Modelação e simulação do Digital Twin da Unidade de Afinação de Fuel

Abstract

O presente trabalho pretende desenvolver o digital twin da Unidade de Afinação de Fuel (UAF) do processo industrial de produção de fuelóleo a partir de resíduos oleosos, da Eco-Oil. Este trabalho é de extrema importância para a Eco-Oil, uma vez que a alimentação do seu processo é muito variada e, por isso, obriga o ajuste das condições de operação consoante as suas características. Para isso, desenvolveu-se um modelo matemático que compreende a formulação das principais operações unitárias que compõe a unidade e que permite prever o flash point da corrente de fuelóleo no final do seu processamento, de forma a averiguar se a especificação mínima de flash point de 65 ºC é cumprida.O modelo da UAF desenvolvido compreende duas fases. Numa primeira fase, desenvolveu-se o modelo da UAF original, compreendendo a formulação do tanque flash, permutadores de calor (HE 3.1.1, HE 3.2.1, HE 3.3.2 e HE 3.4.2), filtros vibratórios e depuradoras. Numa segunda fase, adicionou-se ao modelo desenvolvido os permutadores de integração energética (HE 3.6.2 e HE 3.7.2), adições resultantes do projeto de revamping energético da unidade. Uma vez desenvolvido o modelo da unidade, procedeu-se à sua implementação computacional, recorrendo ao software GNU Octave, e conduziu-se o exercício de simulação em estado estacionário. Por fim, comparou-se os resultados da simulação com os valores reportados por (Coelho, 2020), (Figueira, 2022) e com dados processuais. Comparou-se os resultados na simulação do tanque flash da UAF com os valores obtidos por (Coelho, 2020), cujo modelo desenvolvido no software Aspen contempla a simulação de uma coluna de destilação de três andares teóricos em estado estacionário. Os resultados obtidos são similares à previsão do modelo de (Coelho, 2020), destacando-se um maior desvio no cálculo do caudal de vapor. Comparou-se ainda os resultados obtidos na simulação dos permutadores de calor em estado estacionário, conduzida por (Figueira, 2022), cuja diferença não se mostrou significativa. Por fim, comparou-se os resultados da simulação com dados experimentais. Obteve-se um desvio de 3,08% e de 83,2% no cálculo do flash point relativamente à determinação em copo aberto e copo fechado, respetivamente. O cálculo da temperatura no tanque flash apresenta um desvio de 4,80% face à temperatura no topo da coluna e um desvio de 7,88% face à temperatura na base da coluna. Quanto à simulação dos permutadores de calor, obteve-se um desvio de 14,60% e 7,73% no cálculo da temperatura da utilidade à saída dos permutadores HE 3.2.1 e HE 3.3.2, respetivamente. Na simulação dos permutadores de integração energética, o modelo prevê a temperatura da corrente de fuelóleo à saída do HE 3.6.2 com um desvio de 19,90% e a temperatura da corrente de alimentação à saída do HE 3.2.1 com um desvio de 8,78%, face aos dados experimentais.O modelo desenvolvido apresenta algumas limitações, resultado da utilização de modelos simplistas na concretização dos balanços de massa ao tanque flash, nomeadamente a Lei de Raoult. Esta simplificação sobrevalorizou a estimativa da temperatura no tanque e comprometeu a capacidade de previsão da transferência de calor nos permutadores de aquecimento e de integração. Isto demonstra que, para o tipo de sistemas em estudo, será recomendável a utilização de modelos termodinâmicos mais rigorosos. Para além disto, o modelo calcula um valor de flash point correspondente à determinação em copo aberto, quando a correlação utilizada, a Correlação de Hshieh, é reportada como uma estimativa para copo fechado. Ainda assim, os cenários de simulação desenvolvidos demonstraram que o comportamento das variáveis e a relação entre as mesmas estão de acordo com o expectável.

This work aims to develop the digital twin of the Oil Refining Unit (UAF) of the industrial process of production of fuel oil from oil residues, from Eco-Oil. This work is very important to Eco-Oil because the unit feed varies a lot and forces the operating conditions to switch and adapt. To fulfil this, a mathematical model was developed. This model contains the formulation of the most important operation units and the prediction of the flash point of the product, which has a minimum specification of 65 ºC.First, the model of the original unit was developed. This model contains the formulation of the flash tank, heat exchangers (HE 3.1.1, HE 3.2.1, HE 3.3.2 and HE 3.4.2), vibrator screens and centrifugal separators. Then, the integrated heat exchangers (HE 3.6.2 and HE 3.7.2) were added. Once the model was finished, it was implemented in GNU Octave and its results were compared to the ones reported by (Coelho, 2020) and (Figueira, 2022) and to real data. The results of the steady-state simulation of the flash tank were compared to the ones predicted by (Coelho, 2020). The model used by (Coelho, 2020) was developed in Aspen software and includes the steady-state simulation of a distillation column with three theoretical stages. The results were similar to the ones obtained by (Coelho, 2020), with a bigger difference in the calculation of the vapour flow. The results in the steady-state simulation of the heat exchanger were compared to the one conducted by (Figueira, 2022) and the difference between the results was not significant. Lastly, the results were compared to real data. The calculation of the fuel's flash point has a difference of 3,08% compared to the open cup determination and a difference of 83,2% compared to the closed cup determination. The calculation of the flash tank's temperature has a deviation of 4,80% compared to the temperature at the top and a deviation of 7,88% compared to the temperature at the bottom. The model calculates the final temperature of the utilities on the heat exchangers with a difference of 14,60% and 7,73% in HE 3.2.1 and HE 3.3.2, respectively. The model predicts the final temperature of the fuel in HE 3.6.2 with a deviation of 19,90% and the final temperature of the feed in HE 3.2.1 with a deviation of 8,78%.The developed model has some limitations. They are a result of using ideal and simple laws, such as Raoult's Law, to describe the behaviour of the species in the flash tank. This simplification results in a higher estimation of the tank's temperature which influences the simulation of the heat transfer in the heat exchangers. This shows that for systems of this kind, it is better to use more rigorous thermodynamic models. Finally, the model predicts a value of flash point which corresponds to the open cup determination, although Hshieh's Correlation is reported as a closed cup determination. Nevertheless, the simulation scenarios developed show that the behaviour of the variables and their relationship are as expected.