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A situação atual e as tendências de desenvolvimento das tecnologias de otimização no setor de refino e processamento em nível global: À medida que os países ao redor do mundo dão cada vez mais importância à otimização desse setor e realizam pesquisas mais aprofundadas sobre técnicas de otimização, as instituições de pesquisa e as empresas tecnológicas nacionais e internacionais alcançaram grande progresso nessa área, especialmente no que diz respeito às técnicas de otimização por simulação, à otimização energética e ao desenvolvimento de softwares. Além disso, a aplicação dessas técnicas de otimização também gerou consideráveis benefícios econômicos para as empresas do setor de refino e processamento. A seguir, são apresentados, separadamente, o estado atual da pesquisa teórica em otimização por simulação e otimização de sistemas energéticos, o estado atual das pesquisas e aplicações realizadas por empresas tecnológicas nacionais e internacionais, bem como as tendências de desenvolvimento. (1) Estado atual da pesquisa teórica em otimização de sistemas energéticos. A pesquisa teórica sobre sistemas energéticos em processos começou na década de 1970. Com o aprofundamento das pesquisas, estudiosos nacionais e internacionais propuseram modelos como o modelo de interação entre três subsistemas, o modelo “cebola” e o modelo de três etapas, com o objetivo de descrever a estrutura, a função e as mudanças da energia nos sistemas de processos. Em 1983, Townsend e Linnhoff, ao estudar os métodos estruturados utilizados na otimização de processos, consideraram o sistema de processo como sendo composto por vários subsistemas interativos. Isso visava simplificar o processo de otimização do design. Eles propuseram um modelo de interação entre três subsistemas: o subsistema de processamento (reação, separação), a rede de troca de calor e o subsistema de energia. Esse modelo permitia refletir, de maneira qualitativa, as relações e restrições inerentes à conversão e utilização de energia no sistema de processo. No entanto, ele não conseguia refletir com precisão a natureza da estrutura energética do sistema. Em 1988, Linnhoff e outros propuseram o “modelo de cebola” para destacar as características hierárquicas do projeto de processos. Seu núcleo é o subsistema de reação; os demais componentes, de dentro para fora, são o subsistema de separação, a rede de troca de calor e os subsistemas de engenharia auxiliar. No entanto, esse modelo é apenas uma descrição aproximada da estrutura energética do sistema de processos, sem oferecer um modelo matemático preciso e quantitativo. A partir de 1982, Hua Ben e outros, com base na análise da segunda lei da termodinâmica, partindo das leis que regem as mudanças de energia em sistemas dinâmicos, propuseram e aperfeiçoaram gradualmente um modelo estrutural de energia composto por três etapas: a conversão de energia, o uso da energia e a recuperação de energia. Esse modelo fornece uma relação topológica rigorosa e quantitativa da estrutura dos fluxos de energia em sistemas de processo. O ponto-chave é a divisão do sistema molecular em áreas funcionais, sendo que são definidos modelos econômicos baseados na exergia, além das funções objetivo e condições de borda correspondentes. Além disso, é feita uma avaliação econômica da eficiência dos planos de melhoria global, com base na otimização coordenada dos subsistemas. No entanto, devido à natureza teórica dos métodos de análise econômica baseados no conceito de exergia, além do processo complexo envolvido em sua aplicação, sua utilização na produção real das empresas encontra certas limitações. (2) Situação atual das pesquisas e aplicações no país e no exterior ① Situação no exterior Nos últimos anos, empresas internacionais renomadas em tecnologia e software, como a KBC, ASPEN, Shell GlobalSolutions, Invensys, Honeywell e ProcessIntegrated Limited (PIL), utilizaram técnicas avançadas de simulação e otimização de processos, combinadas com métodos sofisticados de análise de pontos críticos. Além disso, contando com a experiência de especialistas, essas empresas desenvolveram soluções próprias para a otimização de sistemas energéticos. Essas soluções já foram aplicadas com sucesso por grandes empresas petrolíferas e de refino em todo o mundo. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1iaoxJWTG6e8t2gT3U8JP2Ah5iaVzrqC0fZlPLD1OmEvGMX7QiadsHb4TMg/0?wx_fmt=png A empresa KBC desenvolveu o software de simulação de processos Petro-SIM, com base no HYSYS.Refinery. A empresa também dispõe de um conjunto de modelos de reatores padrão que podem ser utilizados no Petro-SIM, como os modelos de craqueamento catalítico (FCC-SIM), hidrocraqueamento (HCR-SIM), reforma catalítica (REF-SIM), hidrogenação de nafta (NHTR-SIM), hidrogenação de diesel (DHTR-SIM), hidrogenação de VGO (VGOHTR-SIM), desulfuração por hidrogenação de óleos residuais (RHDS-SIM), cokagem retardada (DC-SIM), alquilação (ALK-SIM) e craqueamento para redução da viscosidade (VIS-SIM), além de modelos de isomerização ； Foram desenvolvidos o software SuperTarget, para otimização de redes de troca de calor; o software ProSteam, para simulação e otimização de sistemas a vapor; e tecnologias para uma melhor eficiência no uso de energia, com base no índice BT (Best Technology). A tecnologia de integração energética em toda a fábrica proposta por essa pesquisa (Total Site) utiliza técnicas de análise dos pontos críticos em toda a fábrica, além de roteiros estratégicos para o desenvolvimento da eficiência energética. Esses recursos permitem analisar, otimizar e priorizar o consumo e fornecimento de energia nos sistemas de processos e nas instalações auxiliares da fábrica, visando encontrar as maneiras mais rápidas e eficazes de melhorar a situação energética. Atualmente, a KBC já implementou o projeto Total Site de otimização energética em mais de 50 refinarias e fábricas químicas, incluindo BP, BASF, ESSO, Chevron, Total, COSMO e Japan Energy Global. Esse projeto permitiu uma economia de energia de 15% a 30%, uma redução na demanda por hidrogênio de 8% a 20%, uma economia de energia nos compressores de 25% a 35%, e uma redução no custo total de 14% a 20%. Por exemplo, uma refinaria na Europa utilizou a tecnologia Total Site para realizar análises de pontos críticos e modelagem dos sistemas de vapor. Com base nisso, foram propostos vários projetos de economia de energia, como reformas em turbinas, uso do calor residual e geração conjunta de energia. Após a implementação desses projetos, o índice de intensidade energética da refinaria (Energy Intensity Index, EII) diminuiu em 5 pontos ； A empresa sul-africana Sasol Fuel, após utilizar a tecnologia Total Site para analisar os sistemas de infraestrutura, propôs vários projetos típicos de economia de energia, como a melhoria das redes de troca de calor e o aumento da geração combinada de energia. A implementação desses projetos permite uma redução de cerca de 30% na demanda por serviços de infraestrutura. A Aspen possui uma série de produtos de software para simulação e otimização. Entre eles estão o Aspen Plus, utilizado para a simulação de processos químicos; o Aspen RefSYS, usado para a simulação de processos de refino; o HYSYS, também para simulação de processos químicos; o Aspen Dynamics, voltado para simulações dinâmicas; o HX-Net e o Aspen Pinch, destinados à otimização de redes de troca de calor; o Aspen Utilities, para a otimização de sistemas de infraestrutura; o Aspen PlusOptimizer, para otimização em tempo real; a série Aspen HTFS+, utilizada para a simulação de equipamentos de troca de calor; além de softwares para a simulação de reações em unidades de refino e para a simulação de reações poliméricas, como o POLYMER. Dentre eles, o Aspen Plus é uma ferramenta de simulação de processos em estado estacionário. É o único produto software que combina, em uma única ferramenta de simulação, os algoritmos de módulos sequenciais e equações simultâneas ； O HYSYS era originalmente um produto da empresa canadense Hyprotech. Em 2002, a empresa Aspen adquiriu essa empresa, e o HYSYS passou a fazer parte da linha de produtos da Aspen. É o único software que possui funcionalidades de simulação tanto em regime estacionário quanto dinâmico ； O Aspen PlusOptimizer permite que os usuários utilizem algoritmos de resolução de equações simultâneas para resolver de maneira rápida e precisa problemas de otimização de funções objetivo não lineares com vários graus de liberdade. Ele oferece aos engenheiros da indústria de processos uma ferramenta eficaz para resolver processos complexos e de grande escala. Além disso, cria as condições necessárias para a implementação de sistemas de otimização em tempo real. Como produto integrado ao Aspen Plus, ele oferece suporte total às funcionalidades relacionadas aos graus de liberdade, restrições e definição de funções objetivo presentes no Aspen Plus. Pode ser utilizado tanto para otimização de processos em tempo real quanto para simulações offline. Com base nesses produtos de software, a empresa Aspen desenvolveu soluções abrangentes para otimização energética. Além disso, contando com a expertise de seus especialistas, realizou análises de otimização dos sistemas energéticos em diversas empresas do setor petroquímico. Por exemplo, em 2000, a Aspen implementou um projeto de otimização dos sistemas de infraestrutura na refinaria Bulwer Island da BP; o período de retorno do investimento foi inferior a 1 ano ； Foi realizado um projeto de otimização energética na unidade de produção de etileno da YNCC, localizada em Yosu, na Coreia do Sul. Por meio de ajustes nas condições de operação e reformas nos equipamentos, foi possível aumentar a produção em 10% e reduzir o consumo energético por unidade produzida em 2,2% ； Em 2005, foi realizada uma análise de otimização do sistema energético do projeto da refinaria CNOOC em Huizhou. Essa análise incluiu a avaliação e otimização do sistema de hidrogênio, do sistema de vapor em toda a refinaria, dos sistemas de combustível e energia elétrica (cogeração de calor e eletricidade), além da análise dos pontos críticos em toda a instalação. Após as otimizações, o valor de EII diminuiu de 80 para 61,5, o que corresponde a uma economia anual de 240 milhões de dólares. A Shell GlobalSolutions utiliza sua equipe interna de consultoria especializada, bem como softwares de otimização por simulação desenvolvidos pela própria empresa, para realizar análises de otimização de sistemas energéticos. Os softwares utilizados incluem Aspen Plus, Unisim, além dos softwares desenvolvidos pela empresa própria, como ECU, SHARC, plan24tune e EMS. Dentre eles, o software ECU é utilizado para a simulação e otimização de fornos de cracking de etileno, enquanto o software SHARC é usado para a simulação e otimização de unidades de craqueamento catalítico. Atualmente, a Shell GlobalSolutions já implementou soluções de otimização de sistemas energéticos em 29 refinarias e empresas petroquímicas ao redor do mundo. Isso permitiu que as refinarias reduzissem seu consumo de energia em cerca de 2% a 7%, enquanto as empresas petroquímicas conseguiram reduzir esse consumo em aproximadamente 3% a 5%. A Invensys possui diversos produtos de software para simulação de processos (simulação em estado estacionário e dinâmico), otimização off-line e on-line, bem como sistemas de treinamento para operadores. Entre eles estão o PRO/II, utilizado para a simulação de processos químicos; o HEXTRAN, usado para a otimização de equipamentos e redes de troca de calor; o DYNSIM, destinado à simulação de processos dinâmicos; e o ROMeo, aplicado à otimização de simulações on-line. Em 2002, a empresa otimizou os sistemas de infraestrutura relacionados ao etileno na fábrica de etileno em Daesan, na Coreia do Sul, e na refinaria em Mizushima, no Japão ； Em 2005, foram realizadas melhorias nos sistemas de serviços gerais da fábrica de etileno em Ohita e nos sistemas de serviços gerais da refinaria em Aichi. Em 2004, a Honeywell adquiriu o software HYSYS, utilizado para otimização de simulações estáticas e dinâmicas. Em 2005, com base nas tecnologias HYSYS e UOP, foi desenvolvido o novo sistema de simulação de processos UniSim. Esse sistema integra em um único ambiente os recursos de projeto, otimização em tempo real e treinamento de operadores, além de aprimorar técnicas como a otimização de redes de troca de calor e a síntese de processos. Dentre eles, o UniSim Desig é utilizado para simulação de processos em estado estacionário; o Unisim DynamicOption é usado para simulação de processos dinâmicos; o UniSim SQP Optimizer Option serve para otimização de processos; o UniSim ExchangerNet é utilizado para análise de pontos críticos e projeto de redes de troca de calor; e o Profit Optimizer é usado para otimização dinâmica em tempo real. A empresa PIL desenvolveu tecnologias para o projeto e reforma de sistemas de troca de calor com recuperação térmica, bem como o software HEAT-int. Além disso, desenvolveu tecnologias e softwares para o projeto e otimização dos sistemas de energia a vapor em toda a fábrica, como o SITE-int. Também foram criadas tecnologias e softwares para o gerenciamento e otimização dos recursos de hidrogênio em toda a fábrica, como o H2-int. Dentre eles, o produto de software H2-int possui um método único de modelagem de unidades de hidrogenação, além de métodos avançados de otimização matemática. Em conjunto com a simulação rigorosa dos processos da rede de hidrogênio, ele consegue descrever com precisão as operações em cada unidade, permitindo assim o otimização global do sistema de hidrogênio nas refinarias. Atualmente, a empresa já implementou vários projetos de otimização dos sistemas de energia, obtendo bons resultados em termos de economia de energia. Por exemplo, foi realizada uma análise de otimização do sistema energético nas 13 unidades de refino da fábrica de Grangemouth da BP (3 unidades de refino sob pressão normal e reduzida, unidades de hidrocraqueamento, craqueamento catalítico, reprocessamento, alquilação, além de várias unidades de refinamento por hidrogênio), bem como nas 8 unidades petroquímicas. Com apenas ajustes operacionais, foi possível obter uma economia anual de energia de 7,8 milhões de dólares ； A otimização do sistema de energia nas 25 unidades da refinaria Coryton da BP resultou em economias anuais de energia no valor de 3,7 milhões de dólares, com apenas ajustes operacionais. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1ia8iciaUHhs4yBzUz9POmic1fIDDFzzyibsmu32WKcoofTF6sb2wcpjAhUFQ/0?wx_fmt=png ② Situação atual no país: Nos últimos anos, empresas como a Youhua Process Technology Company, a Dalian University of Technology, a Chinese Academy of Sciences, a Tsinghua University e a South China University of Technology desenvolveram tecnologias próprias, com base na utilização de softwares internacionais avançados de otimização por simulação. Foram criados softwares para otimização de trocadores de calor, redes de troca de calor e sistemas de energia a vapor. Além disso, foi realizada uma otimização integrada da energia nos equipamentos, nas redes de troca de calor e nos sistemas de energia a vapor, o que resultou em bons benefícios econômicos. A tecnologia de otimização de sistemas energéticos da Youhua Process Technology Company é baseada na teoria e nos métodos de otimização integrada da energia em “três etapas” dos sistemas de processo. Com o uso dessa tecnologia, já foram realizados mais de 40 projetos de melhoria em termos de economia de energia em empresas petroquímicas no país. Dentre eles, o resultado da avaliação realizada em setembro de 2002, organizada pelo Departamento de Ciência e Tecnologia da província de Guangdong, intitulado “Aplicação engenharia da otimização dos sistemas energéticos na indústria de petróleo e químicos”, gerou uma economia de 120 milhões de yuans por ano para 4 empresas. As tecnologias proprietárias e os produtos de software desenvolvidos pela empresa incluem: software especializado para otimização de trocadores de calor (HEDO), tecnologias de otimização energética após o fornecimento de calor aos equipamentos de hidrogenação, tecnologias proprietárias para tratamento térmico avançado e integração térmica de grandes sistemas, tecnologias para utilização eficiente do calor a baixas temperaturas em grandes sistemas, software de otimização de sistemas de energia a vapor (STOpti), pacote de processos CWopti voltado para a otimização dos sistemas de água circulante em fábricas inteiras, tecnologias para economia de energia em bombas e motores, e software de otimização de redes de troca de calor (ODHEN). Em 2001, foi realizada uma reforma para otimizar o sistema de energia das unidades de refino e processamento da Daqing. Após a reforma, houve uma redução no consumo de vapor em 2 t/h a 3 t/h. Além disso, a temperatura final de troca de calor aumentou em mais de 10°C, o que resultou em uma redução no consumo de combustível em 100 kg/h ； Dois sistemas de pressão normal aumentam a temperatura final de troca de calor em 6°C a 8°C, reduzindo o consumo de combustível em 200 kg/h a 250 kg/h ； Redução no consumo de vapor atmosférico em 8 t/h a 10 t/h; aumento na recuperação de calor a baixas temperaturas em aproximadamente 2500 kW. O investimento total é de cerca de 80 milhões de yuan, o que resulta em economias anuais de energia no valor de 32 milhões de yuan. Foi realizada uma otimização do sistema energético em uma empresa petroquímica com capacidade de processamento de 13 milhões de toneladas por ano de petróleo bruto. Foram implementados projetos como o uso combinado de calor e energia, a otimização dos sistemas de calor a baixas temperaturas e a otimização dos sistemas de geração de vapor. O custo total dos trabalhos foi de 160 milhões de yuans, resultando em uma redução no consumo de energia de 14,9 quilos de óleo padrão por tonelada. O benefício econômico anual foi de 360 milhões de yuans. O Instituto de Química da Universidade de Ciência e Tecnologia de Dalian desenvolveu, com base na inovação independente, a “técnica de integração energética de sistemas de processo”. Pela primeira vez, foi estabelecido o “princípio da consistência no uso de energia em sistemas de processo”, permitindo que sistemas de processo grandes e complexos fossem unificados em termos de uso de energia. O problema da integração energética foi transformado em um problema de otimização de redes de troca de calor com restrições. Foi desenvolvido o software V1.0 para otimização de redes energéticas em larga escala, capaz de resolver efetivamente os problemas relacionados à integração energética em sistemas de grande porte ； Pela primeira vez, foi proposto o uso do “método de temperatura virtual” (ou seja, a temperatura efetiva) para realizar análises de pontos críticos, tanto em situações operacionais quanto de projeto. Isso permite descrever com precisão a distribuição da energia no sistema, possibilitando assim um diagnóstico preciso da situação energética ； Resumindo, são estabelecidas as “estratégias de integração energética em sistemas de processo”, que servem como guia para a realização de diagnósticos relacionados ao consumo de energia nesses sistemas, para a identificação de gargalos, bem como para a otimização simultânea da eficiência energética e do aumento da capacidade dos equipamentos de produção. Atualmente, essa tecnologia já foi aplicada na análise do consumo de energia e da capacidade produtiva de mais de 20 unidades de produção em empresas petroquímicas localizadas em Dalian, Jilin, Liaoyang, Fushun, Yanshan e Qilu. Foram implementados 8 planos de reforma técnica visando à economia de energia e ao aumento da capacidade produtiva; esses planos permitem uma economia de 10% a 20% em energia, além de um aumento na capacidade produtiva de 20% a 30%. Isso gera uma economia anual de 80 milhões de yuans. Dentre eles, foi utilizada a técnica de temperatura virtual para realizar uma análise do consumo de energia no sistema de resfriamento de uma unidade de produção de etileno no país. Foram identificados os pontos críticos no que diz respeito ao consumo de energia pelo sistema em questão. Considerando as características de baixa diferença de temperatura na transferência de calor em processos a baixas temperaturas, bem como o fato de que os sistemas de resfriamento utilizam instalações intermediárias, foi proposto um método abrangente para o uso de trocadores de calor em múltiplos fluxos nesses processos. Após a implementação desse método, houve uma redução de 44,5% no consumo de energia pelos sistemas de resfriamento. O Instituto de Engenharia de Sistemas de Processos do Departamento de Química da Universidade de Tsinghua desenvolveu o sistema de simulação de redes de troca de calor com alta flexibilidade e baixa sensibilidade, chamado HEXTH, bem como a ferramenta de otimização do sistema energético total da fábrica, chamada TSES. Esses sistemas foram aplicados em empresas como Yanshan Petrochemical, Qilu Petrochemical e Jinxi Petrochemical. No que diz respeito à otimização por simulação de unidades de produção de etileno, foram desenvolvidos o sistema PYRO-SimP, para análise da simulação de fornos de cracking de etileno do tipo GK-V, e o sistema EPSOS, para simulação e otimização desses mesmos fornos. Além disso, foi criado um modelo de dinâmica das reações de cracking e um modelo de otimização do funcionamento da unidade em todo o seu ciclo de vida, para a unidade de produção de etileno da Lanzhou Petrochemical. Esses modelos forneceram orientação eficaz para a operação da unidade, contribuindo para o aumento da produção de dienos e para a redução do consumo energético total da unidade. Além disso, foram utilizados os softwares HEAT-int da empresa PIL e HEATSim da Universidade de Tsinghua para desenvolver uma plataforma de software voltada à otimização dos sistemas de recuperação de calor em processos industriais. Essa plataforma permite o projeto e a modificação automática de redes de troca de calor, bem como a simulação e otimização dessas redes ； Foi desenvolvido um software para otimização das instalações de energia a vapor em toda a fábrica, utilizando o software SITE-int da empresa PIL e o software HEATSim da Universidade de Tsinghua. Esse software permite realizar análises engenhariais dos sistemas de infraestrutura, análise e otimização dos objetivos relacionados à geração conjunta de vapor e eletricidade, além da simulação e otimização desses sistemas. O Instituto de Processos da Academia Chinesa de Ciências, em parceria com a empresa japonesa Mitsubishi, desenvolveu um sistema de simulação do processo de cokagem retardada de óleo pesado. Foi criado um modelo para representar os componentes de carbono, e também foi desenvolvido um modelo do reator de cokagem retardada. Por meio da interface do software Pro/II, esse sistema foi integrado com sucesso ao próprio Pro/II ； Foi desenvolvido um software especial para a simulação de todo o processo de cokagem retardada, capaz de operar de forma completamente independente dos softwares comerciais existentes para simulação de processos ； Foi proposto um modelo de análise da eficiência energética em todo o processo, baseado no conceito de energia efetiva, bem como um sistema de banco de dados. Esse sistema permite analisar a eficiência no uso de energia nas matérias-primas, nos fluxos de energia, nas unidades processadoras e em todo o processo, além das causas das perdas de energia. O sistema pode operar de forma independente ou ser integrado a softwares de simulação de processos, como Pro/II e Aspen. (3) Pesquisa em tecnologias-chave e situação atual de sua aplicação ① Métodos de avaliação do consumo de energia Atualmente, os principais indicadores utilizados para avaliar o consumo de energia nas indústrias de refino no exterior são o Índice de Densidade Energética (EII), proposto pela empresa Solomon, e o Índice de Melhores Práticas (Best Technology, BT), desenvolvido pela empresa KBC. Além disso, a Shell também possui seu próprio indicador interno de avaliação do consumo energético, o CEL (Correct Energy Loss). No entanto, para fazer comparações entre os níveis de consumo energético, ainda é necessário utilizar o índice EII da Solomon. Dentre eles, o indicador EII é determinado por fatores como o consumo energético total real da refinaria, a capacidade de utilização das instalações, os indicadores de consumo energético dessas instalações e o consumo energético dos sistemas externos. Esse indicador permite refletir o impacto das condições das instalações da refinaria, do nível de insumos utilizados, das condições operacionais e da qualidade do produto no consumo energético. Trata-se de um indicador de consumo energético abrangente, que leva em consideração a complexidade da refinaria, sendo utilizado principalmente para comparar a competitividade entre diferentes empresas. O índice BT da empresa KBC baseia-se, principalmente, em uma comparação vertical entre o consumo energético atual das empresas e seu nível ideal, permitindo assim a classificação das empresas. Esse indicador consegue refletir de maneira adequada a influência dos materiais utilizados, dos processos produtivos e dos equipamentos no consumo energético. Além disso, ele permite identificar os pontos fracos no uso de energia nas instalações das empresas petroquímicas, orientando-as a realizar otimizações nos sistemas de energia de forma direcionada. Como os indicadores mencionados são relativamente objetivos e facilitam a identificação do potencial de economia de energia, bem como a orientação das ações voltadas para essa finalidade, eles são amplamente utilizados por empresas petroquímicas no exterior na realização de análises de otimização dos sistemas energéticos. No entanto, como o conteúdo específico das pesquisas relacionadas aos métodos de avaliação do consumo de energia é uma das tecnologias-chave dessa empresa, esse conteúdo não é divulgado nem transferido para terceiros. As empresas nacionais de refino costumam utilizar os indicadores de consumo energético total e de consumo energético por unidade de produto, propostos pela empresa americana Amoco na década de 1980. Já no setor químico, são utilizados os indicadores de consumo energético total dos produtos químicos. Em 2005, a Sinopec revisou os padrões de cálculo do consumo energético nas unidades de refino, com base nas mudanças nos processos de produção dessas unidades. Essa revisão teve como objetivo ajustar os coeficientes de energia de cada unidade de refino, de acordo com as novas condições de produção. Em 2006, a PetroChina revisou os padrões de cálculo do consumo energético total dos produtos de etileno, alterando o escopo dos cálculos e incluindo indicadores como o consumo energético dos dienos. A vantagem dos indicadores de avaliação do consumo energético mencionados acima é que eles simplificam o conceito de consumo energético, facilitando a comparação do consumo entre diferentes equipamentos. Além disso, permitem a comparação do consumo energético entre diferentes fábricas. No entanto, esses indicadores só podem ser utilizados para analisar o nível geral de consumo energético de toda a empresa ou de cada equipamento. Eles não permitem identificar o impacto dos materiais de entrada, dos processos e dos equipamentos no consumo energético dos equipamentos. Em particular, não é possível comparar os indicadores importantes relacionados aos sistemas de consumo energético e aos equipamentos utilizados nos equipamentos. Portanto, esses indicadores não podem ser usados diretamente para identificar as áreas críticas nos equipamentos e sistemas que podem ser otimizadas em termos de economia de energia. ②Técnicas e softwares de otimização da simulação dos processos de refino e transformação. Os métodos utilizados na simulação desses processos incluem, principalmente, três categorias: método modular sequencial, método de equações simultâneas e método modular combinado. Dentre eles, o método dos módulos sequenciais é uma abordagem que consiste em calcular e resolver o modelo do sistema, unidade por unidade, de forma sequencial. Devido à sua simplicidade e facilidade de compreensão na hora da modelagem, a maioria dos softwares de simulação utilizados no processo completo de refino é desenvolvida com base nesse método. Os métodos de otimização do processo de refino incluem, principalmente, o método de programação matemática, a inteligência artificial e o método dos pontos de junção (usado principalmente para a otimização de redes de troca de calor). Os produtos de software de otimização por simulação revisados a seguir são baseados principalmente nos métodos de simulação e otimização mencionados acima. O Petro-SIM é um simulador de processos gráfico e totalmente funcional, que combina a tecnologia KBC Profimatics, líder no setor, com modelos de processos robustos para refinarias, já comprovados em prática. Ele foi desenvolvido com base na interface HYSYS.Refinery. O Petro-SIM é capaz de criar uma “refinaria de mesa” típica. Além disso, oferece um conjunto completo de modelos de reação para a produção de petróleo, incluindo unidades de craqueamento catalítico, reforma catalítica, hidrocraqueamento, refino por hidrogenação (incluindo hidrogenação de nafta, diesel, óleos de cera e desulfuração de resíduos petrolíferos), coqueificação retardada, dissociação de aromáticos e isomerização. Esse software já foi utilizado por mais de 120 empresas de refino e processamento em todo o mundo, obtendo excelentes resultados na otimização dos planos de produção, no PIP e na otimização dos sistemas energéticos. O Aspen RefSYS é um software excelente para a simulação de todo o processo de refino, desenvolvido pela empresa Aspen com base no sistema maduro de simulação de processos HYSYS. Ele combina vários modelos de reações de refino da Aspen com aqueles da UOP, uma empresa mundialmente renomada em tecnologias de refino (incluindo craqueamento catalítico, reformação catalítica, hidrocraqueamento e hidrotreatamento). Esse software ajuda as refinarias a melhorar seus métodos operacionais e a fazer previsões mais precisas sobre a eficiência geral da fábrica. Atualmente, 23 das 25 maiores empresas petrolíferas do mundo utilizam esse produto. O Aspen Plus é uma ferramenta de simulação de processos químicos em estado estacionário, desenvolvida pela empresa Aspen. Ele permite resolver os equilíbrios de massa e energia em processos contínuos. Possui um banco de dados completo, uma ampla gama de produtos e grande capacidade de integração. É o único software de simulação que combina os algoritmos SM (módulos sequenciais) e EO (equações simultâneas) em uma única ferramenta. Além dos componentes, propriedades físicas e equações de estado, ele também inclui vários módulos para operações unitárias, além de poderosas funções de análise de modelos e processos. O produto PRO/II da empresa Invensys é um software de simulação de processos estacionários para a indústria química em geral. Sua origem remonta ao ano de 1967, quando a empresa SimSci desenvolveu o primeiro simulador de destilação em refinarias do mundo, o SP05. Em 1973, a SimSci lançou um simulador baseado em diagramas de fluxo. Em 1979, foi desenvolvido o software de simulação de processos para PC, chamado Process (que era o precursor do PRO/II). O PRO/II dispõe de um banco de dados completo de propriedades físicas, um poderoso sistema de cálculo de propriedades termodinâmicas e mais de 40 módulos de operações unitárias, que podem ser utilizados para simulações em estado estacionário, cálculos de propriedades físicas, projeto de equipamentos, estimativa de custos/avaliação econômica, avaliação ambiental e outros tipos de cálculos. O ROMeo é um sistema de otimização online de nova geração, com arquitetura de aplicativos abertos, desenvolvido em parceria pela Invensys e pela Shell. Ele combina as vantagens da Invensys em áreas como termodinâmica e processos unitários, com as tecnologias de ponta da Shell em modelagem matemática e algoritmos de otimização. Trata-se de um sistema de simulação e otimização online baseado em princípios físicos rigorosos, capaz de fornecer soluções software completas para a simulação e otimização dos processos de refino. O ROMeo tornou-se o produto de software padrão da ExxonMobil para a otimização em tempo real dos processos industriais. O Unisim é um software de simulação de processos de nova geração, desenvolvido pela Honeywell em 2005, com base nas tecnologias HYSYS e UOP. Ele integra em um único ambiente os sistemas de projeto, simulação, otimização em tempo real e treinamento de operadores. Além disso, ele aprimora técnicas como a otimização de redes de troca de calor e a síntese de processos industriais. http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/xjFI9op4iaCnc9dCDiaNApMFYyfeIia5R1ia6dtaryM36g6VMibVibJIXF7Nng7BF5ficvYD5mSVT9BRmKZOaiax3Q2JfQ/0?wx_fmt=png ③ Tecnologias e softwares de otimização para instalações-chave em processos de refino. As instalações de destilação a pressão normal e reduzida, que são as principais instalações em uma refinaria, incluem torres de destilação complexas, com alimentação intermediária, várias saídas de produto e refluxo intermédio. Os métodos de simulação para esse tipo de coluna de destilação complexa incluem, principalmente, o método de cálculo por placa, o método matricial e o método do fator F. O método mais utilizado é o de cálculo por placa. Foram desenvolvidos módulos de simulação específicos para isso, como o módulo PetroleumDistillation Column do Aspen RefSys, o DIS-SIM do Petro-SIM e o módulo PetroFrac do Aspen Plus. Esses módulos já foram aplicados em diversas refinarias, alcançando sempre uma precisão satisfatória. O dispositivo de craqueamento catalítico é um importante equipamento de processamento secundário em refinarias, e o cerne da sua otimização por simulação reside no sistema de reação-regeneração. Atualmente, os principais produtos de software de otimização por simulação desenvolvidos tanto no país quanto no exterior são o Aspen FCC e o Aspen RefSYSCatCracker da empresa Aspen; o FCC-SIM da empresa KBC; o SHARC da empresa Shell; além do FCCM, desenvolvido pela empresa nacional Luoyang Petrochemical Engineering. Nesse contexto, a parte do modelo de reação do software Aspen FCC utiliza o modelo de dinâmica de reações acumulativas, que é atualmente o método mais completo e maduro para descrever as reações de craqueamento catalítico. Esse modelo permite uma descrição razoável do processo de craqueamento catalítico. O modelo do reator de tubos ascendentes inclui uma seção de pré-aquecimento e duas seções de reação. A separação dos produtos é feita por meio de métodos relacionais, o que permite simular as mudanças na distribuição e nas propriedades dos produtos em função das características da matéria-prima e das condições operacionais. Além disso, é possível realizar cálculos de otimização do equipamento. Os objetivos de otimização podem ser a maior taxa de obtenção de um produto específico ou o máximo retorno econômico para o equipamento. As variáveis de otimização incluem a temperatura de pré-aquecimento da matéria-prima, a temperatura de saída do reator de tubos ascendentes, a concentração de oxigênio nos gases de regeneração, a pressão no sedimentador, a pressão no regenerador, o fluxo de óleo de reprocessamento, a consistência do lodo de reprocessamento e a atividade do catalisador. O Aspen RefSYSCatCracker é um modelo de mecanismo rigoroso, simples e fácil de usar. Trata-se de um módulo para unidades de refino dentro do Aspen RefSYS, que pode ser integrado rapidamente ao processo completo da fábrica. O FCC-SIM da empresa KBC é um modelo de simulação do mecanismo de unidades de craqueamento catalítico. Ele utiliza princípios rigorosos da dinâmica da queima do coque para estabelecer um modelo de equilíbrio térmico. Possui modelos detalhados relacionados às reações no reator de ascensão e ao processo de queima no regenerador. O modelo de atividade do catalisador permite a seleção dos materiais de entrada, da taxa de conversão e do catalisador mais adequados para uma determinada unidade de craqueamento catalítico. O SHARC, lançado pela Shell em 1995, também é um modelo de mecanismo rigoroso, que pode ser utilizado para prever o impacto das mudanças nas matérias-primas, nos catalisadores e nas condições operacionais no funcionamento dos equipamentos de craqueamento catalítico. Ele foi atualizado 7 vezes até hoje. Esse modelo primeiro calcula o equilíbrio de carbono e calor do dispositivo, e depois estima o impacto das variações nas quantidades de matéria-prima e catalisador utilizados, bem como nas condições operacionais, na taxa de produção e nas propriedades do produto. Dessa forma, o usuário pode melhorar o funcionamento do dispositivo por meio da seleção e otimização das matérias-primas, além da avaliação e controle dos catalisadores ； É utilizada uma tecnologia proprietária da Shell para representar as características dos materiais de partida; por exemplo, o uso de carvão coqueável não evaporável (NVC) para prever a produção de coque é mais preciso do que o uso do resíduo de Conronson ； Possui uma estrutura aberta, o que facilita sua integração com outros otimizadores online e modelos de programação linear utilizados em refinarias. O FCCM da Luoyang Petrochemical Engineering Company foi desenvolvido com base no modelo dinâmico de conjunto treze para a craqueação catalítica de óleos pesados, bem como nos modelos dinâmicos relacionados à regeneração do catalisador e ao fluxo e transferência de materiais nos regeneradores. Ele é adequado para diferentes tipos de reatores e regeneradores. A reforma catalítica é um dos importantes dispositivos de processamento secundário em refinarias. A pesquisa e o desenvolvimento de modelos cinéticos para as reações de reforma são elementos fundamentais para a simulação de todo o processo de reforma. Como existem mais de 300 compostos envolvidos nas reações, que incluem desidrogenação e aromatização de cicloalcanos, ciclização por desidrogenação de alkanos, isomerização, hidrocraqueamento, entre outras, essas reações podem ocorrer em sequência, paralelamente ou de maneira interligada, formando assim um sistema reacional complexo. Portanto, o passo chave no desenvolvimento de modelos cinéticos dessas reações é simplificar de maneira adequada os componentes envolvidos, criando uma rede de reações entre eles. Atualmente, estudiosos nacionais e internacionais desenvolveram muitos modelos de dinâmica de reações em termos de elementos acumulativos, incluindo o modelo de 4 elementos acumulativos de Smith, o modelo de 13 elementos acumulativos de Ramage, o modelo de 16 elementos acumulativos proposto por Weng Huixin e outros, o modelo de 24 elementos acumulativos de Jorge, e o modelo de 28 elementos acumulativos de Froment. O modelo mais representativo é o modelo de 13 elementos de Ramage. Esse modelo é amplamente utilizado na partida de unidades industriais, no monitoramento de processos, no diagnóstico de falhas, na otimização das operações e do design, bem como como guia para pesquisas e desenvolvimentos. Ele trouxe benefícios econômicos significativos. Atualmente, alguns softwares de simulação de processos gerais já possuem modelos de reações de reforma catalítica embutidos, como o módulo Reformer do Aspen RefSYS e o módulo Ref-SIM da KBC. O modelo de reação de reforma catalítica embutido no Aspen RefSYS permite simular unidades de reforma contínua e semiregenerativa, com uma taxa de inatividade do catalisador baseada na carga de metal do catalisador e no histórico de seu desempenho. O REF-SIM da empresa KBC possui modelos de reforma contínua, reforma semiregenerativa e unidade de ciclo, incluindo reações dinâmicas detalhadas determinadas pelo número e tipo de carbono. Os equipamentos de hidrocraqueamento, como dispositivos fundamentais para a produção de óleos leves de alta qualidade, exigem requisitos rigorosos em termos de modelagem. Atualmente, alguns dos modelos representativos de dinâmica de reação de hidrocraqueamento incluem: 1) um modelo de quatro grupos, baseado no número de produtos e na faixa de ponto de ebulição. Esse modelo foi aplicado ao óleo destilado a baixa pressão de Romashkin e ao óleo destilado a baixa pressão de Alans; em determinadas temperaturas e pressões, os valores previstos pelo modelo de reação foram consistentes com os valores experimentais ； 2) Modelo de dinâmica de reação com múltiplos pontos de acumulação para frações estreitas: esse modelo prevê o intervalo de ebulição do produto e sua taxa de obtenção em um amplo intervalo de pontos de ebulição dos materiais de entrada, com resultados bastante consistentes com os dados obtidos em escala industrial. Por isso, acredita-se que seja possível usar esse modelo para prever a taxa de obtenção de produtos que ainda não foram testados ； 3) Modelo de sete grupos, classificado por ponto de ebulição e propriedades químicas. Atualmente, os softwares de simulação de hidrocraqueamento mais utilizados são o modelo Hydrocracker do Aspen RefSys e o modelo HCR-SIM da KBC. Dentre eles, o modelo Hydrocracker inclui modelos de todas as reações importantes, como desulfuração por hidrogenação, desnitrificação por hidrogenação, desmetalização, saturação de olefinas e aromáticos, desencadeamento de ciclos, desalquilação, cracking de parafinas, isomerização de parafinas, bem como modelos de inativação do catalisador. O modelo HCR-SIM da KBC também inclui todas as reações importantes. Por meio de cálculos detalhados de equilíbrio térmico, é possível determinar o aumento da temperatura do leito reacional, o que permite prever com precisão a quantidade de produtos e de hidrogênio consumidos. O processo de refino por hidrogenação inclui reatores, separadores de vapor e líquido, trocadores de calor, colunas de destilação e compressores centrífugos. Os modelos de dinâmica de reação incluem modelos de saturação de olefinas, modelos de desulfuração, modelos de desnitrificação, modelos de desoxigenação, modelos de saturação de aromáticos, modelos de abertura de anéis em aromáticos e modelos de abertura de anéis em cicloalcanos. Atualmente, os softwares de simulação de refino por hidrogenação mais utilizados são o modelo Hydrotreator da Aspen RefSys e o modelo DHTR-SIM da KBC. O modelo Hydrotreator inclui modelos específicos para os materiais de partida de óleos destilados, óleos de cera e óleos residuais ； O modelo DHTR-SIM possui uma caracterização dinâmica precisa de todas as reações-chave, incluindo hidrogênio para remoção de enxofre, hidrogênio para remoção de nitrogênio, saturação de aromáticos e cracking. Ele consegue representar com precisão a remoção de enxofre em níveis extremamente baixos. Existem poucos relatos na literatura sobre os modelos de mecanismo dos dispositivos de cokagem retardada. Atualmente, os principais softwares de simulação para esses dispositivos são o DC-SIM da KBC, o DCLK da Luoyang Petrochemical Engineering Company, e o sistema de simulação do processo de cokagem retardada de petróleo pesado, desenvolvido pelo Instituto de Processos da Academia Chinesa de Ciências. Dentre eles, o software DC-SIM da empresa KBC é um modelo de simulação do mecanismo dos dispositivos de cokagem por atraso. Ele é capaz de simular os vários efeitos das variáveis processuais importantes, como a temperatura da torre de cokagem, a relação de circulação, a pressão operacional e as propriedades das matérias-primas. Esse software pode ser integrado ao Petro-SIM para uso. O software DCLK da Luoyang Petrochemical Engineering Company é um software de simulação e otimização desenvolvido com base no modelo dinâmico de cinética de reações em conjunto para a cokeração. Ele permite a simulação dinâmica do processo industrial de cokeração retardada. Esse software consegue refletir as características não estacionárias dos equipamentos de cokeração retardada, além de ser capaz de prever a produção de produtos em qualquer momento durante um ciclo operacional, bem como a composição imediata dos materiais presentes na torre de cokeração. O sistema de simulação do processo de cokagem retardada de petróleo pesado, desenvolvido em parceria pela Academia Chinesa de Ciências e pela empresa japonesa Mitsubishi, inclui um modelo do reator de cokagem retardada, simulações do processo completo de cokagem retardada, um modelo de análise da eficiência energética para todo o processo, além de um sistema de banco de dados. Esse sistema pode operar de forma independente, ou ser integrado a softwares de simulação de processos como Pro/II e Aspen. As direções de otimização energética das unidades de etileno incluem principalmente a otimização por simulação da reação de cracking e a otimização por simulação das zonas frias. Atualmente, os modelos de reação de pirólise podem ser divididos em 3 categorias: os modelos dinâmicos empíricos, que descrevem a distribuição dos produtos da reação de pirólise por meio da função de profundidade de pirólise KSF e do valor PONA ； Modelos de dinâmica de reações moleculares representados pelo modelo de Kumar ； Modelos mecânicos representados pelo modelo SPYRO. Os principais produtos de software incluem: SPYRO (TECHNIP), ECU (SHELL), OlefinSim (KBC), PYRO-SimP (Universidade de Tsinghua), entre outros. Dentre eles, o mais bem-sucedido é o modelo SPYRO. Sua versão mais recente inclui mais de 7.000 reações, envolvendo cerca de 240 espécies de radicais e moléculas (ou componentes equivalentes). Esse modelo permite prever a taxa de obtenção dos produtos da decomposição, desde o C2 até o HVGO. O programa SPYRO realiza os cálculos em duas fases: na primeira fase, é utilizado um modelo dinâmico simplificado para calcular a distribuição precisa da pressão e a temperatura do material ； Na segunda fase, segue-se o mecanismo de reação de radicais livres, sendo realizados cálculos de equilíbrio de entalpia e dinâmica das reações elementares com base na distribuição de temperatura obtida na primeira fase. Por meio da integração com softwares de simulação de processos, é possível realizar cálculos iterativos com o SPYRO, otimizando os cálculos de vários cenários durante o processo e a simulação dinâmica dos dados de produção. Isso permite que as condições de operação da produção sejam refletidas com maior precisão, facilitando assim a otimização da estrutura dos materiais de entrada e dos produtos resultantes da pirólise do etileno, com o objetivo de economizar energia e aumentar a eficiência. A utilização deste modelo para a gestão operacional do forno de pirólise, a seleção dos materiais de entrada e a otimização do processo de produção deve permitir um aumento na taxa de obtenção de etileno de 1% a 4%. Por exemplo, a partir de outubro de 2004, a qualidade do material de partida para a produção de etileno na Yanshan Petrochemical piorou gradualmente, devido à influência do óleo extraído pelos equipamentos de refino. A taxa de obtenção de etileno diminuiu continuamente, e o ciclo de operação dos fornos de cracking foi significativamente encurtado. Por meio do acompanhamento do material de partida para o cracking, das condições de processo e da composição dos produtos resultantes, utilizou-se o software SPYRO para realizar cálculos de simulação dos fornos de cracking. Além disso, técnicas como análise de trabalho útil e análise de pontos críticos foram aplicadas para propor soluções de otimização para a sequência de separação, os processos de troca de calor e as operações em geral. O dispositivo começou a operar em março de 2005. Os dados industriais mostram que, sem grandes impactos no ciclo de operação, a taxa de produção de etileno aumentou em quase 1%. ④A tecnologia e os softwares de otimização de redes de troca de calor ganharam destaque desde a década de 1960, como um subproblema do projeto de processos. Muitos pesquisadores estudaram a otimização dessas redes em profundidade, aplicando esses conhecimentos na prática engenharial, o que resultou em significativos benefícios econômicos. Os métodos de otimização de redes de troca de calor incluem principalmente a técnica dos pontos críticos, o planejamento matemático e a inteligência artificial. Dentre elas, a técnica de pontos de fixação foi proposta por Linnhoff em 1982. Essa tecnologia se baseia na segunda lei da termodinâmica e é utilizada principalmente para a otimização de redes de troca de calor. Essa tecnologia parte do princípio de que existe um limite para a recuperação de energia. Por meio da combinação de curvas de temperatura e entalpia, ou de tabelas relacionadas ao problema, identificam-se os pontos críticos na recuperação de energia. Em seguida, é criada uma rede inicial que permita a maior recuperação possível de energia. São feitos ajustes nos custos de investimento e operação, a fim de otimizar ainda mais a rede, resultando em uma rede de troca de calor ideal. Em 1986, dois grupos de pesquisadores, Linnhoff e Ahmad, e Floudas e outros, propuseram, de forma independente, métodos diferentes para determinar a diferença de temperatura ótima nos pontos críticos de uma rede de troca de calor. O primeiro método foi chamado de “Supertargeting” ； Em 1992, Yin Qinghua, Hua Ben e outros propuseram que a não consideração das perdas de energia efetiva devido ao fluxo, bem como a otimização das unidades de correspondência, poderiam levar a soluções que não representam realmente a menor diferença de temperatura possível. Eles demonstraram em detalhes como a consideração simultânea das perdas de energia efetiva, da otimização das unidades de correspondência e do reforço da transferência de calor afeta essa menor diferença de temperatura. Além disso, eles propuseram estratégias de otimização aprimoradas ； No método de diferença de temperatura de troca de calor dupla mínima proposto por Challand e outros (1981) e Clbert (1982), a menor diferença de temperatura de troca de calor da curva combinada é tomada como HRAT, para determinar o valor da energia fornecida externamente. Já, na construção da rede sintética, a diferença de temperatura de troca de calor de cada unidade de troca de calor é tomada como E-MAT