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Para promover a rectificação da fase de vapor, parte do destilado que é obtido no condensador de topo é reciclado para a coluna como refluxo. O refluxo arrefece ...
Tipologia: Resumos
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A crescente necessidade de valorização das fracções mais pesadas do crude torna essencial o estudo e optimização dos processos de destilação sob vácuo. O presente trabalho consiste na modelação da unidade de destilação sob vácuo II da refinaria de Sines utilizando o software 1TMPetro-SIM. Assim, foram construídos dois modelos distintos: o modelo TMDISTOP, um modelo simplificado de colunas de destilação, e o modelo rigoroso prato-a-prato.
Do modelo DISTOP desenvolvido conclui-se que este leva a uma melhor representação da unidade em estudo em relação ao modelo utilizado pela Galp actualmente. Por sua vez, o modelo prato-a-prato construído consegue prever satisfatoriamente o desempenho da unidade, contudo o baixo fraccionamento encontrado entre o gasóleo de vácuo leve e pesado torna necessário manipular a eficiência de prato o que leva, em alguns casos, a um aumento do desvio aos dados reais. Deste modo constata-se a necessidade de proceder ao estudo das causas desta baixa eficiência a fim de complementar este trabalho. Ainda assim trata-se de uma boa ferramenta inicial para a simulação da unidade de vácuo em estudo.
Modelo prato-a-pra to
™Petro-SIM and DISTOP are trademarks of KBC Advanced Technologies plc, and are registered in various territories.
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The growing necessity of crude oil heavy fraction valorization make it essential to study and optimize the vacuum distillation process. This work addresses the modelling of Sines refinery’s vacuum distillation unit II using 2TMPetro-SIM as process simulator. To accomplish this task, two distinct models were built: a TMDISTOP model, which is a simplified model, and a tray-to-tray rigorous model. From the DISTOP model developed in this work it is possible to conclude that it leads to an improvement in the unit representation, and thus in the prediction of the properties of its products, when compared with the current model used by Galp. On the other hand, the tray-to-tray model built is able to satisfactorily predict the VDU II performance, although due to the low fractionation found between the light vacuum gasoil and the heavy vacuum gas oil it was necessary to manipulate the Murphree efficiency, which led to some deviations from the plant data. Thus, further studies are necessary to identify the causes of this low efficiency. Nevertheless, the tray-to- tray model developed is a good starting simulation tool for this distillation unit.
model.
TRADEMARK / REGISTERED TRADEMARK REFERENCE ™Petro-SIM and DISTOP are trademarks of KBC Advanced Technologies plc, and are registered in various territories.
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xi
AD – Desvio absoluto API – American Petroleum Institute ASTM – American Society for Testing and Material BET – Back-end temperatures BIP – Base Interchange Parameter Dsim – Destilação simulada por cromatografia em fase gasosa EOS – Equação de Estado FBP – Temperatura de ponto final FC – Factores de calibração FCC – Unidade de cracking catalítico em leito fluidizado FET – Front-end temperatures GPL – Gás de petróleo liquefeito HC – Hidrocarbonetos HVGO – Gasóleo de vácuo pesado IBP – Temperatura de ponto inicial IP – Vapor a pressão intermédia KBC – KBC Advanced Technologies plc. KUOP – Factor de Watson LP – Vapor a baixa pressão LVGO – Gasóleo de vácuo leve PA – Refluxo circulante (pumparound) PR – Peng-Robinson PS – Petro-SIM RAT – Resíduo atmosférico RV – Resíduo de vácuo SR– Straight run T – Temperatura T2T – Prato-a-prato TBP – True boiling point VDU II - Unidade de destilação sob vácuo II da Refinaria de Sines VGO – Gasóleo de vácuo VI – Volume Interchange
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2.1 Refinação
Em geral, o processo de refinação pode ser agrupado em quatro secções: separação, conversão, aprimoramento e tratamento. Nos processos de separação, tais como a destilação e a extracção, a carga é separada de acordo com as diferenças existentes numa determinada propriedade física ou química entre os seus vários componentes, com base nas suas propriedades de transferência de massa [20]. Estes processos têm em vista um futuro processamento desta carga ou o controlo da sua qualidade [9]. No caso das unidades de destilação, primeira etapa de qualquer refinaria, o crude é separado em diversas fracções definidas por um intervalo de destilação específico e podem ser encaminhadas para a armazenagem ou para outra unidade da refinaria, pelo que o seu funcionamento afecta todo o restante processo de refinação. Por outro lado, as Unidades de conversão ( cracking ) transformam correntes de hidrocarbonetos (HC) pesados em produtos mais leves e valorizáveis, através de processos químicos que podem ser catalíticos ou não, permitindo atingir altos rendimentos em combustíveis, fornecendo flexibilidade operacional para manter a produção de produtos leves face as normais flutuações da qualidade do crude e permitindo um aproveitamento dos crudes pesados [9]. Os processos de conversão são geralmente complementados por processos físicos que separam a fracção não convertida dos constituintes obtidos pela transformação da carga. Nos processos de aprimoramento converte-se compostos de baixa qualidade, reorganizando a sua estrutura molecular, em produtos mais valorizáveis, em especial componentes de gasolina com elevado índice de octano (Ver anexo A-2). São exemplos destas unidades o reforming catalítico e a alquilação. No tratamento há remoção ou transformação de contaminantes da carga através de processos químicos ou físicos, não ocorrendo alterações significativas dos hidrocarbonetos, tais como a lavagem com soda caústica e hidrotratamento.
O aparelho refinador da Galp, esquematizado na figura 1, é constituído pelas Refinarias de Sines e de Matosinhos e apresenta actualmente uma capacidade de processamento de crude de 330 mil barris/dia, o que representa 20% da capacidade de refinação ibérica [17].
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Figura 1 – Esquema do aparelho refinador da Galp [18]. Foi concluído em 2012 o processo de reconversão tecnológica das refinarias, com vista a ajustar o perfil de produção às necessidades do mercado ibérico, onde existia até 2012 um défice de gasóleo, maximizando a produção de gasóleo e diminuindo a produção de fuelóleo. A reconfiguração processual, representada na figura 2, por um lado, reforçou a complementaridade operacional das duas refinarias 3 , criando um sistema refinador plenamente integrado com trocas de produtos entre as duas refinarias, e, por outro, dotou de uma maior flexibilidade as unidades do aparelho refinador, permitindo uma resposta mais rápida a alterações da procura de produtos refinados [17].
Figura 2 – Processo de conversão tecnológica [18]. Apenas a Refinaria de Sines será analisada em detalhe, uma vez que o objecto em estudo pertence a esta refinaria.
(^3) A refinaria de Sines envia para Matosinhos matéria-prima para sua fábrica de aromáticos, enquanto a refinaria de Matosinhos produz matéria-prima para o Hydrocracker de Sines.
Querosene SR
Gasolina SR
_- Unidade de Destilação a vácuo
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FCC ( Fluid Catalytic Cracking): Esta unidade tem como carga o VGO produzido nas unidades de vácuo I e II e, em menor percentagem, RAT de certa qualidade que é segregado para este fim. A carga é transformada através de um processo de cracking catalítico em fuel-gás, GPL, gasolina, swing-cut (componente de gasóleo), gasóleo leve (LCO) e slurry 6 (componente de fuelóleo) [17]. O GPL depois de tratado é separado em propileno, utilizado na indústria petroquímica, e butileno, utilizado como carga à unidade de alquilação. A gasolina, que é o principal produto desta unidade, depois de dessulfurada é enviada para a pool de gasolinas [17]. No FCC tem-se ainda a formação de coque à superfície do catalisador, que é continuamente regenerado e reenviado ao reactor, sendo este transportado em leite fluidizado pela carga. Hidrotratamento (Gasolina do FCC): Esta unidade tem como objectivo dessulfurar, na presença de catalisadores sólidos adequados, a gasolina produzida na unidade de FCC de forma a reduzir o seu teor de enxofre e, consequentemente, as emissões poluentes. A gasolina é inicialmente tratada num reactor onde, através de uma reacção com hidrogénio, os dienos são convertidos em olefinas, sendo posteriormente separada em dois produtos: numa gasolina mais leve, que é enviada directamente para a pool de gasolinas, e numa mais pesada que é enviada para a secção de dessulfuração onde, na presença de hidrogénio e catalisadores, é removido o enxofre, sendo depois enviada também para a pool de gasolinas [17]. Alquilação: O objectivo desta unidade é produzir alquilado, que é utilizado como componente de gasolinas. Trata-se de um componente de elevada qualidade devido essencialmente ao elevado índice de octano, à ausência de olefinas e aromáticos e à baixa densidade.
A fabricação III é constituída por três unidades principais: Hydrocraker , unidade que converte o gasóleo de vácuo em produto mais leves e valorizáveis, steam reforming e unidade de recuperação de enxofre (SRU) [17].
Nesta fábrica são produzidas e distribuídas uma grande variedade de utilidades, tais como vapor de água a diversas pressões, energia eléctrica, água de refrigeração, ar comprimido geral e de instrumentos, fuelóleo tratado, água desgaseificada, água desmineralizada, água bruta e água potável e ainda é feito o tratamento de condensado. [17]
A central de cogeração da refinaria, tem como objectivo produzir vapor e energia eléctrica para a refinaria, exportando o remanescente para a rede eléctrica [17].
Na figura 3 apresenta-se um esquema simplificado da refinaria de Sines.
(^6) Corresponde à parte da carga não convertida+produtos pesados+finos do catalisador.
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Figura 3 – Esquema simplificado da refinaria de Sines [16].
Crude Oil
VGO from Porto Refinery
Platforming (CCR) 27.5 MBPSD
Isomax 10.2 MBPSD
7.5 MBPSD
Merox^ LPG
Merox^ iC 4.3 MBPSD
Topping
225 MBPSD
Gasoline Merox 3.5 MBPSD Kerosene Merox 20.5 MBPSD
Fraccionation 62 MBPSD
Chemical Naphtha
SR Kerosene
Reformate
Treating^ Amine
20.3 MBPSD
Isomax Gasoline
Isopentane
Jet Fuel
Light Gasoline
128 t/d
SRU
Fuel Gas
Propane Butane
Diesel HDS 37 MBPSD
VGO HDS 15 MBPSD
FCC 45 MBPSD
LPG Amine Treating
Distillation I^ Vacuum 30.5 MBPSD Bitumen Blowing 2.4 MBPSD
Visbreaker 26 MBPSD
Merox^ LPG 11.8 MBPSD FCC Gaso- line HDT 26.6 MBPSD
FG Amine Treating
10.7 MBPSD (^) Hydrisom 7 MBPSD Alkylation 8 MBPSD MBPSD
Distillation II^ Vacuum 45 MBPSD
Sulphur
Fuel Oil Bitumen
FCC Gasoline
Diesel
Alkilate
Propylene Butylene
80 t/d
SRU
UOP
Lummus/Shell (^) PHILIPS
Diesel HDS 35 MBPSD
11 MBPD^ 388 t/d
197 t/d
Naphtha HDT 27.5 MBPSD (^) Steam Reformer 30 kSm3/h
UOP
UOP
UOP
UOP
Axens
Axens
Linde NG
Reformer^ Steam 90 kSm3/h
H2 NG
H
Vaccum Flasher
Existing Revamp New
Hydrocracker 43 MBPSD
LPG Amine Treating LPG Splitter
Treating^ Amine^ Fuel Gas
Butane
Propane
Jet Diesel
Splitter^ LPG
Splitter^ LPG
~ SRU ~ Sulphur
Light Naphtha Heavy Naphtha
De-iC
Technip
CLG
LGI
Comprimo
135 t/d
3.4 MBPSD
9 MBPSD MBPSD
UOP
PHILIPS
PSA 28 kSm3/h
Linde H
Network^ H
~ ~^ Butane
ROG 90 kSm3/h
CLG
CLG SiNi
TR
TR
Sulphur
Lummus
UOP
UOP
UOP
Gasoline^ Heavy HDT
Ligth Gasoline Heavy Gasoline Jet Diesel
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Os pontos de corte de uma fracção variam muito de acordo com a refinaria e com os rendimentos que se deseja obter, correspondendo nos testes de destilação às temperaturas IBP e FBP. Na figura 4 apresenta- se as fracções geralmente produzidas e os respectivos pontos de corte [10].
Figura 4 – Exemplo de pontos de corte [10].
A destilação TBP é obtida através de um teste de destilação descontínua, descrito pelo método ASTM D2892, que utiliza uma coluna que contém cerca de 15-18 pratos teóricos e que opera com uma razão de refluxo de 5:1 [1],[7]. O teste ASTM D2892 é aplicado a crudes estáveis, isto é desbutanizados, e a fracções petrolíferas com a excepção de Gás de Petróleo Liquefeito (GPL), gasolinas muito leves e fracções com pontos de ebulição acima de 400ºC 7. Com este teste é possível obter-se gás liquefeito, fracções de destilação e resíduo, determinar os rendimentos em peso e volume para cada uma das fracções e ainda gerar a curva de destilação [7]. Na destilação TBP de um crude, para temperaturas superiores a 340ºC o resíduo começa craquear termicamente, pelo que a destilação prossegue sob vácuo (P (^) min de 0.266 kPa) até atingir-se um ponto de ebulição de aproximadamente 535ºC (pressão atmosférica) [7]. As temperaturas obtidas por operações sob vácuo são corrigidas para pressão atmosférica.
(^7) Neste caso aplica-se o teste ASTM D1160, abordado mais a frente.
a
360ºC a 380ºC
550ºC a 600ºC
0ºC
185ºC 220 ºC a 240ºC
145ºC
Resíduo de Vácuo
Destiladosou VGO
(^) Destilado 1
Destilado 2
Gasóleo
(^) Gasóleo leve
Gasóleo pesado
Querosene
Gasolina
Gasolina leve
Gasolina pesada
Gás combustível Butano Propano
5 C (^6) C (^7)
C 10 C (^11)
a
C 9 C (^11)
a
9
A destilação ASTM é efectuada num equipamento essencialmente constituído por uma coluna de destilação descontínua com um andar de equilíbrio e sem refluxo, obtendo-se um grau de fraccionamento bastante menor do que o obtido por uma destilação TBP. Este tipo de destilação é muito utilizado nas refinarias para monitorizar fracções específicas, devido à sua rapidez e simplicidade associadas à pequena quantidade de amostra necessária [6]. Para fracções leves como a gasolina, o querosene e o gasóleo, a destilação é efectuada segundo o teste ASTM D86 utilizando temperaturas até 400ºC e pressão atmosférica [4],[7]. Para as fracções com pontos de ebulição mais elevados, devido às reacções de cracking resultantes da sua instabilidade térmica, a destilação é efectuada sob vácuo utilizando-se o método ASTM D1160, sendo este aplicado a amostras que possam ser parcialmente ou totalmente vaporizadas até 400ºC utilizando pressões reduzidas (6.55 até 0.133 kPa) [4],[7]. As temperaturas obtidas por uma destilação ASTM não representam as temperaturas de ebulição reais dos componentes presentes numa fracção petrolífera, devido ao seu grau de fraccionamento, afectando o valor das IBP e FBP. Assim, para uma destilação ASTM, obtém-se uma IBP maior e uma FBP menor do que as consideradas para o teste TBP, e portanto um intervalo de destilação menor, como mostra a figura abaixo.
Figura 5 – Curvas ASTM e TBP para um corte de gasolina [4].
Apesar da destilação ASTM ser um teste rápido e conveniente, não é um método consistente e reprodutível pelo que, em seu lugar, se pode optar pela destilação simulada por cromatografia gasosa. Trata-se de um método simples, mas preciso, onde se obtém o intervalo de destilação de uma mistura de HC sem qualquer ambiguidade [6]. A cromatografia gasosa é um método de separação de misturas por interacção dos seus componentes entre uma fase estacionária e uma fase móvel. A fase estacionária, neste caso, é um líquido que propicia a distribuição dos componentes da mistura entre as duas fases através das diferenças de volatilidade. Como