cinco por cento, se deu uma
atenção especial à resposta do inferidor para esse ponto de destilação.
Conforme foi explicado no Capítulo 7, o cálculo da curva de destilação para
o diesel intermediário depende de uma regra de mistura, além da curva inferida
para os produtos participantes do blend (mistura), que no caso são a nafta
pesada, o querosene e o diesel leve e pesado. Junto à mistura entra também o
LCO, que já tem sua curva calculada por um outro software.
Dessa maneira, fica claro a importância de se realizar uma correta
inferência dos componentes, para se alcançar um resultado bom para o diesel
intermediário.
Quase que diariamente, são realizados ensaios no laboratório para
acompanhamento da curva do diesel intermediário, o que facilitou a escolha da
curva de destilação deste produto para servir como validação do inferidor, além de
permitir o acompanhamento do funcionamento do software inferidor.
Para a realização da validação, um detalhe de extrema importância, figura
43, é o tempo de escoamento dos produtos da torre atmosférica até os pontos de
amostragem.
Figura 43: Alinhamento dos Produtos da Torre da Destilação Atmosférica Montado no Inferidor
93
Conforme apresentado na seção 6.1, os resultados das curvas de
destilação gerados pelo inferidor são praticamente em tempo real, sendo que os
produtos inferidos ainda se encontram na torre de destilação. O detalhe é que,
conforme mostra a figura 43, os produtos escoam da torre pelos dutos, até
alcançarem o tanque de diesel intermediário (D‘), ou caso seja uma campanha
diferente, um outro tanque de armazenamento.
As amostragens dos produtos, para posterior análise no laboratório, são
realizadas no fim dos dutos, dessa maneira ocasionando o seguinte fato: apesar
do laboratório indicar que a amostra foi colhida às seis horas da manhã, esse
produto não estava na torre nesta hora, e sim antes.
Como o inferidor indica a curva de destilação dos produtos na torre, se
percebe que para realizar a validação da curva do inferidor com a curva gerada
pelo laboratório, este tempo de escoamento dos produtos da torre até o ponto de
amostragem passa a ser importante.
Percebeu-se, através de conversas com pessoas responsáveis pelo
acompanhamento da unidade e a análise entre o tempo da amostra do laboratório
e do tempo de fim dos testes da KBC (dias chave), que este tempo de
escoamento dos produtos era de cerca de uma hora.
Também foi dado um alerta, que muitas vezes, apesar do laboratório indicar
que a amostra foi colhida em um certo horário, na verdade foi colhida um pouco
antes ou depois desta hora. Quando a unidade está sendo mantida em um ponto
de operação, este fato pouco influência os resultados, mas quando a unidade
ainda não alcançou um ponto de operação, ou houve uma troca de campanha ou
carga dentro desse intervalo de tempo possível de realização de amostra, esse
fato trouxe algumas dificuldades na validação.
Para a validação do programa e o acompanhamento das respostas do
software para a unidade, se adotou sempre uma hora menos da indicada pelo
laboratório da realização da amostragem. O erro máximo é de trinta minutos.
Se evitou assim utilizar dias onde a unidade ainda estivesse em transição
entre pontos de operação.
94
Para validar os resultados gerados pelo inferidor, foram escolhidos
randomicamente trinta e um dias de operação da unidade de destilação, entre o
período de 8/12/2004 e 14/06/2005.
Os resultados obtidos, nesta validação, serviram para definir qual conjunto
de coeficientes utilizar, além de permitir visualizar, na seção 9.2, como a adição do
produto LCO (óleo craqueado leve) afetaria os resultados obtidos pela inferência
do blend.
9.1: Validação com os Coeficientes Baseados em Médias
Primeiramente, para se analisar os resultados obtidos pelo inferidor para o
Diesel Intermediário, foram utilizados os coeficientes gerados na seção 8.4.
Na tabela 12 se encontram quatro dos trinta e um dias analisados, com os
erros entre os valores considerados reais, gerados pelo laboratório, e os valores
inferidos. Já na tabela 13, se encontram os mesmos quatro dias da tabela 12, mas
utilizando os coeficientes da seção 8.5, baseados em leitura em tempo real. Com
isso, se percebe a diferença de qualidade entre o conjunto de coeficientes.
Real
Infer
Erro
2,9
T50% 266,1 269
T85% 357 355,2 1,8
T90% 380,7 388,1 7,4
Dia
21/3/2005 09:30
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
273,6
358,3
380,1
274,3
357,4
376,4
0,7
0,9
3,7
274,9
359,9
379,6
273,4
368,9
410,6
1,5
9
31
278,5
364,7
385,2
275,1
356,1
373,8
3,4
8,6
11,4
15/4/2005 08:00
6/5/2005 09:30
8/5/2005 16:30
Tabela 12: Comparação de Quatro Dias com LCO com Coeficientes Baseados em Médias.
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
T50% 266,1 270,2 4,1
T85% 357 356,5 0,5
T90% 380,7 391,3 10,6
Dia
21/3/2005 09:30
273,6
358,3
380,1
274,5
358,5
376,4
0,9
0,2
3,7
274,9
359,9
379,6
272,4
360,5
394,6
2,5
0,6
15
278,5
364,7
385,2
275,5
360,6
379,3
3
4,1
5,9
15/4/2005 08:00
6/5/2005 09:30
8/5/2005 16:30
Tabela 13: Comparação de Quatro Dias com LCO com Coeficientes Finais.
Já na tabela 14, se encontram os erros médios para cada faixa de
temperatura do inferidor, em graus Celsius e porcentagem. Ao se comparar esta
tabela com a tabela 17 da próxima seção, se percebe o porque de se adotar como
95
coeficientes para o inferidor os coeficientes gerados na seção 8.5. Não chegou a
ser analisada nesta seção a contribuição gerada pela adição do LCO no inferidor.
Com LCO
DI
°C
2,39
4,85
7,12
T 50%
T 85%
T 90%
%
0,86
1,34
1,86
Tabela 14: Erros Médios do Inferidor com Coeficientes Médios.
9.2: Validação com os Coeficientes Baseados em Leituras no
Tempo
Dessa vez, para se analisar os resultados obtidos pelo inferidor para o
diesel intermediário, foram utilizados os coeficientes gerados na seção 8.5.
Na tabela 15 se encontram quatro dos trinta e um dias analisados, com os
erros entre os valores considerados reais, gerados pelo laboratório, e os valores
inferidos. Já na tabela 16, se encontram os mesmos quatro dias, dessa vez sem a
adição do produto LCO.
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
T50% 266,1 270,2 4,1
T85% 357 356,5 0,5
T90% 380,7 391,3 10,6
Dia
21/3/2005 09:30
273,6
358,3
380,1
274,5
358,5
376,4
0,9
0,2
3,7
284,2
353,8
374,1
285,4
354,2
376,8
1,2
0,4
2,7
274,6
361,1
380,2
272,8
359,1
387,7
1,8
2
7,5
15/4/2005 08:00
21/05/2005 06:00
6/6/2005 06:00
Tabela 15: Comparação de Quatro Dias com LCO com Coeficientes Finais.
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
Real
Infer
Erro
T50% 266,1 270,9 4,8
T85% 357 360,4 3,4
T90% 380,7 395,4 14,7
Dia
21/3/2005 09:30
273,6
358,3
380,1
275,9
362,3
381,9
2,3
4
1,8
284,2
353,8
374,1
287,8
356,6
383,1
3,6
2,8
9
274,6
361,1
380,2
273,8
361,2
390,9
0,8
0,1
10,7
15/4/2005 08:00
21/05/2005 06:00
6/6/2005 06:00
Tabela 16: Comparação de Quatro Dias sem LCO com Coeficientes Finais.
Desta validação sobre os trinta e um dias, foram encontrados os seguintes
erros médios para cada faixa de temperatura do inferidor, em graus Celsius e
porcentagem, para cada um dos casos analisados, mostrados na tabela 17.
96
Com LCO
°C
%
2,21
0,79
2,63
0,72
7,05
1,84
DI
T 50%
T 85%
T 90%
Sem LCO
°C
%
2,45
0,88
2,16
0,6
7,44
1,94
Tabela 17: Erros Médios do Inferidor Final.
Conforme é mostrado na tabela 17, se percebe que o uso do LCO no blend
acaba por melhorar a inferência de dois pontos, piorando um. Como ambos os
erros médios para o T85% estão dentro do considerado aceitável, se escolheu a
opção de se utilizar o LCO, que foi implementado no Capítulo 7, pela melhoria do
T50% e T90%, além de aproximar o funcionamento do inferidor com a realidade
do processo.
9.3: Acompanhamento do Programa Rodando no Servidor e
Resultados Obtidos
Depois de escolhidos os coeficientes finais para o inferidor, e iniciar a rodar
o programa no servidor (que utiliza o sistema operacional OPEN VMS) da REPAR,
passou-se a acompanhar os resultados gerados, comparando a curva de
destilação do diesel intermediário com a curva gerada pelo laboratório, e com a
curva gerada pelo inferidor do SICOM, que é o inferidor da antiga unidade de
destilação.
Este acompanhamento se deu do dia 18/6 até o dia 13/7, e teve sessenta e
nove comparações entre as curvas. Destas sessenta e nove, quinze foram
realizadas durante uma campanha de querosene, e conforme mostrado mais em
detalhe na próxima seção, foram desconsiderados.
Na tabela 18, são mostrados dois dias do acompanhamento, com o valor
considerado correto, fornecido pelo laboratório, e os valores gerados pelas as
inferências, com seus correspondentes erros. Já na tabela 19, se encontram os
erros
médios
que
ambos
inferidores
apresentaram
durante
todo
o
acompanhamento.
97
Desse acompanhamento realizado, pode se perceber, como mostrado na
figura 44, que os dois inferidores tem uma dinâmica similar, apesar de o inferidor
SICOM claramente estar descalibrado.
Real Infer Erro Sicom Erro Real
T50% 274,5 274,1 0,4
279,8
T85% 363,9 360,4 3,5 378,5 14,6 368
T90% 385,4 379,2 6,2 393,4
8
384,7
Dia
26/6/2005 05:00
Infer Erro Sicom Erro
280,9 1,1
366,8 1,2 378,8 10,8
387,6 2,9 392,8 8,1
13/7/2005 15:47
Tabela 18: Dois Dias do Acompanhamento do DI.
Inferidor
DI
T 50%
T 85%
T 90%
°C
2,68
3,07
5,79
SICOM
%
0,96
0,84
1,51
°C
14,06
8,91
%
0,6
1,94
Tabela 19: Erros Médios do Inferidor Final e SICOM Durante Todo o Acompanhamento.
Figura 44: Comparação do T85% Laboratório, Inferência e SICOM
Note que a linha verde mostrada na figura 44 representa a última análise
realizada pelo laboratório para o T85% de destilação, não sendo este valor
atualizado em tempo real.
98
Na tabela 20, mostram-se os erros médios (°C) do inferidor quando se
separa os dias de acompanhamento em campanha de Diesel B ou Diesel D.
Diesel B Diesel D
T50%
2,92
1,52
T85%
3,4
1,8
T90%
5,42
3,32
Tabela 20: Erros Médios do Inferidor Final para Diesel B e D.
Para finalizar esta etapa de acompanhamento e validação, se tentou buscar
a incerteza associada a estes ensaios de destilação realizados pelo laboratório.
Isso não foi possível, tendo em vista a falta desta informação.
O laboratório não tem esta informação porque a norma que regulamenta as
especificações deste produto, redigida pela ANP, apenas determina um valor
máximo para o ponto de destilação com o método de análise associado, sem levar
em conta a incerteza.
Por isso se escolheu o fator chamado de reprodutibilidade como valor
comparativo entre as análises geradas pelo laboratório e as análises geradas por
inferência.
Como este fator, que representa o possível erro associado a realizar a
mesma análise sobre uma mesma amostra, mas em outro laboratório e com outro
equipamento, é da ordem de 6°C a 8°C, se percebe que o erro médio encontrado
pelo inferidor está correto. O ponto mais importante da inferência, o oitenta e cinco
por cento, e o ponto cinqüenta por cento, se encontram muito abaixo desta faixa
de erro, mais perto do fator chamado repetitividade (mesma amostra, no mesmo
laboratório, com mesmo equipamento e mesmo operador) do que da
reprodutibilidade.
Assim sendo, se chega à conclusão que o inferidor opera bem o bastante
para permitir sua utilização para aplicações de controle avançado.
99
9.4: Problema Encontrado no Acompanhamento, e Soluções
No acompanhamento do programa na seção anterior, se percebeu alguns
dias onde os resultados do inferidor apresentavam grande diferença dos
resultados apresentados pelo laboratório. Ao se analisar estes dias, se percebeu
uma particularidade entre eles. A maioria deles eram dias de campanhas de
querosene.
Buscando solucionar este fato, testou-se uma alternativa. Com a entrada da
unidade HDS em 2004, passou a existir um novo alinhamento, não levado em
consideração pelo programa inferidor, que tem seus alinhamentos mostrados na
figura 43.
Com isto, apesar de o programa considerar que não estava indo nada mais
pra o blend do diesel além de nafta e diesel leve/pesado, existia um alinhamento
não considerado que levava querosene para esta mistura, alterando sua curva de
destilação, e não tornando possível para o programa perceber esta alteração.
Buscando avaliar esta alternativa, se buscou encontrar, com a ajuda do
Eng. de Processamento Keiji, se houve mudanças importantes no alinhamento da
unidade de destilação, não consideradas pelo programa inferidor, além de formas
de indicar estes alinhamentos para o software.
Desse estudo realizado nos alinhamentos, se percebeu que, apesar de ter
ocorrido mudanças, nenhuma delas foi significativa para o programa inferidor, com
isso eliminando esta alternativa como causa para o problema acontecer.
Através de conversas com o Eng. Keiji e uma análise nos limites originais
do programa de inferência, se avaliou novamente o problema, chegando-se a
seguintes conclusões:
•
Quando a U-2100 está em campanha de querosene, todo o perfil de
pressões e temperaturas ao longo da torre muda, saindo da faixa normal de
operação, já que a faixa de querosene diminui, e passam a ser introduzidas
nos produtos abaixo do querosene frações mais leves que o normal para
estes produtos.
100
•
Existiam proteções, no programa original, de limites mínimos e máximos
dos fluxos dos produtos da torre. Quando esses limites eram ultrapassados,
o programa passava a não mais considerar os valores inferidos para o
diesel linha (blend) como corretos, escrevendo nos tags do diesel linha no
PI a palavra Bad Quality, para este valor não ser utilizado nem pelo controle
avançado nem pelos operadores. Esses limites serviam para proteger a
unidade, quase sempre sendo ativados durante campanhas de querosene.
Outra possibilidade, também levantada, é que a curva da dinâmica da torre,
quando ela se encontra em campanha de querosene, seja muito diferente da
curva habitual de operação, ocasionando o mesmo problema apresentado na
figura 35, sendo necessário para correção deste fato um novo conjunto de
coeficientes, a ser chaveado quando a unidade começasse uma campanha de
querosene.
Tentou-se gerar dois conjuntos diferentes de coeficientes, um grupo para os
dias onde a unidade estivesse em campanha de querosene, e outro conjunto para
os demais. O problema é que com isso, o número já limitado de dias-chave caiu
ainda mais, sendo que dos oito dias considerados, três foram realizados em
campanha de querosene, e cinco, em dias normais de operação.
O que resultou disto foi uma degradação dos resultados obtidos, além da
continuidade do problema que ocorre durante campanhas de querosene. Com
estes resultados, voltou-se a utilizar os coeficientes da seção 9.3, e se partiu para
a criação de uma nova proteção no programa, a ser ativada quando a unidade
estiver em campanha de querosene, escrevendo nos tags do PI da inferência do
diesel blend Bad Quality.
Com isso, além do fato de que, quando a unidade está em campanha de
querosene, os pontos de destilação do diesel blend perdem um pouco de
importância, se passou a adotar parte da solução anteriormente aplicada, isto é,
não considerar a inferência para o blend do diesel quando a unidade estiver em
campanha de querosene.
101
9.5: Finalizando o Projeto
Com a validação do programa inferidor finalizada, o próximo (e último)
passo que faltava era a aplicação deste software para o controle avançado da
unidade 2100.
Infelizmente, este passo final não pode ser realizado, já que o controle
avançado da unidade, desde o REVAMP da destilação de 2004, está fora de
operação, necessitando de uma revisão sobre seu funcionamento para a coluna
nova, e esta revisão não faz parte das prioridades atuais da gerência de
otimização da refinaria.
Desta maneira, não foi possível analisar as melhorias que seriam trazidas
pelo inferidor com o controle avançado.
Mesmo assim, o inferidor vai ser utilizado atualmente, como uma
ferramenta stand alone para os operadores da destilação.
Agora, ao invés de os operadores terem de esperar cerca de quatro horas
para visualizar o efeito das modificações realizadas na coluna, eles terão uma
noção em tempo real dos pontos de destilação dos produtos, permitindo aos
operadores melhorar o desempenho deste processo, se aproximando mais dos
extremos econômicos de operação da unidade.
Com isso, apesar de o objetivo maior deste projeto não poder ser cumprido,
este trabalho acabou por possibilitar um melhor controle da unidade, controle este
realizado atualmente pelos operadores.
9.6: Conclusões do Capítulo
Neste capítulo foi apresentado o acompanhamento realizado para o diesel
intermediário, comparação de resultados entre os diferentes conjuntos de
coeficientes, e também a abordagem utilizada para resolver o problema
encontrado.
102
Capítulo 10: Conclusões e Perspectivas
A realização do Projeto de Fim de Curso em Engenharia de Controle e
Automação na Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR propiciou o
desenvolvimento pessoal e profissional do estagiário, além da oportunidade de
aprendizado sobre as unidades envolvidas no refino do petróleo, com isso
propiciando uma formação mais completa do graduando.
Inicialmente foram realizadas atividades para ambientação do estagiário à
refinaria, foi de grande importância, tanto permitindo ao aluno entender como a
refinaria trabalhava como um todo, quanto compreender como cada parte da
refinaria funcionava. As atividades desta fase se constituíram em participações em
palestras e cursos internos, apresentação de todos os setores da refinaria, e o
estudo de cada processo, em conjunto com a realização de uma visita técnica a
área industrial do respectivo processo.
Depois passou a ser desenvolvido um projeto, no setor de Otimização,
buscando solucionar um problema do software inferidor para o controle avançado
da unidade de destilação, com apoio dos engenheiros da REPAR.
Em ambas as fases do estágio foram desenvolvidas atividades que
permitiram ao aluno de aplicar na prática os conhecimentos adquiridos na
universidade. Com isso, o estágio foi parte integrante do processo de
aprendizagem, e também contribuiu para a integração universidade-empresa.
O trabalho realizado durante o estágio acabou por trazer melhorias para a
empresa. Apesar do inferidor não ser utilizado no controle avançado, ele já está
validado e em funcionamento, gerando resultados de destilação em tempo real
para os operadores, permitindo que os mesmos operem de uma forma mais
otimizada a unidade.
Como perspectiva futura sobre o trabalho desenvolvido, se tem a aplicação
deste inferidor para o controle avançado da unidade de destilação atmosférica, a
inferência de outras torres de outras unidades de processo da refinaria além da
torre atmosférica, para realizar a inferência dos pontos de destilação dos produtos
destas torres também.
103
Para o ano que vem, está prevista a mudança na composição do diesel
linha (blend), já que no diesel utilizado em áreas metropolitanas (diesel D) não
será mais incorporada a fração diesel pesado, apenas no diesel B (demais áreas).
Para readequar o programa a esta nova realidade, bastará alterar a regra da
chave de fim de curso do alinhamento de diesel pesado no PI (process
information), que atualmente considera que a corrente de diesel pesado vai para o
blend.
Finalizando, o estágio realizado na REPAR contribuiu para fornecer uma
perspectiva da importância do trabalho de um engenheiro de controle e
automação industrial na indústria atual, e uma de suas possíveis áreas de
atuação.
Quanto ao local onde o projeto de fim de curso foi realizado, vale citar que,
no decorrer do estágio, foi possível confirmar a integridade da empresa
PETROBRAS. Uma empresa de energia com grande responsabilidade social e
muito preocupada com a segurança e preservação do meio ambiente.
104
Capítulo 11: Referências Bibliográficas
[ 1 ] ABADIE, E. Curso de Formação de Operadores de Refinaria: Processos de
Refino. Petrobras UnicenP, Curitiba, 2002.
[ 2 ] REFINARIA PRESIDENTE GETÚLIO VARGAS – REPAR. disponível na
intranet Petrobras em <http://www.repar.petrobras.com.br/portal/> visita em maio
de 2005.
[ 3 ] BRASIL, N. I. Destilação de Petróleo, Programa de Trainees Petrobras,
Engenheiro de Processamento. Universidade Corporativa, Rio de Janeiro, 2002.
[ 4 ] PETROBRAS. Disponível no site <http://petrobras.com.br> visitado em maio
de 2005.
[ 5 ] Manual de Operação da Unidade de Destilação Atmosférica e à Vácuo.
REPAR/PETROBRAS.
Disponível
na
intranet
Petrobras
em
<http://www.repar.petrobras.com.br/areas/tec_eng/informatica/producao/manual_d
estilacao/index.html> visita em maio de 2005.
[ 6 ] SPANDRI, R. Controle Avançado, Programa de Trainees Petrobras,
Engenheiro de Processamento Júnior. Universidade Corporativa, Rio de Janeiro,
2003.
[ 7 ] QIN, S.J., BADGEWELL, T.E. An Overview of Industrial Model Predictive
Control Technology. University of Texas, 1996.
[ 8 ] BELL, D. UML Basics. Rational Edge, 2003.
105
[ 9 ] MILLER, R. Practical UML™: A Hands-On Introduction for Developers.
Borland Developer Network, 2003.
[ 10 ] SILVESTRE, D. S. Detalhes Técnicos Sobre o Software Inferidor da
Destilação Atmosférica. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis,
2005
[ 11 ] SCHILDT, H. Borland C++: Completo e Total. Makron Books, São Paulo,
1997
[ 12 ] PI APPLICATION PROGRAMMING INTERFACE. Osi Software Inc., 1996.
106