UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

FACULDADE DE ENGENHARIA QUMICA

DISCIPLINA: MODELAGEM E SIMULAO DE PROCESSOS

COLUNA DE DESTILAO PARA PR-PROCESSAMENTO DE

PETRLEO

Belm - PA

Junho / 2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

FACULDADE DE ENGENHARIA QUMICA

DISCIPLINA: MODELAGEM E SIMULAO DE PROCESSOS

COLUNA DE DESTILAO PARA PR-PROCESSAMENTO DE

PETRLEO

Professora: Marilena Emmi Arajo.

Discentes: Carlos Adriano Moreira da Silva - 09025004001

Josiel Lobato Ferreira - 09025001601

Meyre Lane Pereira - 09025004401

Belm - Par

Junho / 2013

Trabalho apresentado como parte

integrante da avaliao da disciplina

Modelagem e Simulao de Processos, do

curso de Engenharia Qumica da

Universidade Federal do Par.

SUMRIO

1. INTRODUO. ................................................................................................................ 4

1.1. REVISO. ............................................................................................................... 4

1.2. PROGRAMA COMPUTACIONAL - HYSYS. ....................................................... 9

1.3. MTODOS NUMRICOS. ................................................................................... 10

1.4. MODELO TERMODINMICO. ........................................................................... 11

2. DESCRIO DO PROCESSO DA UNIDADE DA TORRE DE PR-FLASH. .......... 11

3. OBJETIVOS DO PROCESSO. ...................................................................................... 15

4. BALANOS DE MASSA E ENERGIA NA COLUNA DE DESTILAO................. 16

5. ANLISE DO GRAU DE LIBERDADE. ....................................................................... 25

6. DISCUSSO SOBRE O PROCESSO............................................................................. ...24

6.1. ANALISE SOBRE RELATRIO

6.2. ANLISE DE SENSIBILIDADE

7. CONCLUSES. .............................................................................................................. 27

8. REFERNCIAS. ............................................................................................................. 32

1

1) INTRODUO

A simulao de processos est presente ativamente na maior parte das indstrias de processos

qumicos. Um grande nmero de programas comerciais permite que operadores, tcnicos e

supervisores de processos tomem decises baseados em resultados de simulao.

A simulao reduz o tempo para o desenvolvimento de novos empreendimentos, identificando

problemas e oportunidades no estgio inicial de pesquisa. No estgio de projeto, ela pode reduzir o

custo de novos processos permitindo ao engenheiro simplificar sistemas, avaliar estratgias,

alternativas de controle e tentar novas tcnicas de separao, reduzindo ou eliminando resduos. A

simulao de processos vem, ainda, substituindo experimentos em planta piloto em muitos casos e

complementando os dados em outros.

Durante a operao da planta os engenheiros utilizam programas de simulao para superar

problemas devidos, por exemplo, ao mau funcionamento de equipamentos, entre outros.

O objetivo do presente trabalho estudar uma etapa de uma planta qumica de processamento

ou refino de petrleo, e estabelecer um procedimento para avaliar as condies operacionais ideais

do processo de separao em uma torre de pr-processamento ou Torre Pr-Flash, utilizando o

simulador comercial Aspen HYSYS 2006.

O HYSYS o simulador de processos com maior acolhimento nas indstrias de refino de

petrleo e de processamento de gs natural. Para este sucesso contribuiu a facilidade de utilizao

do simulador, em particular a forma expedita com que um modelo de estado estacionrio pode ser

colocado em modo dinmico. ainda de salientar que a simulao dinmica no HYSYS foi criada

h mais tempo do que o seu concorrente, Aspen Dynamics.

1.1 ) REVISO

A palavra petrleo vem do Latim Petroleum, petra (pedra) e oleum (leo), ou seja, leo da

pedra. Resulta disto o seu nome, pois extrado de uma rocha porosa chamada de Rocha

Reservatrio. Acredita-se que o acmulo de petrleo na Rocha Reservatrio ocorreu devido

decomposio de pequenos animais e vegetais marinhos que foram soterrados e, durante certo

perodo, submetido a altas presses e temperaturas, pouco oxignio, alm de bactrias que se

alimentavam dos restos de matria orgnica at transformar em petrleo, e alguns processos de

migrao do petrleo, que foi transportado naturalmente das rochas geradoras onde o petrleo foi

formado at chegar rocha reservatrio que possuem os espaos vazios, chamados poros, capazes de

armazenar o petrleo.

O Petrleo uma substncia oleosa, inflamvel, geralmente menos densa que a gua, com

cheiro caracterstico e com colorao que pode variar desde o incolor ou castanho claro at o preto,

passando por verde e marrom (castanho), dependendo do tipo de Rocha Reservatrio em que ele

foi acumulado. Trata-se de uma combinao complexa de compostos orgnicos e inorgnicos, com

predominncia exclusiva dos hidrocarbonetos - substncias compostas apenas por tomos de

Carbono e Hidrognio, formando diversos tipos de molculas. Quando a mistura contm uma maior

porcentagem de molculas pequenas seu estado fsico gasoso e quando a mistura contm

molculas maiores seu estado fsico lquido, nas condies normais de temperatura e presso.

Figura 1.1. Acumulaes do petrleo nas rochas sedimentares no subsolo

A classificao do petrleo depende basicamente das caractersticas da Rocha Reservatrio

e do processo de formao. Assim, o chamado leo cru classifica-se em:

I. Parafnicos (ou alcanos): formados por hidrocarbonetos de cadeias carbnicas retilneas,

ramificadas ou no, apresentando ligaes simples entre os tomos de carbono. O petrleo

parafnico apresenta cerca de 90% de alcanos.

II. Naftnicos (ou ciclo-alcanos): formados por hidrocarbonetos de cadeia carbnica fechada,

com ligaes duplas entre os tomos de carbono.

III. Aromticos: formados por hidrocarbonetos que contm o chamado ncleo benznico. Este

composto por uma cadeia fechada de 6 tomos de carbono, com ligaes simples e duplas,

alternadas.

No leo cru pode aparecer tambm a combinao dos trs tipos de hidrocarbonetos acima

mencionados, onde dessa maneira a classificao do leo ser determinada pela predominncia do

tipo de hidrocarboneto.

Alm dessa mistura de hidrocarbonetos, o leo cru tambm contm, em propores bem

menores, outras substncias conhecidas como contaminantes (ou heterotomos). Onde os mais

conhecidos so os tomos de enxofre (S), nitrognio (N), oxignio (O), e de metais como nquel

(Ni), ferro (Fe), cobre (Cu), sdio (Na) e vandio (V), podendo inclusive estar combinados de

muitas formas. Sendo que destes citados o enxofre o contaminante de maior predominncia e

presente em vrios tipos de petrleo.

Assim, podemos montar uma tabela que possa exemplifica a composio elementar do leo

cru (%peso):

Hidrognio 11 - 14%

Carbono 83 - 87%

Enxofre 0,06 - 8%

Nitrognio 0,11 1,7%

Oxignio 0,1 2%

Metais At 0,3%

Tabela 1. Composio do leo cru (% peso).

Em seu estado natural, o petrleo, sempre uma mistura complexa de diversos tipos de

hidrocarbonetos contendo tambm propores menores de contaminantes (enxofre, nitrognio,

oxignio e metais). Os contaminantes so considerados como impurezas e podem aparecer em toda

a faixa de ebulio (destilao) do petrleo, mas tendem a se concentrar nas fraes mais pesadas.

No estado em que extrado do solo, tem pouqussimas aplicaes. Por isso, para um bom

aproveitamento energtico do mesmo, necessrio realizar o seu refino onde ele submetido a

basicamente a trs processos: separao, converso e tratamentos.

O processo de separao sempre de natureza fsica e tem por objetivo desdobrar o petrleo

em suas fraes bsicas, ou processar uma frao previamente produzida, no sentido de retirar dela

um grupo especfico de compostos. Os agentes responsveis por esta operao so fsicos, por ao

da energia (na forma de modificaes de temperatura e/ou presso) ou de massa (na forma de

relaes de solubilidade a solventes) sobre o petrleo ou suas fraes.

Uma importante caracterstica do processo de separao o fato dos produtos obtidos

poderem, exceto em situaes de eventuais perdas ou contaminaes, quando novamente

misturados, reconstituir a carga original, uma vez que a natureza das molculas no alterada.

Como exemplo desse processo de separao encontra-se a Destilao (em suas vrias formas).

A destilao consiste em um processo de separao de componentes de uma mistura de lquidos

miscveis, baseado na diferena das temperaturas de ebulio entre compostos coexistentes nessa

mistura. A temperatura de ebulio de hidrocarbonetos aumenta com o crescimento de suas massas

molares. Desta forma, variando-se as condies de aquecimento de um petrleo, possvel

vaporizar os componentes leves, intermedirios e pesados, que, ao se condensarem, podem ser

fracionados. Paralelamente, ocorre a formao de um resduo bastante pesado, constitudo

principalmente de hidrocarbonetos de elevadas massas molares, que, s condies de temperatura e

presso em que a destilao realizada, no se vaporizam.

Assim, ao se realizar o processamento do petrleo bruto para poder obter os seus derivados de

grande interesse para muitas industrias, o petrleo precisa passar pelas seguintes sees principais:

Pr-aquecimento e Dessalinizao, Pr-Flash, Destilao Atmosfrica e Destilao a Vcuo como

mostra a figura 1.2.

Figura 1.2. Esquema simplificado do processamento do petrleo.

Pr-aquecimento e Dessalinizao:

O processo de destilao tem incio com o bombeamento contnuo de petrleo frio atravs de

vrios trocadores de calor, onde este progressivamente aquecido, ao mesmo tempo em que resfria

os produtos acabados que deixam a unidade. O conjunto dos permutadores de calor dessa seo

conhecido como bateria de pr-aquecimento. Este permite uma economia operacional no processo,

pois oferece a vantagem de aquecer a carga com fraes que se deseja resfriar, economizando,

assim, combustvel necessrio para o aquecimento total da carga, alm de oferecer um menor

dimensionamento dos fornos.

Antes de o petrleo ser enviado seo de fracionamento, dever passar pela dessalgadora

(ou dessalinizadora). Esta etapa tem como objetivo a remoo de gua, incluindo os sais e

sedimentos nela presentes, por meio da coalescncia destas gotculas dispersas no leo pela ao de

um campo eltrico.

A gua presente no petrleo est emulsionada (dispersa em forma de gotculas finamente

divididas e envolvidas por uma pelcula de compostos emulsificantes que oferece grande resistncia

a coalescncia) e o campo eltrico de alta intensidade promove uma desestabilizao da emulso,

por enfraquecimento da pelcula de agentes emulsificantes.

Alm da temperatura adequada, necessria a injeo de gua aquecida antes da introduo

do leo cru na dessalgadora para melhorar a eficincia de dessalgao e, quando necessrio, deve

ser adicionado tambm desemulsificante. Para conseguir uma reduo aprecivel no teor de sal no

petrleo, utilizam-se, geralmente, dois estgios de dessalgao, o que permite reduzir o teor de sal

do cru de 300mg/L para valores menores que 3mg/L.

importante o controle do nvel da interface petrleo/salmoura, porque, caso haja arraste de

gua na corrente de petrleo, sua sbita vaporizao, que ocorrer nas torres, poder provocar

variaes de presso, podendo danificar as bandejas de fracionamento.

Pr-Flash:

O cru, previamente aquecido e parcialmente vaporizado, pr-fracionado em um produto de

topo constitudo por fraes leves (GC, GLP e nafta) e em um produto de fundo constitudo pelos

cortes mais pesados que a nafta, conhecido como cru pr-vaporizado (CPV) ou pr-fracionado que

ser a carga da torre atmosfrica- etapa Pr-flash.

A retirada dos leves necessria para evitar a vaporizao da carga no forno atmosfrico e

para possibilitar um ganho em altura na torre atmosfrica (uma altura menor). O destilado, mistura

de GLP e nafta, entra como carga na torre estabilizadora. E o produto de topo desta torre o GLP

que, aps tratamento adequado, enviado para as esferas de armazenamento. O produto de fundo da

estabilizadora pode constituir o pool da gasolina, seguir para a torre de fracionamento de nafta

(caso se deseje obter uma nafta com faixa de destilao determinada), ser encaminhado para o

tanque de nafta petroqumica ou para a unidade de solventes.

Destilao Atmosfrica:

O CPV encaminhado para o forno de carga da torre atmosfrica para receber o aquecimento

final e a vaporizao parcial necessria para a destilao. Removendo assim os compostos leves do

cru pr-vaporizado. Esta remoo feita por retificao com vapor dgua superaquecido de baixa

presso (conjugadas torre atmosfrica), a fim de corrigir o ponto de fulgor dos cortes laterais

(ponto de fulgor a menor temperatura na qual um produto se vaporiza em quantidade suficiente

para formar com o ar uma mistura capaz de se inflamar momentaneamente quando se incide uma

centelha).

Os produtos laterais so Q (querosene), DL (diesel leve) e DP (diesel pesado) e o produto de

fundo o RAT (resduo atmosfrico).

Destilao a Vcuo:

O RAT, subproduto da destilao atmosfrica do petrleo, um corte de alta massa molar e

de baixo valor comercial. Sua nica utilizao prtica como leo combustvel. Contudo, nele esto

contidas fraes de elevado potencial econmico, tais como os gasleos, que no podem ser

separados por meio da destilao usual, pois, devido a suas altas temperaturas de ebulio presso

atmosfrica, impossvel vaporiz-los, em face do limite de 400C, imposto pela decomposio

trmica dos hidrocarbonetos pesados.

1.2 ) PROGRAMA COMPUTACIONAL HYSYS

Torres de fracionamento com multi-estgios, assim como unidades de destilao de leo a

vcuo, demetanizadores aquecidos, e colunas de destilao extrativas, so unidades de operao

muito complexas que o programa HYSYS simula.

O HYSYS um programa computacional para simulao de processos qumicos, fornecido

pelo Departamento de Engenharia da Aspen Tecnology, Inc. que uma das fornecedoras de

referncia mundial de software e servios para processos industriais.

ASPENTECH ajuda os seus clientes a obterem um alto grau de operabilidade, maximizando

os seus lucros e otimizando o seu desempenho profissional.

O HYSYS tem a capacidade de rodar torres criognicas, sob altas presses, sistemas de

absoro, absoro de leo rico, retificadores de guas cidas (sour water strippers), torres

complexas de petrleo, colunas de destilao azeotrpica, etc. No esto programados limites para o

nmero de componentes ou estgios. O tamanho da coluna que podemos resolver depende da nossa

configurao de hardware e a capacidade da memria do computador que temos disponveis.

Dependendo do sistema que estiver sendo simulado, cada uma destas torres de destilao

consiste em srie de estgios flash de equilbrio e no equilbrio lquido-vapor. O vapor flui

sucessivamente dentro da coluna em sentido ascendente de um baixo estgio para outro acima, e o

lquido flui em sentido descendente de um estgio acima para outro abaixo. Um estgio pode ter um

ou mais fluxos de alimentao, que entram na coluna em qualquer prato intermedirio, e o lquido

ou vapor produzido a partir da coluna pode ser aquecido ou arrefecido usando permutadores de

calor.

As torres de destilao mais complexas podem ter bombas de recirculao ou de reciclagem

do lquido sado de um estgio da coluna fazendo o refluxo entrar nos estgios colocados mais

acima. Tambm, pequenas torres auxiliares ou destiladores parciais chamados strippers, podem ser

usados acoplados a algumas torres de destilao para purificao ou enriquecimento dos

subprodutos lquidos. Com exceo das torres de destilao de petrleo, poucas so as colunas de

processo qumico que possuem os itens mencionados acima. No entanto, virtualmente qualquer tipo

de coluna pode ser simulada com a combinao apropriada de componente unitrio.

1.3 ) MTODOS NUMRICOS

A forma usual aproximada para os clculos prato a prato numa coluna de destilao escrever

as equaes do balano de massa de cada componente entrando e saindo de cada estgio e depois

colocar os sistemas como equaes para todos os estgios em forma de matriz. Pode-se utilizar o

algoritmo de Thomas para resolver a matriz jacobiana. O algoritmo uma eficiente eliminao

Gaussiana, arranjada para a regular e escassa matriz tridiagonal.

Existem ainda outros mtodos numricos mais antigos:

I. Mtodo Bubble-Point de Wang e Henke, onde a matriz tridiagonal resolvida para

componentes do fluxo e estas composies do novas temperaturas pelos clculos do ponto de

bolha.

II. Mtodo Sum-Rates: os componentes do fluxo encontrados pela soluo da equao da

matriz tridiagonal so somados para dar um novo fluxo total Vj (fluxo de vapor) e Lj (fluxo de

lquido) e o balano do estgio de calor d novas temperaturas. Este mtodo trabalha bem para

absoro, mas no para fracionamento.

III. Tomich criado como o mais seguro procedimento para convergir toda a extenso dos

tipos de torres dos fracionadores perto da ebulio para os absorvedores. Neste mtodo o estgio de

temperaturas e da taxa de vapor total so usadas como variveis independentes na multivarivel,

Quasi-Newton aproximada para convergncia.

O mtodo de Tomich o mais seguro para a maioria dos problemas de destilao.

Infelizmente, o mtodo de Tomich, algumas vezes precisa de boas estimativas iniciais na ordem

para convergir com sucesso, e o tempo necessrio para o clculo e inverte o jacobiano que ser

excessivo como o nmero de estgios elevado entre 30 para 50.

1.4 ) MODELO TERMODINMICO

Para o modelo HYSYS usado neste trabalho, Peng-Robinson a equao de estado

selecionada para predizer os parmetros termodinmicos. Das muitas equaes que o programa

oferece a equao de estado Peng-Robinson suporta a maior taxa em condies de operao e a

melhor variedade do sistema.

Esta equao de estado produz diretamente todo equilbrio requerido e as propriedades

termodinmicas. A equao de Peng-Robinson apresentada abaixo:

RT a

PV b V V b b V b

(1.1)

3 2 2 31 2 3 0Z B Z A B B Z AB B B (1.2)

A equao de Peng-Robinson aplicada no HYSYS similar equao original, que estende

suas taxas de aplicabilidade e representa melhor o equilbrio lquido-vapor de sistemas complexos.

2) DESCRIO DO PROCESSO DA UNIDADE DA TORRE DE PR-FLASH

O processamento do petrleo pode variar de unidade para unidade em funo do processo de

refino utilizado e da particularidade de cada projeto qumico. Geralmente antes do petrleo cru ser

enviado para a Torre de Pr-Flash, ele proveniente de diversos tanques de armazenamento, passa

por etapas de pr-aquecimento e dessalgao, onde a etapa de pr-aquecimento realizada em fornos

necessria para elevar a temperatura do petrleo cru at uma temperatura necessria a

dassalgao, onde esta tem por objetivo, a remoo de gua, incluindo os sais e sedimentos

presentes.

Aps passar por essas etapas, a corrente enviada a primeira etapa de processamento que a

primeira torre de destilao tambm conhecida como Torre de Pr-Fracionamento ou Pr-flash. Em

seguida a corrente de base proveniente da torre Pr-Flash enviada a Torre de Destilao

Atmosfrica e depois para a Torre de Destilao a Vcuo, conforme mostra a figura 2.1.

Figura 2.1. Esquema simplificado do fluxo do petrleo no processo de refino.

Neste trabalho ser dado maior ateno para a Torre de Pr-Flash. Nesta etapa conforme j

mencionado, ir ser realizado a primeira separao ou fracionamento dos componentes leves e

pesados. Na sada dos fornos, grande parte do petrleo j est vaporizada e a carga introduzida na

torre. Na zona de vaporizao ou "zona de flash", o petrleo que j se encontra vaporizado sobe ao

topo da torre e sua parte lquida, desce ao fundo. Para a simulao realizada neste trabalho, foi

considerada uma alimentao que se encontra totalmente no estado lquido. As torres possuem em

seu interior bandejas que permitem a separao do petrleo pelos seus pontos de ebulio, uma vez

que quanto mais prximos do topo, menores as temperaturas. Ou seja, ao contato de cada bandeja, o

vapor ascendente condensa parte de seus componentes. As fraes mais leves saem pelo topo da

torre e so condensadas em trocadores externos. Portanto na coluna de destilao existe

transferncia de massa entre o fluxo de vapor e o fluxo de lquido.

A destilao um processo que, se baseando na diferena dos pontos de ebulio ou diferena

de volatilidade de uma mistura de componentes, serve para separar componentes de uma mistura de

lquidos miscveis. Os principais componentes de um equipamento para destilao so o refervedor

ou rebulidor, o condensador, a coluna de destilao e a sua parte interna onde se encontram os

pratos tericos. Na figura 2.2 abaixo so mostrados esses componentes j implantados no

simulador.

Figura 2.2. Representao esquemtica do processo no simulador.

Atravs de um procedimento experimental de anlise cromatogrfica (mtodo instrumental)

determinou-se a composio da corrente de alimentao da coluna. As substncias que compem o

gs natural foram adicionadas diretamente da base de dados do HYSYS. As substncias que

compem o leo foram identificadas pela sigla NBP(0)XX*, que significa ponto normal de

ebulio, sendo as letras XX a temperatura de ebulio em C dessas substncias, para tanto as

mesmas foram adicionadas como componentes do tipo Hypotheticals. Esses componentes foram

adicionados inserindo-se o ponto de ebulio, massa molar, densidade, temperatura crtica, volume

crtico e fator acntrico.

Na simulao do processo, a Torre Pr-Flash apresenta onze pratos tericos, considerando

uma eficincia de 100%.

A corrente que ir alimentar a Torre Pr-Flash encontra-se totalmente no estado lquido, est

com uma temperatura de alimentao de -4,828C, presso de 321,3kPa e uma vazo mssica de

escoamento de 654,7kg/h conforme mostra a figura 2.3.

Figura 2.3. Corrente de alimentao com as condies e propriedades.

A alimentao da torre pr-flash ocorre no prato terico oito, considerando que o primeiro

estgio encontra-se no topo da coluna e que o ltimo estgio encontra-se na base da coluna,

conforme mostrado na figura 2.4.

Figura 2.4. Visualizao do nmero de estgios tericos.

A coluna pr-flash possui um condensador parcial e as correntes de sada so a corrente de

topo e o refluxo que alimenta o prato 1. Um calor de condensao removido do condensador para

realizar a condensao de uma parte do vapor, que constitui a corrente de refluxo. A coluna possui

tambm um vaporizador ou rebulidor parcial e as correntes de sada so a corrente de base e a

corrente de rebulio que alimenta o prato 11. Um calor de rebulio adicionado ao rebulidor para

realizar a vaporizao de uma parte do lquido, que constitui a corrente de rebulio.

O vapor ao atingir o topo da coluna parcialmente condensado e divide-se em duas partes. A

corrente de refluxo no estado lquido retorna para a coluna no prato 1 e a outra corrente de topo

vaporizada, recolhida como produto. A razo de refluxo ento definida como a razo entre a

corrente de refluxo e a corrente de topo vaporizada. No caso da simulao foi estabelecido uma

razo de 2. E o lquido ao atingir a base da coluna parcialmente vaporizado e divide-se em duas

partes. A corrente de rebulio no estado vapor retorna para a coluna no prato 11 e a outra corrente

de base no estado lquido, recolhida como produto. A razo de rebulio ento definida como a

razo entre a corrente de rebulio e a corrente de base. No caso da simulao foi calculada como

1,1427.

Como pode-se verificar na figura 2.5, a corrente de alimentao apresenta quantidades

significativas de componente leves e precisa ser separado dos componentes mais pesados.

Figura 2.5. Composio da corrente de alimentao.

3) OBJETIVOS DO PROCESSO

Como j foi dito anteriormente, o processo em questo, trata-se de um processamento

primrio ou pr-fracionamento do petrleo. O leo cru ou petrleo bruto quando provem das

reservas petrolferas vem misturado com gs, gua e sedimentos. no qual se deseja separar em um

produto de topo constitudo por fraes leves como gases combustveis, gs liquefeito de petrleo

(GLP) e nafta e em um produto de fundo constitudo pelos cortes mais pesados que a nafta,

conhecido como cru pr-vaporizado (CPV) ou pr-fracionado que ser a carga da torre atmosfrica.

A retirada dos leves necessria para evitar a vaporizao da carga no forno atmosfrico e para

possibilitar um ganho em altura na torre atmosfrica (uma altura menor). Alm do fato de que o gs

associado, contendo substncias corrosivas e sendo altamente inflamvel, deve ser removido por

problemas de segurana (corroso ou exploso).

Portanto deve-se obter como produto de topo, sobretudo, nitrognio, cido sulfdrico, dixido

de carbono, metano, etano, propano, i-butano, que so os principais constituintes do gs e ainda

gua remanescente da explorao e de uma possvel etapa de desidratao.

Figura 3.1. Esquema geral do processamento de petrleo.

4) BALANOS DE MASSA E ENERGIA NA COLUNA DE DESTILAO

Para realizar os balanos de massa e energia as seguintes consideraes foram feitas:

Escoamento em Regime Permanente;

Sem reao qumica;

Processo Adiabtico;

No existe trabalho do sistema sobre as vizinhas e nem das vizinhas sobre o sistema;

As energias cinticas e potenciais podem ser desprezveis;

No existe calor de gerao ou consumo.

A partir dessas consideraes podem-se obter as equaes para descrever os fluxos de massa e

energia em qualquer ponto da coluna por meio dos balanos de massa e energia:

Reaoe s

e s

mm m m V

t

m m

1 2

2120 0 0

( ) '''.

( ) ( . ) ( )

e s

e s f f

f p

e e s s

EQ Q W W E E G V

t

E mc T T E m H v g h H H c T T

m H m H

4.1) Balanos de Massa

a) Balano de Massa Global

. . .

654,7 / 30,68 / 624,0 / 654,7 / 654,68 /

C A C T C Bm m m

kg h kg h kg h kg h kg h

b) Balano de Massa Parcial

Metano

4 4 4

. . . . . .

654,7 / *0,0007 30,68 / *0,0151 624,0 / *0 0,45829 / 0,463268 /

CH CH CH

C A C A C T C T C B C Bm w m v m w

kg h kg h kg h kg h kg h

Etano

2 6 2 6 2 6

. . . . . .

654,7 / *0,0052 30,68 / *0,1108 624,0 / *0 3,40444 / 3,399344 /

C H C H C H

C A C A C T C T C B C Bm w m v m w

kg h kg h kg h kg h kg h

NBP[0]171C

NBP[0]171C NBP[0]171C NBP[0]171C

. . . . . .

654,7 / *0,0584 30,68 / *0 624,0 / *0,0613 38,23448 / 38,2512 /

C A C A C T C T C B C Bm w m v m w

kg h kg h kg h kg h kg h

NBP[0]445C

NBP[0]445C NBP[0]445C NBP[0]445C

. . . . . .

654,7 / *0,1186 30,68 / *0 624,0 / *0,1244 77,64742 / 77,6256 /

C A C A C T C T C B C Bm w m v m w

kg h kg h kg h kg h kg h

c) Balano de Massa Global no Condensador

1 .

106,3 / 75,57 / 30,68 / 106,3 / 106,25 /

V

P C C Tm m m

kg h kg h kg h kg h kg h

Figura 4.1. Condies e propriedades da corrente para condensador, de refluxo e de topo.

d) Balano de Massa Global no Prato 1

1 1 2

81,31 / 106,3 / 112,0 / 75,57 / 187,61 / 187,57 /

V L V

P P P Cm m m m

kg h kg h kg h kg h kg h kg h

Figura 4.2. Condies e propriedades das correntes nos pratos 1 e 2.

e) Balano de Massa Global no Prato de Alimentao

. 7 9 8 8

654,7 / 76,39 / 233,9 / 858,0 / 107,1 / 964,99 / 965,1 /

L V L V

C A P P P Pm m m m m

kg h kg h kg h kg h kg h kg h kg h

Figura 4.3. Condies e propriedades das correntes nos pratos 7, 8 e 9.

f) Balano de Massa Global no Prato 11

10 11 11

917,0 / 285,3 / 909,3 / 292,9 / 1202,3 / 1202,2 /

L L V

R P P Pm m m m

kg h kg h kg h kg h kg h kg h

Figura 4.4. Condies e propriedades das correntes nos pratos 10 e 11.

g) Balano de Massa Global no Rebulidor

11 .

909,3 / 285,3 / 624,0 / 909,3 / 909,3 /

L

P R C Bm m m

kg h kg h kg h kg h kg h

Boilup

Corrente de Base

Figura 4.5. Condies e propriedades das correntes para o rebulidor, vaporizada e de

base.

4.2) Balanos de Energia

a) Coluna de Destilao

. . . . . .

6 6

654,7 / *( 2249 / ) 30,68 / *( 2645 / ) 624,0 / *( 2023 / )

1,4724203.10 / 1,3435006.10 /

C A C A C T C T C B C Bm H m H m H

kg h kJ kg kg h kJ kg kg h kJ kg

kJ h kJ h

b) Condensador

1 1 . .

1 1 . .

4

106,3 / *( 2414 / ) 75,57 / *( 2735,0) / 30,68 / *( 2645,0 / )

3,122435.10 /

V V

P P C C C T C T C

V V

C P P C C C T C T

C

C

m H m H m H Q

Q m H m H m H

Q kg h kJ kg kg h kJ kg kg h kJ kg

Q kJ h

Figura 4.6. Calor de condensao calculado pelo HYSYS.

c) Rebulidor

11 11 . .

. . 11 11

5

285,3 / *( 1999,0) / 624,0 / *( 2023,0 / ) 909,3 / *( 2192 / )

1,60518.10 /

L L

P P R R R C B C B

L L

R R R C B C B P P

R

R

m H Q m H m H

Q m H m H m H

Q kg h kJ kg kg h kJ kg kg h kJ kg

Q kJ h

Figura 4.7. Calor de rebulio calculado pelo HYSYS.

5) ANLISE DO GRAU DE LIBERDADE

Um aspecto importante dos problemas de balanos combinados de energia e materiais como

assegurar que as equaes do processo ou conjunto de mdulos sejam determinados, ou seja,

tenham no mnimo uma soluo, e espera-se que no mais de uma soluo. A questo : quantas

variveis so desconhecidas e consequentemente, quantas tm de ter seus valores especificados em

um problema? O nmero de graus de liberdade o nmero de variveis em um conjunto de

equaes independentes para o qual os valores tm de ser especificados de modo que as equaes

possam ser resolvidas.

Definindo-se dN = nmero de graus de liberdade, vN = nmero de variveis e eN = nmero de

equaes (balanos materiais, restries, especificaes, imposies). Ento para eN equaes

independentes em geral:

d v eN N N (5.1)

Conclui-se que v eN N variveis tem de ser especificadas desde que as eN equaes sejam

ainda independentes.

Tanto as variveis extensivas como as intensivas so includas na anlise, em contraste com

os graus de liberdade obtidos pela aplicao da regra das fases, que trata somente de variveis

intensivas. As variveis tpicas so:

- Temperatura;

- Presso;

- Taxa mssica (ou molar) de cada componente em uma corrente ou concentrao de cada

componente mais a taxa total de escoamento;

- Entalpias especficas (dadas em termos de temperatura e presso);

- Razo de reciclo;

- Especificaes;

- Extenso de reaes ou frao de converso.

Algumas variveis podem ser substitudas por outras, tais como temperatura e presso por

entalpias especficas e taxas de corrente de razo de reciclo.

Para realizar o clculo dos graus de liberdade do problema em questo, considere o seguinte

esquema mostrado na figura 5.1. O grau de liberdade pode ser analisado considerando-se

inicialmente, o clculo das variveis de processo e em seguida do nmero de equaes (incluindo

as especificaes) conforme as tabelas 5.1 e 5.2. Vale ressaltar que no consideraremos o balano

de matria global, haja vista que sero considerados todos os componentes, logo a equao de

balano de matria global torna-se desnecessria.

Figura 5.1. Fluxograma do processo.

Nv

Entrada 42 componentes + TF e P

F (44)

Destilado 42 componentes + TD e P

D (44)

Refinado 42 componentes + TR e P

R (44)

Calor no condensador 1

Calor no rebulidor 1

TOTAL 134

Tabela 5.1. Anlise do nmero de variveis do processo.

Ne

Especificaes (entrada) 42 componentes + TF e P

F (44)

Especificao (destilado) PD

(1)

Especificao (refinado) PR

(1)

Balanos materiais por componente 42

Relaes de equilbrio por componente 42

Balano de energia na coluna 1

Balano de energia no condensador 1

Balano de energia no rebulidor 1

Razo de refluxo 1

TOTAL 134

Tabela 5.2. Anlise do nmero de equaes considerando as especificaes.

d v eN N N

dN 134 - 134

0dN

6) DISCUSSO SOBRE O PROCESSO

6.1) ANALISE SOBRE RELATRIO

Na figura 6.1 so mostradas as condies e propriedades da corrente de topo fornecidas pelo

simulador. observado que a corrente de topo apresenta-se totalmente no estado vapor e com uma

temperatura menor que a temperatura de alimentao da coluna:

Figura 6.1. Condies e propriedades da corrente de topo.

Conforme pode-se observar na figura 2.5, a corrente de alimentao apresenta um percentual

em base molar de metano e etano de 0,64% e 2,51%, respectivamente. Ao se realizar o processo de

destilao como uma etapa de pr-flash, conseguiu-se uma corrente de topo rica em nesses

compostos com 3,86% de metano e 15,09% de etano, conforme observado na figura 6.2, que so os

constituintes principais do Gs Combustvel (GC), sendo que na corrente de base, essas substancias

encontram-se ausentes, o que mostra que a coluna de destilao com as condies especificadas

conseguiu separar esses elementos que so de grande importncia para os processos industrias e

tambm para as outras etapas do processamento do petrleo.

Outro componente de grande importncia no processo de refino do petrleo o propano que

constitui um dos componentes principais do Gs Liquefeito de Petrleo (GLP). A corrente de

alimentao apresenta um percentual em base molar de propano de 28,51%. Ao se realizar o

processo de destilao, conseguiu-se uma corrente de topo rica tambm nesse composto com

37,81% de propano.

A coluna de destilao mostrou-se eficiente tambm na separao do gs sulfdrico no qual

apresentou na corrente de alimentao um percentual de 0,351% e na corrente de topo 21,11%.

Conforme pode-se observar na figura 6.2 na corrente de topo existem quantidades

significativas de componentes denominados de leves (metano, etano, propano) e ausncia de

componentes denominados pesados conforme j mencionados anteriormente.

A corrente de base que sai da torre pr-flash ser ainda encaminhada a outra etapa do

processamento do petrleo. Conforme observado na figura 6.4, existem ainda grandes quantidades

de componentes que ainda sero separados nas etapas de destilao atmosfrica e a vcuo, mas

pode-se perceber que j houve a separao de alguns componentes leves como metano, etano,

propano e tambm uma grande remoo do gs sulfdrico.

Figura 6.2. Composio da corrente de topo.

Na figura 6.3 so mostradas as condies e propriedades da corrente de base fornecidas pelo

simulador. observado que a corrente de topo apresenta-se totalmente no estado liquido e com uma

temperatura maior que a temperatura de alimentao da coluna:

Figura 6.3. Condies e propriedades da corrente de Base.

Figura 6.4. Composio da corrente de base.

6.2) ANLISE DE SENSIBILIDADE

Algumas das dificuldades podem ter sido encontradas durante a realizao do trabalho e

podem ser causadas por algumas caractersticas do processo de destilao, como sua alta no

linearidade matemtica. Trata-se de um sistema onde as variveis so intensamente dependentes

umas das outras tornando a quantificao de quanto cada uma delas interfere no sistema um

trabalho exaustivo e que exige muita ateno. Assim, a anlise de sensibilidade de parmetros

fundamental nesta compreenso do processo. As figuras 6.1 a 6.3 ilustram alguns perfis resultantes

de simulaes do sistema em estudo.

Figura 5.1. Perfil de temperatura na coluna.

Figura 5.2. Perfil de presso na coluna.

Figura 5.3. Fluxo molar ao longo da coluna.

O perfil crescente da temperatura nos pratos da coluna mostra a convergncia do sistema, a

queda de presso teve um comportamento linear relacionada ao nmero dos pratos da coluna, como

esperado e nota-se ainda que nos primeiros pratos o fluxo molar de vapor maior que o de lquido e

nos ltimos pratos o fluxo de lquido bem maior que o de vapor, o que tambm j era previsto. A

otimizao de processos de destilao um fator fundamental para a eficincia do refino,

entretanto, a complexidade deste tipo de operao exige estudos cuidadosos para que sua

empregabilidade e resultado sejam satisfatrios.

7) CONCLUSES

O presente trabalho foi de grande importncia para o aprimoramento dos conhecimentos j

adquiridos em operaes unitrias controladas pelo equilbrio termodinmico lquido-vapor, como

o caso da destilao, que uma operao muito utilizada na indstria qumica, especialmente no

processamento de petrleo.

Os avanos alcanados no modelagem termodinmico do equilbrio de fases em condies

de presso e temperatura afastadas da idealidade, associado como o desenvolvimento de mtodos

matemticos numricos para a resoluo de equaes no-lineares acopladas, tem aproximado esses

sistemas qumicos da realidade das plantas de processo. Com isso, os simuladores, os quais so

programados com este universo de informaes sobre engenharia qumica, esto sendo largamente

utilizados para o projeto e otimizao de processos qumicos.

Neste trabalho foi realizado um estudo de uma unidade de destilao que faz parte do

processamento primrio da petrleo no qual foi implementada no simulador HYSYS em regime

permanente, visando analisar todas as variveis que afetam o funcionamento da coluna. Sob

determinadas condies de temperatura e presso e ainda, operando com onde pratos tericos foi

possvel separar os principais componentes leves dos componentes pesados do petrleo.

Os simuladores de processo, como o HYSYS, so ferramentas j bem estabelecidas nos

processos industriais, principalmente na rea petroqumica e, portanto, so de fundamental

importncia para o conhecimento do engenheiro qumico, pois os softwares esto cada vez mais

flexveis, permitindo representar muito bem o comportamento de misturas multicomponentes,

multifsicas e at reaes qumicas.

8) REFERNCIAS

CORRA, V. C.; Destilao reativa Anlise de sensibilidade paramtrica em colunas de

petrleo cru. Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Qumica da Universidade Federal de

Santa Catarina como parte dos requisitos obteno do grau de Bacharel em Engenharia Qumica.

Florianpolis, Junho de 2003.

HIMMELBLAU, D M. Engenharia Qumica Princpios e Clculos, 6 edio, ABDR, 1998, Rio

de Janeiro-RJ.

JLIO, A. D. C.; Comparao de simuladores de processo: Aspen vs. HYSYS. Dissertao de

Mestrado submetida ao Sistemas de Informao aplicados Engenharias de Processos Qumicos da

Universidade Tcnica de Lisboa, 2008.

PALANGA, C. M. S.; Otimizao de uma coluna de destilao V-104 Stabilizer de produo

de LPG - Gs liquefeito de petrleo campo petrolfero do Malongo/Cabinda/Angola.

Dissertao apresentada ao Curso de Ps Graduao em Engenharia Qumica da Universidade

Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos obteno do grau de Mestre em Engenharia

Qumica. Florianpolis, Novembro de 2005.