Balanço de Pressão e Circulação de Catalisador: Fundamentos e Aplicações para a Otimização da UFCC

O balanço de pressão fornece um entendimento da hidráulica da circulação de catalisador na unidade de craqueamento catalítico. O conjunto conversor opera com um catalisador sólido, que quando sob certas condições, se comporta como um fluido.

O entendimento do balanço de pressão auxilia o engenheiro a otimizar a unidade, visando estabilizar e maximizar a circulação de catalisador. O balanço de pressão também equilibra restrições comuns de uma UFCC como as vazões do soprador e compressor, bem como a queda de pressão disponível nas válvulas de controle de nível de catalisador no vaso separador e de temperatura no topo do riser, denominadas de LV e TV, respectivamente.

As unidades de craqueamento catalítico operam circulando um catalisador sólido dentro do conversor. O principal responsável para que essa circulação aconteça é o balanço de pressão.

O balanço de pressão diz respeito à hidráulica da circulação do catalisador entre o vaso separador e o regenerador. Este catalisador se comporta como um fluido quando aerado por uma corrente na fase vapor. Dessa forma, o fluxo de catalisador na UFCC se dá por diferencial de pressão. Por isso, o catalisador deve se manter fluidizado enquanto percorre o ciclo no conversor.

O catalisador fluidizado se comporta similarmente a um líquido e seu fluxo ocorre na direção da menor pressão. O diferencial de pressão entre dois pontos em um leito é igual ao comprimento do leito entre esses pontos multiplicado pela densidade do catalisador fluidizado. Portanto, o conjunto conversor de uma unidade de craqueamento catalítico é essencialmente o sistema preenchido com água ilustrado na figura 1.

Conforme observado na figura 1A, se as pressões nos dois vasos são iguais, o nível de água também será igual. Já na figura 1B, a pressão no vaso 1 é menor do que a do vaso 2, consequentemente, o nível da água irá subir, conforme ilustrado. Por fim, na figura 1C, se ar ou outro gás for injetado no riser que conecta os dois vasos, o nível de água nessa linha se elevará ainda mais devido ao decréscimo de densidade nessa região. Ao injetar-se uma quantidade suficiente de vapor d’água no riser, haverá transbordamento para o vaso 1 e a circulação no sistema será estabelecida.

Este é o processo utilizado para circular o catalisador fluidizado em uma UFCC. Tipicamente, o vaso separador é equivalente ao vaso 1 e o regenerador ao vaso 2. A densidade no riser é menor em função da presença da carga e dos vapores de produtos, além da injeção de vapor d’água e, por esse motivo, o catalisador possui fluxo ascendente no riser até o vaso separador.

Os principais componentes do balanço de pressão do conversor de uma UFCC são o regenerador, a tubulação de catalisador regenerado, a válvula de controle de temperatura no topo do riser (TV) de catalisador regenerado, o riser, o vaso separador, a tubulação de catalisador gasto e a válvula de controle de nível de catalisador no vaso separador (LV) de catalisador gasto. O balanço de pressão determina a queda de pressão disponível nas duas válvulas.

O domínio do balanço de pressão é extremamente importante para a otimização da unidade. A capacidade da UFCC pode ser incrementada, por exemplo, a partir de uma maior circulação de catalisador ou por alteração no diferencial de pressão entre o vaso separador e o regenerador, de modo que seja possível balancear duas restrições comuns na unidade de craqueamento catalítico, as vazões do soprador e do compressor. Portanto, os principais objetivos do balanço de pressão são:

• Garantir uma circulação de catalisador estável;
• Maximizar a circulação de catalisador;
• Maximizar a queda de pressão disponível nas válvulas TV e LV;
• Otimizar a pressão do regenerador para maximizar a vazão do soprador ou do compressor, a depender do cenário da unidade.

Por fim, o balanço de pressão é fundamental para garantir que o catalisador sempre escoe do regenerador para o vaso separador, e, posteriormente, retorne ao regenerador. A inversão de fluxo no conjunto conversor, no caso da TV permitirá que a carga injetada no riser adentre o regenerador aumentando significativamente a temperatura deste, o que fatalmente ocasionará uma parada da unidade. De forma análoga, a inversão de fluxo no conjunto conversor considerando a LV permitirá que ocorra fluxo dos gases de combustão com presença de oxigênio para o vaso separador e, consequentemente, a elevação da temperatura do vaso separador, sendo necessário interromper a operação da unidade.