Na concepção do FCC modelo Orthoflow F, projetado pela M.W. Kellogg, conforme apresentado por Moro (1994) e segundo Han et al. (2008), o modelo é classificado de acordo com a configuração do tipo “empilhado”, no qual o reator é colocado diretamente sobre o regenerador, com a vantagem de diminuir a linha de transporte do catalisador para a etapa de regeneração.
De acordo com a Figura 4, o regenerador é composto por duas etapas de regeneração, e cada etapa é constituída por duas fases, a fase densa na parte inferior e a fase diluída na parte superior. O ar de combustão é impulsionado por sopradores localizados na parte inferior de cada etapa de regeneração do regenerador, onde se localizam as fases densas em suas etapas distintas, vencendo as pressões proporcionadas pelo catalisador impregnado e reagindo com o coque, ocasionando uma oxidação do mesmo nas etapas de regeneração.
A fase densa é composta pela fase sólida e pela fase gasosa, com uma percentagem muito elevada da fase sólida fazendo prevalecer a quantidade de sólido sobre uma quantidade pequena de gás. Na fase diluída se encontra uma pequena quantidade de sólido disperso na fase gasosa, prevalecendo a densidade da fase gasosa.
Fonte: PETROBRAS
Figura 4 - Esquema de uma unidade de FCC Kellogg
Para melhorar o funcionamento do regenerador utilizam-se ciclones, com a finalidade de efetuar a separação da fase gasosa da fase sólida; por meio de força centrífuga, as partículas sólidas são empurradas em direção à parede do ciclone, descendo por meio de um vórtice com fluxo descendente, e o gás de combustão sobe pelo centro do ciclone através de um fluxo ascendente direto, concentrando-se na parte superior do regenerador. No interior do regenerador identificam-se duas regiões que formam a primeira e a segunda etapa de regeneração. A região da primeira etapa de regeneração envolve a região de segunda etapa de regeneração, que é o local em que catalisador oxidado fica pronto para entrar no riser.
A fase mais densa da primeira etapa de regeneração ocorre na parte inferior do regenerador, na qual o ar entra controlado por uma válvula de pressão e entra em contato com o regenerador impregnado com coque, que desce diretamente do vaso de separação através de uma linha de transmissão de catalisador. Esta primeira reação se
dá em uma área maior, delimitada pelas paredes do regenerador, fornecendo grande quantidade de energia no processo e gerando grandes quantidades de gases de combustão. Na segunda fase de regeneração, o ar de combustão que entra pelo interior entra em contato com o catalisador regenerado, oxidando o restante de coque na superfície do catalisador regenerado e seguindo em direção ao riser com altas temperaturas.
No riser, o catalisador recuperado e o catalisador puro misturam-se ao gasóleo que entra no mesmo em forma de um spray aquecido; nessa mistura inicia-se a reação de craqueamento (degradação) da molécula de gasóleo, dando origem a várias outras moléculas de hidrocarbonetos; a mistura é então impulsionada por um fluxo de vapor ascendente ao longo do riser, cuja entrada principal é pela parte inferior, sendo este jato denominado vapor de arraste.
Na entrada do riser é injetado também o catalisador puro com a finalidade de repor o potencial de transformação que se degrada gradativamente com a regeneração do catalisador. O vapor de atomização é inserido juntamente com a carga de catalisador puro.
A mistura segue em reação ao longo do riser até entrar pela parte lateral do vaso separador, onde a reação é completada, dividindo-se em uma fase gasosa e em uma fase sólida que se comporta como um líquido devido à sustentação das minúsculas partículas do catalisador pelos gases formados em sua superfície. O vaso de separação, assim como o regenerador, é composto em seu interior por reatores ciclones, que têm a finalidade de separar a fase sólida da fase gasosa, fixando na parte inferior do vaso separador as partículas de catalisador impregnado.
Na base do vaso separador encontra-se uma coluna de retificação, onde o vapor de retificação é circulado no anel inferior da coluna para manter estáveis as condições de temperatura, e com isso manter a composição do catalisador em condição de ser recuperado no processo de regeneração; de igual modo, é possível liberar os hidrocarbonetos que ainda possam existir impregnados na superfície do catalisador junto com o coque. No domo do vaso separador há circulação de um vapor de estabilização, necessário para manter a temperatura do gás convertido, para que não ocorram princípios de precipitações antes da torre de fracionamento.
4 ANÁLISE TERMODINÂMICA DO FCC
A primeira e principal abordagem na análise de eficiência energética em refino de petróleo é conhecer o funcionamento dos equipamentos e o modo como ocorre a transferência de energia no seu interior e exterior; isto implica em conhecer fluxos de fluídos quentes e frios e a troca de calor entre eles. Tais influências são determinadas através da análise específica de cada equipamento ou de um conjunto de equipamentos, dependendo do interesse e da viabilidade da análise a ser feita.
Inicialmente é necessário conhecer as leis que regem quantitativamente e a troca de energia no meio através de uma avaliação utilizando a Primeira Lei da Termodinâmica e, posteriormente, a análise de Segunda Lei referindo-se às perdas e ao possível aproveitamento da energia. Esta análise está relacionada diretamente a fluxos inseridos na conversão, na produção e nos vários processos de craqueamento catalítico que constituem um regime permanente representando o refino de petróleo.
4.1 Princípios da termodinâmica aplicados ao FCC