UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO UNIVERSIDADE PETROBRAS

CURSO DE ESPECIALIZAO EM ENGENHARIA DE PROCESSAMENTO DE PETRLEO

SIMULAO DE UMA UNIDADE DE DESTILAO

ATMOSFRICA

DOUGLAS BOMBARDELLI

MANUEL MENA BARRETA GOMES

MARCUS VNICIUS DO PRADO JNIOR

SAMUEL FACCHIN

Julho/2006

INSTITUTO DE QUMICA UERJ/ PETROBRAS CURSO DE ESPECIALIZAO EM PROCESSAMENTO DE

PETRLEO

Simulao de uma Unidade de Destilao Atmosfrica

Douglas Bombardelli

Manuel Mena Barreto Gomes

Marcus Vincius do Prado Jnior

Samuel Facchin Monografia de concluso de curso apresentada como

requisito parcial para obteno do ttulo de Especialista em

Engenharia de Processamento de Petrleo

rea de concentrao: Simulao de Processos

Orientadores:

Prof. Dr. Andr Luiz Hemerly da Costa

Prof. Dr. Victor Rolando Ruiz Ahn

Rio de Janeiro

2006

S614 Simulao de uma unidade de destilao atmosfrica / Douglas Bombardelli....[et al.]. 2006. 123 f. Monografia(Especializao em Engenharia de Processamento de Petrleo) - Universidade Estadual do Rio de Janeiro, 2006. 1. Destilao atmosfrica. 2. Petrleo. 3. Simulao. I. Bombardelli, Douglas. II. Gomes, Manuel Mena Barreto. III. Prado Jnior, Marcus Vincius do. IV. Facchin, Samuel. V. Ttulo. CDD 665.532

INSTITUTO DE QUMICA UERJ/ PETROBRAS CURSO DE ESPECIALIZAO EM PROCESSAMENTO DE

PETRLEO

A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova a Monografia Simulao de

uma Unidade de Destilao Atmosfrica

, elaborada por Douglas Bombardelli, Manuel Mena Barreto Gomes, Marcus

Vincius do Prado Jnior e Samuel Facchin, como requisito parcial para obteno do

grau de Especialista em Engenharia de Processamento de Petrleo.

Comisso Examinadora:

Prof. MSc. Nilo Indio do Brasil

Eng. MSc. Mrio Fernando Porto

Agradecimentos Agradecemos primeiro a Deus, por sua iluminao, especialmente nas horas

em que as coisas pareciam no ir tambm, temos certeza que muitas das solues encontradas foram fruto de Sua ajuda.

Agradecemos as nossas famlias, portos seguros onde ancoramos durante as maiores tormentas. No poderamos deixar de agradecer aos nossos verdadeiros amigos, por colaborao tanto na elaborao desse trabalho, bem como nas horas de relax, to importantes ao longo dessa longa e, muitas vezes, dura jornada.

Agradecemos tambm a Petrobras S.A., em especial a Universidade Petrobras e, pela oportunidade para execuo desse trabalho e aos engenheiros e operadores de acompanhamento da unidade avaliada, pelas informaes e valiosa ajuda no desenvolvimento desse.

Por fim agradecemos aos nossos orientadores, Andr e Victor, por suas idias, esclarecimentos e apoio ao longo dessa jornada.

Resumo O papel da simulao de processos vem crescendo ao longo dos ltimos anos,

sendo utilizada para projeto, avaliao e desenvolvimento na rea de refino de

petrleo. A simulao de torres de destilao, especialmente de unidades de

destilao atmosfrica, se constitui uma ferramenta fundamental para o engenheiro

de acompanhamento.

Esse trabalho objetiva o desenvolvimento de uma ferramenta computacional de

simulao de uma unidade de destilao atmosfrica capaz de representar o

comportamento da unidade industrial dentro de uma margem satisfatria de erros.

Inicialmente realizada uma breve reviso sobre processos de refino,

ferramentas de simulao, modelos termodinmicos e caracterizao do petrleo e

suas fraes atravs da metodologia de pseudocomponentes.

Posteriormente proposta uma ferramenta computacional para simular uma

unidade de destilao atmosfrica de uma refinaria. Os resultados produzidos so

primeiramente comparados com simuladores comerciais para validar o desempenho

do simulador, PETROX, e da ferramenta desenvolvida.

A ferramenta desenvolvida e validada ento utilizada para avaliar a

capacidade da simulao em representar dados reais de processo, tornando-a

utilizvel para aplicao industrial.

Como aplicao final da ferramenta proposta a avaliao de um cenrio

futuro de operao, constitudo por um petrleo mais pesado que o atualmente

processado, avaliando-se os rendimentos e qualidade dos principais derivados.

Durante as etapas de desenvolvimento e avaliao da ferramenta so analisadas

as influncias de alguns parmetros utilizados na simulao sobre a produo e

qualidade dos derivados de petrleo produzidos na unidade de destilao. Essas

avaliaes e anlises constituem um guia rpido para o desenvolvimento de

simulaes anlogas.

Abstract Process Simulation is becoming even more frequent nowadays, being used for

design, evaluation and development in the refining industry. The simulation of

distillation towers, especially for atmospheric distillation units, is a fundamental tool

for process engineers.

The works intends develop a simulation computational tool of an atmospheric

distillation unit capable of representing the behavior of the industrial unit within a

satisfactory error margin.

Initially a brief revision about the refining process, simulation tools,

thermodynamic models e crude oil characterization and its fractions using the pseudo

components methodology is made.

Later, a computational tool to simulate an atmospheric distillation unit of a

refinery is proposed. The results are former compared within the ones produced by

commercial simulators, aiming the validation of the PETROX simulator and the

tool itself.

The developed tool is then used to evaluate its capacity to reproduce real

process data, allowing its use in industrial applications.

As a final stage, the simulation tools are used to predict the quality and

quantity of the main derivates in a future scenario that is represented by a heavier

crude as feed.

The influences of some parameters used in the simulation over production and

quality of derivates are analyzed during the development of this work. These

evaluations and analysis are a quick guide in the development of analogous

simulations.

Sumrio

Simulao de uma Unidade de Destilao Atmosfrica..................................1

Simulao de uma Unidade de Destilao Atmosfrica..................................2

Sumrio .............................................................................................................10

Introduo .........................................................................................................19 1.1 Motivao.............................................................................................................. 19 1.2 Objetivos ............................................................................................................... 21

1.2.1 Objetivo Geral.............................................................................................. 22 1.2.2 Objetivos Especficos................................................................................... 22

1.3 Estrutura da Monografia. ...................................................................................... 22

Reviso Bibliogrfica .......................................................................................24 2.1 Destilao.............................................................................................................. 24

2.1.1 A unidade de Destilao Atmosfrica em uma refinaria de petrleo........... 26 2.1.2 Variveis operacionais em uma coluna de destilao atmosfrica .............. 29

2.2 Simulao de Processos Qumicos........................................................................ 30 2.2.1 Simuladores Estacionrios de Processos Qumicos ..................................... 31 2.2.2 Ferramentas de Simulao Estacionria e a Indstria de Processos ............ 32 2.2.3 Simulao de Destilao Multicomponente................................................. 35

2.3 Equilbrio de Fases.......................................................................................... 38 2.3.1 Equilbrio Lquido-Vapor............................................................................. 41 2.3.2 Equaes de Estado...................................................................................... 42

2.4 Caracterizao de petrleo e suas fraes............................................................. 45 2.4.1 Caracterizao fsico-qumica de petrleo e suas fraes............................ 46 2.4.2 Caracterizao fisico-qumica de leos Crus .............................................. 47 2.4.3 Caracterizao fsico-qumica de fraes de petrleo.................................. 47 2.4.4 Propriedades Bsicas Experimentais de Fraes de Petrleo ...................... 48

Ponto de Ebulio e Curvas de Destilao...................................................... 48 Densidade e oAPI ............................................................................................ 50 Massa Molar.................................................................................................... 51 Viscosidade Cinemtica .................................................................................. 51

2.4.5 Ponto de ebulio mdio e interconverso de dados de destilao.............. 52 Pontos de ebulio mdios .............................................................................. 52 Interconverso de dados de destilao ............................................................ 53

2.4.6 Estimativa de propriedades de Fraes de Petrleo..................................... 54 Cortes curtos e cortes longos .......................................................................... 54 Estimativa de massa molar, propriedades crticas e fator acntrico................ 55 Estimativa de outras propriedades .................................................................. 55

2.5 Nmero mnimo de dados de experimentais......................................................... 55 2.6 Regras de Mistura ................................................................................................. 56

2.6.1 Regras de Aditividade .................................................................................. 56

2.6.2 Mtodo dos ndices de Mistura .................................................................... 57 2.6.3 Mtodo dos Valores de Mistura ou dos Bnus ............................................ 57

Desenvolvimento e Validao da Simulao da Unidade de Destilao Atmosfrica .......................................................................................................58

3.1Definies Preliminares ......................................................................................... 59 3.2 Descrio do Sistema ............................................................................................ 60 3.3 Simulao da Torre de Pr-Flash .......................................................................... 62

3.3.1 Unidade Industrial........................................................................................ 62 3.3.2 Metodologia de Modelagem ........................................................................ 63 3.3.3 Caracterizao da carga da unidade ............................................................. 64 3.3.4 Simulao da Torre de Pr-Flash ................................................................. 66 3.3.5 Resultados e Discusses............................................................................... 69

Variveis Flexibilizadas .................................................................................. 69 Caractersticas do Cru Pr-Fracionado............................................................ 71

3.4 Simulao da Torre Atmosfrica .......................................................................... 73 3.4.1 Torre de Destilao Atmosfrica ................................................................. 73 3.4.2 Simulao da Torre Atmosfrica ................................................................. 75 3.4.3 Parmetros da simulao.............................................................................. 76 3.4.4 Condies de Operao................................................................................ 78 3.4.5 Resultados e Discusses............................................................................... 80

Simulao das condies operacionais atuais..............................................86 4.1 Coleta de dados ..................................................................................................... 86 4.2 Simulao da Torre de Pr-Flash .......................................................................... 88

4.2.1 Resultados e Discusses............................................................................... 90 4.3 Simulao da Torre Atmosfrica .......................................................................... 96

4.3.1 Resultados e Discusses............................................................................... 99

Simulao de condies operacionais futuras ............................................108 5.1Torre de Pr-Flash................................................................................................ 110 5.2 Torre Atmosfrica ............................................................................................... 112

Concluso........................................................................................................120 6.1Consideraes Finais............................................................................................ 120 6.2 Sugestes para trabalhos futuros......................................................................... 121

Referncias Bibliogrficas.............................................................................122

Lista de figuras .................................................................................................12

Lista de tabelas .................................................................................................14

Simbologia e Nomenclatura.............................................................................16

Lista de figuras Figura 1.1: Diagrama de blocos tpico de uma Refinaria de Petrleo ............................. 20 Figura 2.1: Fluxograma da unidade de destilao atmosfrica deste trabalho ................ 29 Figura 2.2: Caracterizao de leos crus ......................................................................... 47 Figura 3.1: Fluxograma simplificado da unidade de destilao atmosfrica estudada.... 62 Figura 3.2: Topologia adotada para a simulao da unidade de pr-flash no

PETROX. ............................................................................................................ 67 Figura 3.3: Topologia adotada para a simulao da torre de pr-flash no

PROCESS. .......................................................................................................... 68 Figura 3.4: Perfis de temperatura da Pr-Flash obtidos pelo PROCESS e

PETROX ............................................................................................................. 70 Figura 3.5: Curvas PEV do cru pr-fracionado obtidos pelo PROCESS e

PETROX. ............................................................................................................ 72 Figura 3.6: Curvas de destilao ASTM D-86 do cru pr-fracionado obtidas pelo

PROCESS e PETROX ...................................................................................... 73 Figura 3.7: Fluxograma simplificado da coluna de destilao atmosfrica..................... 74 Figura 3.8: Curvas de destilao PEV do cru pr-fracionado.......................................... 76 Figura 3.9: Topologia adotada para a simulao da torre atmosfrica. ........................... 77 Figura 3.10: Perfil de temperatura da torre atmosfrica. ................................................. 81 Figura 3.11: Curvas ASTM D-86 da Nafta pesada obtidas via HYSIM e

PETROX. ........................................................................................................... 83 Figura 3.12: Curvas ASTM D-86 do Querosene obtidas via HYSIM e PETROX. .. 83 Figura 3.13: Curvas ASTM D-86 do Diesel leve obtidas via HYSIM e

PETROX. ........................................................................................................... 84 Figura 3.14: Curvas ASTM D-86 do Diesel pesado obtidas via HYSIM e

PETROX. ........................................................................................................... 84 Figura 4.1: Fluxograma simplificado da coluna de Pr-Fracionamento.......................... 89 Figura 4.2: ASTM D-86 da nafta leve no estabilizada da planta e obtida pelo

PETROX ............................................................................................................. 94 Figura 4.3: Curva PEV do cru pr-fracionado obtida pelo PETROX em

comparao planta.............................................................................................. 95 Figura 4.4: Topologia adotada para a simulao da torre atmosfrica no PETROX..... 98 Figura 4.5: Comparao entre o perfil de temperaturas medido e os simulados ........... 102 Figura 4.6: ASTM D-86 da nafta pesada da planta e obtida pelo PETROX ............... 104 Figura 4.7: ASTM D-86 do querosene da planta e obtida pelo PETROX .................. 104 Figura 4.8: ASTM D-86 do Diesel leve da planta e obtida pelo PETROX................. 105 Figura 4.9: ASTM D-86 do Diesel pesado da planta e obtida pelo PETROX ............ 105 Figura 4.10: ASTM D-86 do resduo atmosfrico da planta e obtida pelo PETROX . 106 Figura 5.1: Curvas PEV do petrleo atual e futuro........................................................ 109 Figura 5.2: Curvas de destilao ASTM D-86 para a nafta leve no estabilizada ........ 112 Figura 5.3: Perfil de temperaturas da torre atmosfrica comparando dados de planta

com simulao atual e futura............................................................................... 115 Figura 5.4: Curvas de destilao ASTM D-86 para a nafta pesada............................... 116 Figura 5.5: Curvas de destilao ASTM D-86 para o querosene. ................................. 117 Figura 5.6: Curvas de destilao ASTM D-86 para o diesel leve.................................. 117

Figura 5.7: Curvas de destilao ASTM D-86 para o diesel pesado. ............................ 118 Figura 5.8: Curvas de destilao ASTM D-86 para o resduo atmosfrico................... 118

Lista de tabelas Tabela 2.1: Pontos de retirada de fraes de petrleo em uma coluna de destilao

atmosfrica e temperaturas de ebulio tpicas - ASTM D 86............................. 28 Tabela 2.2: Passos para simulao de um flash ............................................................... 35 Tabela 2.3: Coeficientes da forma geral das equaes cbicas de van der Waals

(vdW), Redlich-Kwong (RK), Soave-Redlich-Kwong (SRK) e de Peng-Robinson (PR)....................................................................................................... 44

Tabela 2.4: Sugesto de modelos termodinmicos para cada tipo de sistema................. 45 Tabela 3.1: Sistema de Equaes e correlaes utilizados pelo pacote SET01 do

PETROX ............................................................................................................. 59 Tabela 3.2: Unidades das principais variveis utilizadas................................................. 60 Tabela 3.3: Condies operacionais da Torre de Pr-Flash............................................. 69 Tabela 3.4: Comparao dos resultados para a razo de refluxo e vazo de produtos .... 70 Tabela 3.5: Dados para construo das Curvas PEV gerados pelo PROCESS e

PETROX ............................................................................................................. 71 Tabela 3.6: Propriedades do cru pr-fracionado calculados pelo PROCESS e

PETROX ............................................................................................................. 72 Tabela 3.7: Dados para construo das Curvas PEV gerados pelo HYSIM e

PETROX ............................................................................................................. 75 Tabela 3.8: Equivalncia entre pratos reais e estgios tericos ....................................... 77 Tabela 3.9: Dados da torre de destilao atmosfrica...................................................... 78 Tabela 3.10: Condies de operao................................................................................ 79 Tabela 3.11: Especificaes e variveis flexibilizadas. ................................................... 80 Tabela 3.12: Variveis estimadas. ................................................................................... 80 Tabela 3.13: Comparao entre PETROX e HYSIM. ................................................. 82 Tabela 3.14: Produtos obtidos nas simulaes HYSIM e PETROX ........................... 82 Tabela 4.1: Parmetros de processo utilizados na simulao da torre de pr-

fracionamento........................................................................................................ 89 Tabela 4.2: Estimativas utilizadas na simulao da torre de pr-fracionamento ............. 89 Tabela 4.3: Especificaes utilizadas na simulao da torre de pr-fracionamento........ 90 Tabela 4.4: Metodologia utilizada nas simulaes da torre pr-fracionadora ................. 90 Tabela 4.5: Temperaturas na seo de topo da torre pr-fracionadora, caso 1 ................ 91 Tabela 4.6: Comparao dos resultados para os produtos da torre pr-fracionadora,

caso 1..................................................................................................................... 91 Tabela 4.7: Verificao do efeito do nmero de estgios tericos no desempenho da

coluna, caso 1 ........................................................................................................ 92 Tabela 4.8: Comparao dos resultados para os produtos da torre pr-fracionadora,

caso 2..................................................................................................................... 92 Tabela 4.9: Temperaturas na seo de topo da torre pr-fracionadora, caso 2 ................ 92 Tabela 4.10: Comparao dos resultados para os produtos da torre pr-fracionadora,

caso 3..................................................................................................................... 93 Tabela 4.11: Temperaturas na seo de topo da torre pr-fracionadora, caso 3 .............. 93 Tabela 4.12: Dados para construo das Curvas PEV..................................................... 96 Tabela 4.13: Condies de operao utilizadas na simulao da torre atmosfrica ........ 97 Tabela 4.14: Metodologia utilizada nas simulaes da torre atmosfrica ....................... 99

Tabela 4.15: Comparao entre os resultados das principais variveis especificadas... 100 Tabela 4.16: Comparao entre vazes, rendimentos volumtricos e densidades......... 100 Tabela 4.17: Comparao entre os perfis de temperatura e razo de refluxo

simulados e medidos ........................................................................................... 101 Tabela 4.18: Comparao entre os pontos extremos da destilao ASTM D-86 de

cada produto e avaliao entre o afastamente (Gap) e a sobreposio (Overlap) de cortes contguos. ............................................................................ 103

Tabela 5.1: Especificaes e variveis flexibilizadas .................................................... 110 Tabela 5.2: Condies de processo da planta e das simulaes das condies atuais

e futuras da torre de pr-flash.............................................................................. 111 Tabela 5.3: Valores das temperaturas medidos na planta e obtidos nas simulaes

das condies atuais e futuras da torre de pr-flash............................................ 111 Tabela 5.4: Comparao entre as variveis de processo da operao atual da planta

com a simulao atual e futura............................................................................ 113 Tabela 5.5: Vazes volumtricas, rendimentos em relao ao cru pr-fracionado e

densidade dos cortes da torre atmosfrica........................................................... 113 Tabela 5.6: Perfil de temperaturas para a torre atmosfrica comparando dados de

planta com simulao atual e futura.................................................................... 114 Tabela 5.7: Comparao entre os pontos extremos da destilao ASTM D-86 de

cada produto e avaliao entre o afastamento (Gap) e a sobreposio (Overlap) de cortes contguos ............................................................................. 116

Simbologia e Nomenclatura a Parmetro de atrao de Van der Waals, Soave ou Peng-

Robinson

AA gua cida

oAPI densidade API

BSW Basic Sediments & Water

b Parmetro de volume residual de Van der Waals, Soave ou

Peng-Robinson

bi concentrao do componente i

C5+ Frao composta por hidrocarbonetos de mais de 4 tomos de

carbono

C7+ Frao composta por hidrocarbonetos de mais de 6 tomos de

carbono

21 / TTd Densidade, relao entre a massa especfica do composto

temperatura T1(oC) e a massa especfica da gua temperatura

T2 (oC)

if Fugacidade parcial do componente i

iG Energia de Gibbs parcial molar do componente i

GI Gs ideal

GLP Gs liquefeito de petrleo

H Altura do leito recheado

HETP Altura equivalente a um prato terico

n Nmero de estgios ideais

P Presso do sistema

PM Propriedade da mistura

pi Propriedade do componente i

cP Presso crtica

Ppc Presso pseudocrtica

PEMC Ponto de ebulio mdio cbico

PEMe Ponto de ebulio mdio mediano

PEMM Ponto de ebulio mdio molar

PEMP Ponto de ebulio mdio mssico

PEMV Ponto de ebulio mdio volumtrico

PEV Ponto de ebulio verdadeiro

PFE Ponto final de ebulio

PIE Ponto inicial de ebulio

PI Plant Information

PFi Correo de Poynting do componente i

R Constante dos gases

RAT Resduo atmosfrico

SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo

T Temperatura

CT Temperatura crtica

Tpc Temperatura pseudocrtica

UCP Unidade de coqueamento retardado

UDA Unidade de destilao atmosfrica

UDV Unidade de destilao a Vcuo

UFCC Unidade de craqueamento cataltico

iV Volume parcial molar do componente i

Vpc Volume pseudocrtico

VEB Vaporizao por expanso brusca

VR Vapor de retificao

ix Frao molar do componente i

Z Fator de compressibilidade dos gases

Coeficiente de atividade do componente i i

i Coeficiente de fugacidade parcial do componente i Fator acntrico

Captulo 1

Introduo 1.1 Motivao

O petrleo cru ao entrar em uma refinaria, necessita passar por processos fsicos e

qumicos para agregar valor comercial e se transformar em derivados com aplicaes

especficas para o mercado consumidor. Os processos de refino de petrleo podem ser

divididos basicamente em trs: separao, converso e acabamento.

Os processos de separao so mtodos fsicos de refino, dos quais se pode destacar

principalmente a destilao, na qual os componentes do petrleo so separados baseados na

diferena dos seus pontos de ebulio. Outros exemplos importantes de separao so os

processos de absoro, dessoro, adsoro e extrao em fase lquida.

Os processos de converso so aqueles que envolvem reaes qumicas dos

hidrocarbonetos da corrente de carga da unidade, destacando-se o processo de craqueamento

cataltico fluidizado, o qual converte um produto de alto peso molecular e baixo valor

comercial (gasleo de vcuo) em produtos de mais baixo peso molecular, porm de valor

comercial mais elevado (gs liquefeito de petrleo e gasolina, principalmente). Processos

como coqueamento retardado, reforma cataltica, alquilao cataltica, entre outros, tambm

promovem reaes qumicas produzindo derivados com importante aplicao na indstria do

alumnio, petroqumicas e como combustveis, respectivamente.

O acabamento nos derivados do petrleo consiste basicamente em purificar e estabilizar

as correntes de produtos contribuindo para aumentar a vida til, melhorar a aparncia e

20

reduzir os impactos da sua utilizao na natureza. Os principais processos de acabamento so

o hidrotratamento, tratamento custico e recuperao de enxofre.

A Figura 1.1 apresenta um diagrama dos principais processos encontrados em uma refinaria

de petrleo para a produo de combustveis e petroqumicos.

Figura 1.1: Diagrama de blocos tpico de uma Refinaria de Petrleo

O atual cenrio de consumo de derivados de petrleo aponta para uma elevao da

demanda pelas fraes leves, como nafta, leo diesel e querosene de aviao e reduo da

necessidade por fraes pesadas como o leo combustvel.

Paradoxalmente a essa tendncia, as refinarias do Sistema Petrobras tm, nos ltimos

anos, processado uma quantidade cada vez maior de petrleos nacionais, tipicamente mais

21

ricos nas fraes pesadas. Outro fator relevante nesse aspecto que muitas dessas refinarias

foram projetadas para processar leo mais leve, proveniente do exterior.

A primeira unidade de separao a sofrer influncia dessa troca de carga a unidade de

destilao atmosfrica, a qual responsvel pela etapa inicial do refino do petrleo, sendo que

dessa unidade saem correntes de produtos praticamente acabados, como o Querosene de

Aviao (QAV), e correntes que so utilizadas como carga para as unidades subseqentes,

caso do Resduo Atmosfrico (RAT) que enviado para a Unidade de Destilao a Vcuo

onde sofrer novo fracionamento para a produo de novas correntes.

A avaliao do impacto causado em uma unidade de refino pelo processamento de uma

carga com caractersticas dspares das de projeto de fundamental importncia para todos os

setores envolvidos na cadeia de petrleo, desde o nvel operacional at o comercial.

Nesse aspecto, a simulao computacional de processos qumicos encontra um forte

nicho de aplicao, pois pode-se prever o comportamento da unidade sem a necessidade da

realizao de testes in loco, o que reduz os custos e o tempo necessrio para o processamento

dessa informao.

Um simulador de processos pode ser definido como um programa de computador capaz

de emular o comportamento de equipamentos e correntes de um processo qumico, utilizando

para isso equacionamentos matemticos, os quais representam os princpios fsico-qumicos,

relaes empricas e correlaes, alm de um banco de dados contendo parmetros cinticos,

termodinmicos e de fenmenos de transporte que podem representar uma gama muito ampla

de processos de transformao de matria.

1.2 Objetivos Esse trabalho visa implementar a simulao de uma unidade de destilao atmosfrica

de uma refinaria de petrleo capaz de predizer o comportamento da unidade, bem como

prever a composio das fraes efluentes dela frente a mudanas de carga e parmetros

operacionais, com a finalidade de otimizao do processo, ou mesmo planejando uma

ampliao da unidade.

22

1.2.1 Objetivo Geral

Implementar a unidade de destilao atmosfrica em um simulador de processos,

calibrar essa simulao, atravs de ajustes de parmetros operacionais e de equipamentos,

para que seus resultados representem os dados de processo, e utilizar os resultados gerados

para a identificao de gargalos, avaliao de mudana de carga e prever a possibilidade de

aumento de capacidade.

1.2.2 Objetivos Especficos

Elaborar uma simulao em regime estacionrio de uma unidade de destilao atmosfrica (modelo), utilizando como ferramenta o simulador PETROX;

Validar o modelo adotado ajustando-o com dados de projeto e operao atual da unidade;

Selecionar e avaliar cenrios futuros quanto operao otimizada da unidade.

1.3 Estrutura da Monografia. Esta monografia apresenta-se dividida em seis captulos, conforme descritos a seguir:

O captulo 1 trata da introduo ao tema a ser abordado na monografia. No captulo 2

feita uma breve reviso bibliogrfica sobre o processo de destilao, mtodos de simulao de

processos qumicos, modelos termodinmicos utilizados na modelagem de sistemas de

destilao e metodologia de caracterizao de petrleos e suas fraes.

O captulo 3 apresenta a elaborao e validao da simulao da unidade de destilao

atmosfrica (modelo), composta por uma coluna de pr-fracionamento (pr-flash) e uma

coluna de destilao atmosfrica e seus acessrios, para a condio de projeto da unidade.

Para a validao do modelo desenvolvido foram utilizadas simulaes anteriores

desenvolvidas em ferramentas comerciais de simulao de processos. Nesse captulo

tambm apresentada uma descrio da unidade, bem como os modelos termodinmicos

utilizados.

O captulo 4 apresenta o emprego da ferramenta desenvolvida no captulo 3 para um

caso real de operao, visando preparar a ferramenta para a utilizao prtica, sendo

23

apresentada uma discusso das modificaes necessrias para que a ferramenta consiga

representar os dados de planta de forma satisfatria.

O captulo 5 contm a utilizao da ferramenta desenvolvida no terceiro captulo e

aprimorada no captulo 4 para um cenrio futuro de operao da unidade com o objetivo de

prever rendimentos de produtos a partir da carga do cenrio.

Nas concluses tem-se um resumo dos principais resultados obtidos, bem como

sugestes de trabalhos futuros na rea.

Captulo 2

Reviso Bibliogrfica Nesse captulo realizada uma breve reviso sobre os temas relevantes ao

desenvolvimento desse trabalho, tais como processo de destilao, simulao de processos,

modelos termodinmicos e metodologias de caracterizao de petrleo e suas fraes.

2.1 Destilao A destilao o processo de separao fsica mais importante em uma refinaria de

petrleo. Atravs da destilao, podem-se separar fraes de maior aplicao e valor agregado

que a carga inicial, sendo este processo largamente aplicado na produo de combustveis

(GLP, gasolina, querosene, diesel, etc.) e lubrificantes, bem como cargas para outros

processos de separao e converso dentro das refinarias.

Genericamente, o processo de destilao pode ser realizado de trs formas (INDIO DO

BRASIL, 2005a):

Destilao integral; Destilao diferencial; Destilao fracionada.

A destilao integral ou destilao flash realizada em um nico estgio, sendo a carga

separada em uma fase lquida e outra gasosa, admitindo-se que ambas esto em equilbrio

termodinmico. Quando a vaporizao ocorre de forma rpida e sem troca de calor devido ao

abaixamento repentino da presso do sistema, como na passagem de um lquido por uma

25

vlvula redutora de presso, diz-se que a destilao integral ocorre devido vaporizao por

expanso brusca (VEB), sendo a temperatura final da mistura lquido-vapor menor que a

inicial devido ao processo ocorrer de forma adiabtica.

A destilao diferencial (ou em batelada) aquela que ocorre com separao total da

fase vapor do contato com a fase lquida, no existindo relao de equilbrio termodinmico

entre as fases, como por exemplo nos mtodos de ensaio ASTM de destilao de fraes de

petrleo. Ao final de certo tempo teremos um destilado rico nas fraes mais leves da mistura

inicial e um resduo rico nas fraes mais pesadas.

A destilao fracionada ocorre por sucessivas vaporizaes e condensaes de uma

mistura onde, se existir uma diferena de volatilidade entre os componentes da mistura, ir

separar os compostos mais volteis dos menos volteis. Na prtica a juno de vrios

estgios de destilao integral, que permite a obteno de produtos com grau de pureza mais

elevado que os outros processos, sendo esta a destilao empregada em grande parte dos

processos de separao de misturas multicomponentes.

A torre de destilao ento constituda de estgios fsicos, podendo estes estgios

serem compostos por pratos (perfurados, valvulados ou com borbulhadores), recheios

(randmicos ou estruturados) ou chicanas. A escolha de uma ou outra opo ir depender de

fatores como carga da torre, perfil de escoamento do vapor e do lquido ou preferncia do

projetista, sendo usual ultimamente a adoo de sees com pratos aliadas a sees

preenchidas com recheios, buscando melhorar o contato lquido-vapor em trechos especficos

da coluna. As chicanas so menos usuais por no permitirem um bom contato entre o lquido

e o vapor (KISTER, 1992; INDIO DO BRASIL, 2005a).

Em todas as situaes, importante que em cada estgio o vapor borbulhe na corrente

lquida e esta escoe por desnvel at o fundo da torre, evitando situaes operacionais

indesejveis como formao de caminhos preferenciais (reduzindo o contato vapor-lquido,

principalmente em colunas com recheio), inundao dos estgios, arraste de lquido, entre

outros fatores que prejudicam o fracionamento da mistura.

26

2.1.1 A unidade de Destilao Atmosfrica em uma refinaria de petrleo

Aps entrar na refinaria, o petrleo estocado em tanques antes de ser refinado. Nos

tanques normalmente so realizados os blends (misturas de petrleos) com o objetivo de

acertar caractersticas como densidade, teor de contaminantes, separao de gua, entre

outras, a fim de especificar o cru para o perfil de refino da unidade e rendimento de derivados

esperado (que ir depender da campanha de produo de derivados em curso na refinaria).

O cru estocado ento enviado para uma bateria de pr-aquecimento, onde troca calor

com correntes oriundas da destilao atmosfrica e a vcuo, com o objetivo de acertar a

temperatura para o processo de dessalgao, tipicamente em torno de 150C (INDIO DO BRASIL, 2005). Na dessalgao o petrleo inicialmente recebe uma injeo de gua, de

reposio e oriunda da prpria dessalgao, com o objetivo de aumentar a solubilizao na

fase aquosa de sais presentes no cru, diluir a concentrao de sais que sai na gua residual e

auxiliar na desidratao posterior do cru.

Em seguida, a mistura passa por uma vlvula de controle onde, sob uma presso da

ordem de 15 a 20 kgf/cm2 (para evitar a vaporizao dos compostos mais leves), sofre uma

perda de carga de no mximo 2 kgf/cm2 para melhorar a disperso da gua no leo, em

virtude do aumento da turbulncia da mistura na vlvula. A mistura ento entra no vaso de

dessalgao, onde transformadores fornecem tenses da ordem de 15 a 25 kV a eletrodos

imersos no vaso, acelerando a coalescncia das partculas de gua e separao destas do leo.

O vaso opera totalmente cheio, com o leo saindo pelo topo e a gua com sais saindo pelo

fundo. O teor de gua e sedimentos (BSW Basic Sediments & Water) no petrleo

dessalgado normalmente especificado para menos que 0,2% em volume da mistura (INDIO

DO BRASIL, 2005b).

Aps a etapa de dessalinizao e desidratao, o petrleo passa por uma segunda bateria

de pr-aquecimento, trocando calor com correntes de maior temperatura e permitindo uma

economia operacional elevada, pois oferece a vantagem de aquecer a carga com fraes que

se deseja resfriar, economizando o excesso de combustvel que se faria necessrio para o

aquecimento total da carga, alm de oferecer um menor dimensionamento dos fornos

(ABADIE, 2006).

27

Por estar a uma temperatura inferior desejada para adentrar na destilao atmosfrica,

o petrleo deve ento ser aquecido em fornos onde ocorre a vaporizao parcial da mistura,

habitualmente entre 40 e 50% da carga, para o caso de unidades sem torre pr-fracionadora.

Quando a unidade de destilao possui uma torre de pr-fracionamento (prevista para

unidades de destilao de maior porte carga acima de 20.000 m3/d), o petrleo pr-aquecido

pode entrar diretamente na torre, em um forno refervedor ou em um vaso refervedor onde as

fraes mais leves do petrleo so vaporizadas e depois alimentadas na torre.

No primeiro caso, a corrente de fundo da torre pr-fracionadora novamente aquecida

no refervedor e os vapores formados neste retornam para o fundo da torre, enquanto a fase

lquida bombeada para a torre de destilao atmosfrica. No segundo e terceiro caso, a parte

mais pesada da frao vaporizada no refervedor retorna a este pelo fundo da torre, sendo a

frao no vaporizada igualmente bombeada para a torre de destilao atmosfrica. O

refervedor atua como um estgio adicional de equilbrio nas torres de destilao. Algumas

torres tm a facilidade de injeo de vapor dgua de retificao no fundo da torre, a fim de

melhorar o fracionamento entre a nafta leve e a nafta pesada. Neste caso, pode-se at

dispensar o uso do refervedor (INDIO DO BRASIL, 2005a).

O produto de topo da torre pr-fracionadora chamado de nafta leve no estabilizada,

tambm conhecida como nafta instabilizada, por ser uma mistura de nafta leve (ponto de

ebulio em torno de 80C) com gases leves de petrleo (compostos de 3 a 4 carbonos, normalmente destinados a gs liquefeito de petrleo GLP), produto este que apresenta uma

presso de vapor e teor de contaminantes no enquadrados para especificao da gasolina

como produto final, e um teor de compostos pesados (C5+) no enquadrado para

especificao do GLP, da o nome da corrente. Esta corrente enviada para uma torre de

fracionamento estabilizadora ou debutanizadora, onde so separadas as fraes de GLP e

nafta leve.

A nafta leve separada pelo fundo da torre pode ser destinada para diferentes aplicaes:

Compor o pool de gasolina, indo inicialmente para tanque de armazenamento de nafta de destilao atmosfrica, podendo ser tratada ou no no meio do processo;

Nafta petroqumica; Solventes;

28

Fracionamento de nafta, com o objetivo de se obter uma nafta com ponto de ebulio inicial e final especificados para carga da unidade de Reforma Cataltica (produo de compostos aromticos), por exemplo.

A corrente de fundo da torre pr-fracionadora, comumente chamada de cru pr-

fracionado, enviada para fornos de carga da unidade de destilao atmosfrica onde recebe

a carga trmica necessria para ser parcialmente vaporizada e permitir a separao de suas

fraes. A temperatura necessria para a entrada da carga na torre atmosfrica, na seo da

torre chamada zona de flash, aquela que permita a vaporizao da maior parte dos

produtos que sero retirados nas sees superiores regio de entrada da carga, tomando-se o

cuidado de no ultrapassar a temperatura de incio da decomposio trmica das fraes

pesadas do petrleo. Esta temperatura ir depender do tipo de petrleo processado, adotando-

se o valor de aproximadamente 400C (ABADIE, 2006). Na prtica, as torres de destilao operam com temperaturas inferiores a este limite, de forma a otimizar o consumo de gua de

resfriamento para troca trmica dos produtos do topo, como ser discutido adiante.

O petrleo ao entrar na coluna de destilao atmosfrica ser separado pela diferena

entre os pontos de ebulio dos seus componentes em fraes bsicas, a partir do topo da

coluna e supondo uma unidade com torre de pr-fracionamento, conforme a Tabela 2.1.

Tabela 2.1: Pontos de retirada de fraes de petrleo em uma coluna de destilao atmosfrica e temperaturas de ebulio tpicas - ASTM D 86

Local de retirada na torre

Produto Temperatura. inicial de ebulio (C)

Temperatura. final de ebulio (C)

Topo Nafta pesada 80 210 Retirada lateral Querosene 210 270 Retirada lateral Diesel leve (ou Gasleo

atmosfrico leve) 270 300

Retirada lateral Diesel pesado (ou Gasleo atmosfrico pesado)

300 380

Fundo Resduo atmosfrico (RAT) 380 no especificado*

* Esta frao sofre craqueamento trmico a temperaturas mais elevadas.

Os pontos iniciais e finais de ebulio das fraes podem variar entre os valores

apresentados conforme o petrleo processado, a necessidade de produo de derivados ou

condies operacionais especficas de cada unidade de destilao. A Figura 2.1 apresenta de

forma simplificada os principais equipamentos de uma unidade de destilao atmosfrica de

petrleo:

29

Figura 2.1: Fluxograma da unidade de destilao atmosfrica deste trabalho

2.1.2 Variveis operacionais em uma coluna de destilao atmosfrica

Para garantir um fracionamento eficiente em uma coluna de destilao atmosfrica,

necessrio ajustar alguns parmetros internos que apresentam uma grande influncia no

rendimento e qualidade dos produtos obtidos. A seguir sero comentados brevemente alguns

destes parmetros e a influncia destes no processo de fracionamento do petrleo:

Sobrevaporizado: a quantidade de cru que possvel vaporizar funo da carga

trmica fornecida no forno e da presso na zona de flash, considerando que a temperatura de

aquecimento est abaixo do limite de craqueamento. Entretanto, procura-se sempre vaporizar

o cru alm da quantidade retirada como produtos laterais e de topo, para garantir um refluxo

lquido mnimo entre a zona de flash e a prxima retirada lateral (diesel pesado, em uma

coluna atmosfrica) e reter os vapores de hidrocarbonetos pesados que comprometeriam a

qualidade do produto (principalmente cor).

Refluxo de topo: parte da corrente lquida proveniente da condensao dos vapores

que saem pelo topo da coluna, que retorna para o primeiro prato desta. Ele estabelece o

gradiente de temperatura no topo, gerando um refluxo interno lquido para toda a coluna,

auxiliando no fracionamento e especificando a temperatura no topo. Quanto maior o refluxo

30

de topo, melhor o fracionamento dos produtos da coluna, porm maior a carga trmica

necessria para vaporizar e manter a vazo de retirada de produtos.

Refluxo circulante: parte da corrente lquida que sai como produto lateral da coluna

pode ser utilizado para aquecimento de outras correntes de hidrocarbonetos da unidade de

destilao, retornando para a coluna em uma posio superior da retirada. Esta troca de calor

sensvel implica no sub-resfriamento da corrente, retirando calor do interior da coluna e

permitindo a reduo da carga trmica no condensador de topo. Pelo fato de retornar sub-

resfriado, o refluxo circulante piora o fracionamento na coluna, sendo este efeito compensado

pelo aumento no nmero de pratos na etapa de projeto.

Vapor de retificao: o vapor dgua injetado na coluna para auxiliar na vaporizao

dos componentes mais leves de cada corrente lateral e do produto de fundo. Como o vapor

dgua geralmente no condensa nas condies de operao e tendo em vista que a presso

total do sistema permanece a mesma, a sua injeo acaba resultando na reduo da presso

parcial dos componentes mais volteis de acordo com a lei de Dalton, efeito equivalente a

aplicar vcuo na coluna (WALAS, 1985). Esta prtica largamente empregada nas colunas de

destilao de petrleo, visto que a gua praticamente imiscvel com os hidrocarbonetos,

formando fases distintas nos vasos de separao e facilitando a separao. A injeo de vapor

implica tambm em uma maior carga trmica no condensador de topo para promover a

condensao da gua.

2.2 Simulao de Processos Qumicos Simulao de um processo, simplificadamente, pode ser definida como a codificao

matemtica de um processo qumico ou operao unitria, com o objetivo de prever seu

comportamento sem a necessidade de realizao de experimentos e testes em unidade piloto

ou industrial (EDEN E ABDELHADY, 1988).

A simulao envolve a resoluo de um modelo capaz de representar os principais

aspectos do processo analisado. Este modelo pode ser fenomenolgico, baseado em princpios

fsicos fundamentais ou estritamente emprico, baseado em dados do tipo entrada/sada

medidos diretamente no sistema real ou em uma representao equivalente em menor escala

(EDGAR e HIMMELBLAU, 1988).

31

O escopo de uma simulao pode envolver o acompanhamento do processo investigado

em regime estacionrio ou dinmico. A simulao de processos em regime estacionrio uma

tecnologia consolidada, sendo largamente utilizada na indstria de processos qumicos e na

indstria do petrleo desde a dcada de 60. A simulao dinmica de processos de uso mais

recente, com aplicaes na rea de controle de processos e treinamento de equipes de

operao (plantas virtuais).

2.2.1 Simuladores Estacionrios de Processos Qumicos

Simuladores de processo so ferramentas de extrema importncia, pois permitem a

avaliao de projetos, verificao de novos procedimentos e possibilidades de otimizao,

entre outras aplicaes, de forma sistemtica e relativamente simples e rpida, demandando

uma frao dos recursos utilizados em testes em escala industrial ou piloto. A crescente

demanda, por parte de indstrias e universidades, por esses pacotes tem impulsionado a

melhoria na qualidade desses programas.

Apesar da popularizao dessas ferramentas nos ltimos anos, simuladores de processo

j so desenvolvidos a mais de 50 anos (PELEGRINI, 2003). Os primeiros modelos para

operaes de unidades foram desenvolvidos nos anos 50, sendo executados em computadores

rudimentares para os padres atuais de processamento de dados.

O sistema Flexible Flow, apresentado em 1958 pelo grupo industrial M. W. Kellog

Corp, calculava de forma seqencial uma associao de equipamentos, utilizando a sada de

um equipamento como entrada para o equipamento a jusante. No caso de reciclos, era

necessrio realizar um procedimento iterativo. Essa metodologia de resoluo tornou-se

conhecida como modular seqencial (KESLER e KESSLER, 1958, em PELEGRINI, 2003).

Na dcada de 60 houve um grande esforo de desenvolvimento desse tipo de simulador,

sendo desenvolvidos mais de 200 por diferentes empresas. Esses sistemas demandavam um

grande grupo de pessoas, atuando no desenvolvimento e manuteno dos mesmos.

Paralelamente, no meio acadmico, diversos pesquisadores desenvolveram conceitos e

mtodos para sistemas baseados em equaes. A idia dessa famlia de mtodos que ao

invs de os modelos ou subsistemas compartilharem suas solues, eles compartilham suas

equaes. As equaes eram reunidas em um bloco nico por um gerenciador, que permitia a

obteno da soluo de forma direta.

32

A idia do seqenciamento modular sofreu um aprimoramento na dcada de 70, com a

utilizao de mtodos mais avanados para a decomposio e soluo de processos, que

resultou no conceito de soluo modular dinmica. Basicamente nesse processo, as unidades

so tratadas exatamente como no caso da metodologia modular seqencial, porm a soluo

de todo o processo executada de forma global simultnea, e no mais separadamente. Alm

disso, a incorporao de novos algoritmos e modelos mais gerais, bem como mtodos

numricos mais sofisticados contriburam para o desenvolvimento dessa classe de

simuladores. Um resultado desse desenvolvimento foi o projeto ASPEN do MIT

(Massachusetts Institute of Technology).

Os sistemas baseados em equaes sofreram grande desenvolvimento em funo,

principalmente, do seu uso em otimizao de processos, sendo implementados mtodos mais

robustos de resoluo, como algoritmos seqenciais quadrticos (PELEGRINI, 2003). Outro

fato marcante que contribuiu no desenvolvimento dessas ferramentas foi o aperfeioamento

no campo da engenharia de software e o rpido desenvolvimento da indstria de

semicondutores, levando a produo de processadores cada vez mais rpidos e acessveis.

O desenvolvimento de simuladores, atualmente, est a cargo de empresas

especializadas, as quais utilizam tanto a abordagem modular quanto a baseada em equaes,

sendo ainda o tratamento modular predominante, porm em funo da complexidade dos

problemas atuais, podendo conter dezenas e at centenas de milhares de equaes, v-se uma

movimentao na direo do desenvolvimento de ferramentas baseadas na abordagem em

equaes (PELEGRINI, 2003).

2.2.2 Ferramentas de Simulao Estacionria e a Indstria de Processos

O desenvolvimento das ferramentas de simulao de processos foi notrio nas ltimas

dcadas, sendo um grande auxiliar no estudo, projeto e acompanhamento dos mais diversos

processos industriais. Destaca-se neste sentido, o barateamento da capacidade computacional,

possibilitando seu uso em computadores pessoais, a disponibilidade de vrios softwares

comerciais, um amplo conjunto de operaes unitrias associado a quase infinitas

possibilidades de interconexes, a aplicao de novos algoritmos de convergncia alm de

vastos bancos de dados e inmeros modelos termodinmicos. Alm disso, a utilizao de

interfaces amigveis dos programas disponveis, facilidade de entrada de dados e o

33

automatismo da utilizao difundiram o seu uso e sua aplicao gerando uma grande

quantidade de resultados com um mnimo de esforo e em um tempo relativamente curto.

Segundo Eden e Abdelhady (1988) existem vrias vantagens na utilizao de

simulaes, dentre as quais citam:

Permitem aos projetistas testar rapidamente a performance de uma configurao de processo;

Permite o desenvolvimento de processos otimamente integrados; Minimiza os custos experimentais e de mudana de escala; Permite explorar as flexibilidades e sensibilidades do processo; Modela quantitativamente e permite avaliao da performance dos processos.

Banks e Gibson (1996) apresentam um guia rpido para o desenvolvimento de uma

simulao, composto por 12 etapas bsicas, abordando desde a definio do problema,

entendimento do sistema a ser simulado, conhecimento e treinamento na ferramenta de

simulao escolhida, at a importncia da anlise dos dados necessrios e disponveis e

desenvolvimento de consideraes e simplificaes.

Apesar de as ferramentas de simulao atuais apresentarem um nvel de

desenvolvimento elevado, elas podem encontrar barreiras importantes na tentativa de

reproduzir perfeitamente dados industriais reais. Sowell (1998) agrupa em trs grandes grupos

os motivos que podem limitar a acurcia das predies da simulao em relao a dados de

processo reais.

O primeiro se refere a erros inerentes simulao, originados na etapa de

desenvolvimento do modelo, pois para isso so utilizadas inmeras consideraes e

simplificaes, tais como considerar que a separao em um prato de uma coluna se

desenvolva em equilbrio, e que o sistema modelado possa ser assumido como adiabtico.

Dentro dessa classe pode-se ainda incluir erros referentes as limitaes dos modelos

termodinmicos e cinticos envolvidos. Neste sentido, destaca-se a considerao de estado

estacionrio. Plantas industriais raramente, ou mesmo nunca, esto em estado estacionrio. Os

erros provocados por essa considerao sero tanto menores quanto mais prximo a planta

estiver do estado estacionrio. Pode-se ainda incluir nessa classe a prerrogativa do processo

instantneo, ou seja, o negligenciamento da dinmica do processo.

34

O segundo grupo de erro apresentado pelo autor se refere aos erros referentes a

informaes fornecidas pela instrumentao de processo e dados de laboratrio. Como

conseqncia, os dados utilizados para calibrar e rodar a simulao podem apresentar

problemas.

O terceiro grupo responsvel pela discrepncia entre os valores gerados por uma

simulao e os realmente fornecidos pela planta so os erros originados por uma aplicao ou

construo incorreta da simulao. Geralmente uma simulao desenvolvida para uma

configurao particular do processo, enquanto que na planta pode-se operar, dependendo do

alinhamento utilizado, com diversas configuraes, dependendo das demandas e condies do

processo. Nesse grupo agregado tambm o erro originado pelo mau desenvolvimento de

uma simulao, resultado da falta de conhecimento do processo do responsvel pela

elaborao.

Portanto, estes fatos no garantem que qualquer simulao possa ser considerada um

retrato fiel da realidade. importante ressaltar que a diferena entre um talentoso usurio de

simuladores de processo e um gerador de caso de estudos a habilidade de gerar simulaes

plausveis, ligadas realidade definida pelas leis fundamentais da qumica e da fsica

(AGARWAL, 2001). Assim, preciso ter conscincia do que se passa internamente no

programa a fim de analisar criticamente os resultados, sabendo das suas concordncias com o

mundo real e tambm os seus limites de aplicao.

O problema que nem sempre o usurio possui conhecimento dos passos assumidos

pelo simulador, a partir de alguns poucos dados de entrada. A Tabela 2.2 (AGARWAL, 2001)

demonstra como exemplo o encadeamento de etapas na simulao de um flash, abordando as

suposies, fundamentais para o clculo, mas que no entanto dependem muito pouco do

usurio, sendo at mesmo ocultas.

Em sntese, ao se utilizar uma simulao necessrio considerar alguns aspectos, como:

No confiar inadvertidamente nos resultados de qualquer ferramenta de simulao;

A qualidade das respostas geradas depende fortemente dos dados de entrada fornecidos;

Sempre analise as respostas e verifique se as mesmas fazem sentido, ou seja, esto de acordo com os princpios fsico-qumicos e termodinmicos.

35

Tabela 2.2: Passos para simulao de um flash

Ao Objetivo Aes Ocultas - Selecionar modelos de entalpia, entropia e Capacidade Calorfica - O volume parcial molar definido para a fase lquida - Um mtodo de extrapolao para o volume molar do componente puro alm da Temperatura Crtica definido - So definidas as regras de mistura para as entalpias - Os modelos de massa especfica do lquido e do vapor so selecionados - Os modelos para as propriedades de transporte so selecionados

Escolher o modelo termodinmico NTRL/Virial

Indicar ao simulador as equaes para realizar os

clculos de equilbrio

- Mtodos de extrapolao para todas as propriedades fsicas so padronizados - Recuperar do banco de dados de componentes puros as propriedades fsicas. - As propriedades recuperadas podem j ser estimativas, sendo que muitas vezes o critrio de estimao no disponibilizado. - As propriedades no recuperadas so estimadas. Aplicabilidade depende do tipo de substncia qumica presente. - As entalpias de mistura restantes so calculadas - Recuperar de uma base de dados os parmetros de interao binrio e constantes de Henry. Os parmetros podem ou no ser aplicveis a condio de interesse.

Selecionar os componentes da lista

de componentes

Definir a mistura que potencialmente estar presente na simulao

- Parmetros de interao para os pares subcrticos binrios so estimados. - As presses de vapor so calculadas. Extrapolaes so realizadas se as temperaturas estiverem alm dos limites. - As constantes de Henry so calculadas. Extrapolaes so realizadas se as temperaturas estiverem alm dos limites. - Coeficientes de atividade so calculados. Normalmente as extrapolaes so realizadas sem verificar os dados utilizados para a determinao dos parmetros de interao. - Entalpias, entropias e capacidades calorficas so calculadas. Dependendo da temperatura, os componentes subcrticos podem ultrapassar a temperatura crtica e extrapolaes para a entalpia de vaporizao so realizadas.

Definir presso, temperatura e composio

Determinar o estado termodinmico da mistura

- As propriedades de transporte so calculadas. Normalmente, pouca ou nenhuma informao experimental para a mistura est disponvel para auxiliar as estimativas.

2.2.3 Simulao de Destilao Multicomponente

As ferramentas de simulao so de fundamental importncia para processos

complexos, que de outra forma seriam extremamente laboriosas ou mesmo impraticveis. Um

exemplo tpico dessa classe de processo so as destilaes multicomponentes.

36

O clculo de sistemas de separao para misturas binrias foi desenvolvido h mais de

um sculo (GORAK et al, 1990). As idias para a extenso dessas tcnicas para o caso

multicomponente foram desenvolvidas durante a dcada de 30, porm em funo do elevado

nmero de clculos necessrios, elas somente se tornaram popular a partir do

desenvolvimento dos primeiros computadores.

Gorak et al. (1990) apresentam as duas principais classes para o clculo, ou simulao,

de destilaes multicomponentes, a Metodologia Integral e a Metodologia Diferencial. O

mtodo integral utiliza o conceito de prato terico para permitir a simulao, j o mtodo

diferencial utiliza conceitos de transferncia de massa.

Na metodologia integral, o modelo matemtico utilizado fundamentado no balano de

massa e energia, utilizando o conceito de prato terico para relacionar a composio entre as

fases em cada estgio. No caso de colunas de recheio, o procedimento adaptado atravs do

parmetro HETP (Height Equivalent Theorycal Plate). A soluo obtida atravs da

resoluo de um sistema algbrico de equaes, o qual resulta em perfis de fluxo de massa e

concentrao ao longo da coluna para todos os componentes.

O conceito de HETP, segundo Kister (1992), foi introduzido para que se pudesse

comparar a eficincia de torres de recheio e de pratos e definido pela Eq. 2.1, sendo H a

altura do leito recheado e o nmero de estgios ideais. n

nHHETP = (2.1)

A utilizao de estgios tericos para a realizao de uma simulao, segundo Lockett

(1986), um primeiro passo na avaliao de um sistema de destilao. O nmero de estgios

tericos determinado em funo da separao das correntes desejada na coluna. Uma vez

determinado o nmero de estgios tericos pode-se estimar o nmero de pratos reais/altura do

recheio atravs da adoo de uma eficincia de separao.

Diversos conceitos de eficincia foram propostos ao longo dos anos (LOCKETT, 1986),

sendo que quanto mais rigorosa e aceita a definio da mesma, mais difcil seu uso prtico.

Exemplo disso a Eficincia por Seo ( ), que apesar de simples e de fcil utilizao, no

faz sentido para sistemas multicomponentes, onde as Eficincias Padres so conceitualmente

0E

37

mais corretas, mas no so utilizadas nos projetos. Mais detalhes e outras definies do

conceito e aplicao do conceito de eficincia podem ser encontrados em Lockett (1986).

A direta incorporao das equaes para clculos de eficincia de prato nem sempre

utilizada no mtodo integral por duas principais razes, primeiro que a determinao da

eficincia para cada um dos componentes em um destilao multicomponente no uma

tarefa simples e segundo que a incorporao do conceito de eficincia no conjunto de

equaes a serem resolvidas agrega problemas numricos adicionais. De modo a representar

as diferenas entre o modelo ideal, cuja eficincia de separao completa, utiliza-se

conceitos de eficincia global por estgio, como a eficincia de Murphree.

O mtodo diferencial parte de balanos de massa e energia em um elemento diferencial

ou finito do filme bifsico contido no prato ou recheio, levando em conta as taxas de

transferncia de massa (GORAK et al. 1990). A soluo do perfil axial de concentraes

realizada atravs da soluo numrica dos balanos de massa e energia e a matriz de equaes

relacionada transferncia de massa. Apesar de mais prximos realidade, a utilizao de

modelos baseados na metodologia diferencial em simuladores de processo restrita em

funo de sua maior complexidade.

A soluo numrica das equaes dos modelos baseados na metodologia integral,

segundo Morris et al. (1988), pode ser obtida por dois tipos principais de mtodos. O primeiro

utiliza o mtodo de Newton para a soluo dos balanos de massa e energia e as equaes de

equilbrio. Os autores afirmam que, apesar desse mtodo ser robusto e no apresentar

problemas srios de convergncia, ele utiliza muita memria e demanda um elevado esforo

computacional.

Em 1983, Russel introduziu um algoritmo que resultou em um mtodo mais eficiente

computacionalmente, possibilitando a soluo dos sistemas de equaes resultantes de uma

destilao multicomponente de forma mais rpida e com menor demanda por memria.

O algoritmo apresentado membro da famlia dos mtodos inside-out. Essa famlia de

mtodos composto por dois laos de convergncia. O lao interno utiliza modelos

simplificados de propriedades para a resoluo dos balanos de massa e energia. Uma vez que

o lao interno tenha convergido para uma soluo aproximada, um modelo rigoroso de

clculo de propriedades utilizado para a correo dos parmetros dos modelos simplificados

utilizados no lao interno.

38

O lao interno recalculado com os novos parmetros e o processo repetido at que

no hajam diferenas significativas entre as propriedades calculadas pelo lao interno, que

utiliza modelos simplificados, e as propriedades calculadas pelo lao externo, que utiliza

modelos rigorosos para as propriedades.

Apesar de os mtodos inside-out no serem matematicamente to elegantes quanto os

mtodos tradicionais de resoluo, sua performance significativamente melhor, sendo que o

tempo de resoluo chega geralmente a uma ordem de grandeza menor que os demandados

pelo mtodo de Newton (MORRIS et al., 1988)

2.3 Equilbrio de Fases O estudo do equilbrio termodinmico muito importante na indstria de processos

qumicos, uma vez que inmeras etapas destes podem envolver condies prximas do

equilbrio ou foram projetadas considerando-se que o equilbrio atingido, ou se diz qual a

relao da condio atingida com a de equilbrio. Embora em muitos casos este nunca seja

atingido por motivos prticos, importante seu conhecimento, uma vez que este representa o

limite termodinmico de um dado processo.

A termodinmica se preocupa amplamente com as relaes entre as vrias propriedades

dos sistemas em equilbrio, e as diferenas entre estas propriedades em estados de equilbrio

distintos. Como exemplo, temos as equaes de estado entre presso, temperatura e volume

que fornecem as relaes entre estas propriedades em cada estado de equilbrio, mesmo que

outras condies intermedirias tenham sido obtidas at se atingir o equilbrio

(WALAS,1984).

Num sistema composto por uma substncia pura, em uma nica fase, o estado de

equilbrio caracterizado quando ocorre um mximo de entropia ou um mnimo das funes

de energia (energia interna, energia de Gibbs, energia de Helmholtz e entalpia), quando

especificadas outras duas propriedades termodinmicas pertinentes a uma dada equao

fundamental (WALAS,1984).

Quando h mais de uma fase em contato, o equilbrio ocorre quando obtida a

igualdade entre as temperaturas e presses destas, e, decorrente da minizao da energia de

Gibbs, quando potencial qumico de cada componente, em cada fase, seja igual. Assim, numa

situao em que o equilbrio trmico e de presses j tenham sido obtidos, as concentraes

39

dos componentes iro variar, at que os potenciais qumicos sejam iguais, atingindo-se o

chamado equilbrio difusivo.

O procedimento prtico da determinao do equilbrio facilitado pela introduo do

conceito de fugacidade e dos coeficientes de fugacidade. Tal propriedade originria da

variao da energia de Gibbs, em um processo isotrmico, e, para o componente i de uma

dada mistura, obtida pela Eq. 2.2 (WALAS,1984):

dPVfdRTGd iii == ln (2.2) onde,

iG - energia de Gibbs parcial molar do componente i

R - constante dos gases

T - temperatura

if - fugacidade parcial do componente i na mistura

iV - Volume parcial molar

P - Presso do sistema

Analogamente ao potencial qumico, o equilbrio difusivo atingido quando ocorre a

igualdade entres as fugacidades de cada componente em todas as fases de um determinado

sistema.

O coeficiente de fugacidade parcial de um componente i de uma mistura definido pela

razo entre a fugacidade deste e o produto da presso total e da frao molar deste

componente.

Pxf

i

i

= (2.3)

onde,

i - coeficiente de fugacidade parcial do componente i na mistura ix - frao molar do componente i na mistura

A definio de um estado padro de referncia adequado facilita a caracterizao das

variaes das propriedades de energia (e.g. H , G , S , entre outros). A utilizao da

40

fugacidade em uma condio padro introduz o conceito de atividade. Partindo-se da equao

para a variao da energia de Gibbs (Eq. 2.2) entre o estado padro e um outro qualquer, no

caso de uma mistura temos (WALAS,1984):

iiii aRTGffRTGG ln)/(ln000 +=+= (2.4)

onde , denominada de atividade. Outra propriedade importante o

coeficiente de atividade, definido por:

0/ iii ffa =

(2.5) 0/ iiii fxf=onde,

i - coeficiente de atividade 0

if - fugacidade na condio padro

A determinao da fugacidade nos estados padro realizada diferentemente para gases

e para lquidos. Para gases, definido como aquele estado na qual a fugacidade igual

unidade, tornando o valor numrico da atividade igual fugacidade. Para lquidos, usa-se o

artifcio de igualar a fugacidade do vapor e do condensado em equilbrio no ponto de

saturao, obtendo-se:

(2.6) SatiSat

iSat

i Pf =O estado padro definido como aquele da substncia pura, na presso e temperatura do

sistema. Considerando a presso de vapor na temperatura do sistema ( SatP ), o ajuste da

fugacidade para a presso do sistema realizado pela Eq. 2.7:

)()/(exp0 PFPdPRTVff SatiSati

P

P iLSat

ii Sat =

= (2.7) onde

= PP iLi Sat dPRTVPF )/(exp)( (2.8) Este ltimo termo chamado de correo de Poynting, que corrige a fugacidade da fase

liquida da presso de saturao at a presso do sistema, sendo que a presses moderadas

igual unidade.

41

A seguir ser discutida a aplicao dos conceitos supracitados na obteno das relaes

de equilbrio entre fases, sendo discutida o equilbrio lquido-vapor, que est diretamente

ligado com o foco deste trabalho.

2.3.1 Equilbrio Lquido-Vapor

A condio de equilbrio entre o lquido e o vapor obtida quando ocorre a igualdade

entre as presses, temperaturas e fugacidades parciais de cada componente em cada fase.

Considerando-se apenas uma fase lquida e uma fase vapor temos:

(2.9) iLiV ff =Transformando a Eq. 2.9 em termos de coeficientes de fugacidade obtemos:

(2.10) iLiiVi xPy =onde os coeficientes de fugacidade podem ser obtidos a partir de equaes de estado, como

mostraremos a seguir. Quando no possvel determin-lo para a fase lquida ou este

apresenta um erro muito grande, usa-se o coeficiente de atividade, resultando em:

(2.11) iSat

iSatiiiiLiiiVi PFPxfxPy )( ==

Esta equao (Eq. 2.11) usualmente escrita de modo explicitar a proporcionalidade

entre a composio entre as fases, sendo a equao bsica para a determinao de

composies na fase liquida e vapor.

iiV

iSat

iSatii

i xPPFPy

)(= (2.12)

Contudo, como os coeficientes de atividade e fugacidade parciais dependem da

composio de cada fase, assim como da temperatura e da presso do sistema, a determinao

das composies das fases pode ser realizada por aproximaes sucessivas. Ocasionalmente,

algumas aproximaes so pertinentes, como prximo da unidade para presses

moderadas e a razo entre os coeficientes de fugacidade se aproxima da unidade em boa parte

dos casos (WALAS,1984).

iPF )(

42

2.3.2 Equaes de Estado

As relaes matemticas entre as variveis presso (P), volume molar (VM),

temperatura (T) e composio de uma dada mistura so chamadas equaes de estado. Sua

descrio remonta aos primrdios da termodinmica, onde estudos do comportamento dos

gases rarefeitos geraram a teoria dos gases ideais. Assim, foi obtida uma relao entre

variveis de estado P, V e T, tendo como fator de proporcionalidade a constante dos gases

ideais ( R ).

RTPVM = (2.13) Tal teoria desconsidera a interao entre molculas assim como dimenses atmicas, o

que no deixa de ser uma boa aproximao, para situaes de baixas presses. Uma primeira

tentativa de contabilizar as no idealidades foi a insero do fator de compressibilidade (Z)

que nada mais que a razo entre o volume molar do gs real e do gs ideal, sob as mesmas

condies.

RT

PVVVZ MGI = (2.14)

No entanto, estes modelos ainda no prevem a existncia de uma fase lquida, o que

gera grandes desvios conforme estes se aproximam da presso de saturao.

O desenvolvimento de equaes de estado cbicas teve um grande papel, pois alm de

preverem o comportamento do estado gasoso e lquido, descreviam o ponto crtico onde no

h diferena entre os volumes especficos de ambas as fases. O equacionamento desenvolvido

por van der Waals possua um fundo terico atribuindo termos de atrao e repulso das

molculas que corrigiam as no idealidades dos sistemas. Tal modelo foi desenvolvido

utilizando dois parmetros, em que todos os fluidos que estivessem nas mesmas coordenadas

reduzidas possuam as mesmas propriedades fsicas. Os parmetros redutores normalmente

so a temperatura e presso crticas. Apesar de uma melhor descrio, este modelo ainda no

apresenta preciso requerida para a maior parte das aplicaes de engenharia.

( ) RTbVV

aP MM

=

+ 2 (2.15)

43

A relao de van der Waals representada pela Eq 2.15, onde o parmetro de

atrao e b o parmetro repulsivo, de volume residual ou covolume, caractersticos para

cada substncia, determinados a partir de sua presso e temperatura crtica.

a

Redlich e Kwong (1949) fizeram adaptaes ao equacionamento de van der Walls,

introduziram a variao do parmetro com a temperatura, a fim de se conseguir melhor

ajuste de sua equao cbica. A proposio continuava utilizando dois parmetros de reduo,

presso e temperaturas crticas, e, mesmo apesar dos avanos na representao de gases e

lquidos simples, ainda no era satisfatrio para clculos de engenharia (AGARWAL et al,

2001).

a

Soave (1972) props uma modificao equao de Redlich e Kwong, sugerindo uma

nova parametrizao, adicionando um terceiro parmetro, o fator acntrico , o que tornou esta equao de estado precisa o suficiente para aplicao nas condies normais de

utilizao, pois abria mais um grau de liberdade para os diferentes estados de

correspondncias anteriormente tratados como homlogos. Tal parmetro permitiu uma

melhor reproduo dos dados experimentais prximos da condio de saturao das

substncias. Seu uso se difundiu largamente, sendo aplicada inclusive na rea de refino de

petrleo, principalmente por necessitar poucos dados de entrada (temperatura crtica, ,

presso crtica, , e fator acntrico,

cT

cP ) (AGARWAL et al, 2001).

Outros modelos seguiram na mesma linha, destacando-se o de Peng e Robinson (1976),

na busca de uma melhor predio das massas especficas de lquidos. Tambm foi testada a

insero de mais parmetros, visando correlacionar contribuies de variveis como o

momento dipolar e raio de girao da molcula, por exemplo; no entanto esses no trouxeram

benefcios significativos. A generizao dos modelos das equaes de estado cbicas citadas e

seus parmetros so dados pela Eq. 2.16 e pela Tabela 2.3 (RIAZI, 2005a).

Segundo Riazi (2005a), as principais razes para o sucesso das equaes de estado

cbicas so: uma ampla faixa de representao satisfatria tanto da fase lquida quanto da fase

vapor, a simplicidade matemtica e tambm a possibilidade de clculo dos seus parmetros a

partir das constantes crticas e do fator acntrico. Como limitaes, estas equaes apresentam

problemas na representao de sistemas que fogem muito da idealidade e altamente polares.

44

2

212 bubVuV

abV

RTPMMM ++

= (2.16)

caa = (2.17) A aplicao de equaes de estado em sistemas multicomponentes tambm depende da

adequada escolha das regras de mistura, de forma a melhor representar a contribuio de que

cada componente e dos parmetros de interao binria, que definem como cada par de

componente se interferem mutuamente.

Tabela 2.3: Coeficientes da forma geral das equaes cbicas de van der Waals (vdW), Redlich-Kwong (RK), Soave-Redlich-Kwong (SRK) e de Peng-Robinson (PR).

Equao 1u 2u ca b vdW 0 0

c

c

PTR

6427 22

1 c

c

PRT8

RK 1 0 c

c

PTR 2242748,0

21rT

c

c

PRT

808664,0

SRK 1 0 c

c

PTR 2242748,0

22

11(1

+ rTf

2176,0574,148,0 +=f cc

PRT

808664,0

PR 2 -1 c

c

PTR 2245724,0

22

11(1

+ rTf

22699,05422,137464,0 +=f cc

PRT

807780,0

No caso de fraes de petrleos, onde a caracterizao dos componentes se d atravs

de pseudocomponentes, o mtodo de obteno das propriedades pseudocrticas tambm

decisivo. Entre esses mtodos destacam-se o de Twu (1984), Lee Kesler (1976), Riazi-

Daubert (1987), adotado pelo API Technical Data Book (1987) e Cavett (1962), sendo que o

primeiro apresenta melhores resultados quando comparado com dados experimentais (Manual

PETROX, 2006).

Os principais avanos para uma melhor descrio do comportamento dos mais diversos

sistemas foram realizados na obteno de parmetros de interao mais representativos, ou de

correlaes que possam descrev-los em funo das caractersticas bsicas dos componentes

da mistura. Com este objetivo, destacamos os trabalhos de Kabadi-Danner (1985), para

parmetros de interao binrios entre a gua e hidrocarbonetos, as tabelas do API TDB

(1994) para hidrocarbonetos com gua, sulfetos e gases leves e de Wilson e Gantz (1978) para

45

hidrocarbonetos, gua e gases altamente polares, como NH3 e H2S, todos estes implementados

no simulador de processo PETROX (Manual PETROX, 2006).

De uma maneira geral a seleo bsica do tipo de modelo termodinmico deve ser

realizada com base nos tipos de componentes em estudo e as origens em que estes modelos se

basearam. Kyle (1999) sugere como referncia a Tabela 2.4 para seleo (ZYGULA, 2001).

Tabela 2.4: Sugesto de modelos termodinmicos para cada tipo de sistema.

Sistema Modelo Termodinmico Todos os gases, solues apolares PR, SRK

Moderadamente no-ideal, solues polares NRTL, Wilson, Van Laar Altamente no-ideal, sistemas polares NRTL, UNIQUAC

Os modelos termodinmicos de Wilson, Van Laar, NRTL (Non-Random Two Liquid) e

UNIQUAC (Universal Quasi-Chemical Equation), por tratarem de sistemas que fogem do

escopo deste trabalho, no so descritos aqui. Sugere-se como bibliografia para o

aprofundamento destes temas as obras de Walas (1984) e Kyle (1999).

2.4 Caracterizao de petrleo e suas fraes O petrleo composto principalmente por hidrocarbonetos nas fases lquida e gasosa ou

da mistura destas fases. Analisando correntes de petrleo produzidas a partir de seus

reservatrios podemos encontrar na sua composio hidrocarbonetos que vo desde o metano

at hidrocarbonetos pesados com dezenas de tomos de carbono em suas molculas

(RIAZI, 2005b).

Aps ser extrado do poo, o petrleo passa pelo processamento primrio, ainda no

campo de produo, para separao dos gases leves, gua e impurezas, quando a corrente de

petrleo atinge ento as condies necessrias para o seu transporte e posterior refino. Essa

corrente tratada denominada ento de leo cru ou simplesmente cru. O cru enviado para as

refinarias para que atravs de processos de separao, converso e tratamento possa dar

origem a produtos intermedirios, chamados fraes de petrleo, que iro compor os

derivados de petrleo, como GLP, gasolina, leo diesel, querosene, etc.

Com a finalidade de projetar, otimizar e operar unidades de processamento de petrleo

obtendo-se derivados com as caractersticas desejadas de maneira rentvel, faz-se necessrio o

conhecimento de algumas propriedades do cru, das fraes de petrleo e tambm dos

derivados. Dessa maneira, necessrio caracterizar-se as correntes de petrleo que entram e

46

saem das unidades de processamento bem como o comportamento das mesmas dentro das

unidades.

A caracterizao de petrleos e suas fraes pode ser classificada como qumica ou

fsico-qumica. A caracterizao qumica pode ser feita de modo completo apenas para

fraes leves, sendo incompleta para as demais fraes devido ao grande nmero de espcies

qumicas que as compem. A caracterizao fisico-qumica, de maior interesse no

desenvolvimento deste trabalho ser descrita mais detalhadamente nas sees subseqentes.

2.4.1 Caracterizao fsico-qumica de petrleo e suas fraes

Caracterizar fsico-quimicamente uma substncia ou frao de petrleo significa

definir seu comportamento nos processos em diferentes condies operacionais, avaliando

propriedades como reatividade, afinidade, incompatibilidade, estabilidade, facilidade para

vaporizar, facilidade para cristalizar, facilidade para escoar, solubilidade, etc

(FARAH, 2006).

Essas propriedades podem ser teis para o acompanhamento da qualidade dos produtos

e eficincia de processos de refino. Elas tambm so usadas como parmetros de projeto de

novas unidades, revamps e otimizao de unidades j existentes. Nesse contexto, elas so

utilizadas como dados de entrada e parmetros estimados por simuladores como PETROX,

HYSYS, entre outras aplicaes.

As propriedades de correntes de petrleo podem ser dividas em dois grandes grupos:

Propriedades independentes da temperatura ou obtidas em uma condio de referncia: densidade API, curva PEV, massa molar, ndice de refrao, fatores de caracterizao como fator de Watson, composio, ponto de fulgor, ponto de anilina, fator acntrico, temperatura crtica, presso crtica, volume crtico, etc.;

Propriedades dependentes da temperatura: massa especfica, presso de vapor, entalpia, entalpia de vaporizao, entalpia de reao, viscosidade, condutividade trmica, tenso superficial, difusividade, fugacidade, etc.

Geralmente as propriedades independentes da temperatura so essenciais para

estimativa de outras propriedades fsicas, qumicas e termodinmicas relevantes.

Propriedades de fraes e derivados de petrleo como densidade, curvas de destilao e

viscosidade, podem ser facilmente obtidas experimentalmente, porm outras propriedades

47

como, por exemplo, as propriedades pseudocrticas, devem ser estimadas atravs de

correlaes, pois no podem ser obtidas de forma experimental.

2.4.2 Caracterizao fisico-qumica de leos Crus

O cru, apesar de ser produto originrio do tratamento primrio, possui em sua

composio hidrocarbonetos que vo deste o metano at asfaltenos de alta massa molar, alm

de impurezas como compostos sulfurados, gua, sais, etc. claro que o percentual de gases

leves e impurezas menor que o existente em correntes de petrleo originrias de

reservatrios.

A completa caracterizao de crus obtida atravs de dados experimentais e

propriedades estimadas a partir de equaes de estado e outras correlaes apresentadas em

mtodos de clculo para fraes de petrleo de composio molar conhecida e desconhecida,

como apresentada na Figura 2.2.

Figura 2.2: Caracterizao de leos crus

2.4.3 Caracterizao fsico-qumica de fraes de petrleo

Fraes de petrleo so misturas de hidrocarbonetos compreendidas em uma faixa de

ebulio. A partir de propriedades bsicas de fraes de petrleo obtidas por mtodos

experimentais, pode-se calcular outras propriedades no medidas experimentalmente. Para

tanto utilizam-se correlaes desenvolvidas a partir das utilizadas para estimar propriedades

de hidrocarbonetos puros. Essa metodologia a utilizada em simuladores de processo.

Os simuladores fazem uso geralmente de dois mtodos de caracterizao de fraes de

petrleo: um para fraes com composio definida (normalmente aplicado a fraes

compostas por gases leves e compostos puros) e outro para as de composio indefinida

(por exemplo, fraes C7+), das quais algumas propriedades da mistura so conhecidas.

48

Normalmente os percentuais molares, mssicos e volumtricos de hidrocarbonetos

puros com at 6 tomos de carbono na molcula e contaminantes como: H2S, NH3, H2O so

obtidos experimentalmente. A partir da, ou seja, para fraes do cru compostas por

hidrocarbonetos com mais de 6 tomos de carbono na molcula, denominadas de frao C7+,

torna-se invivel obter-se o percentual de cada componente puro existente na frao, devido a

diversidade de compostos com o mesmo nmero de tomos de carbono, porm de naturezas

diversas.

Para os compostos com menos de 30 tomos de carbono existem bancos de dados como

os encontrados no API Technical Data Book e outros, onde as principais propriedades

encontram-se disponveis. Os simuladores de processo, como o PETROX, possuem o seu

prprio banco de dados.

A partir das propriedades obtidas em bancos de dados (massa molar, densidade, ponto

de ebulio, propriedades crticas, etc.), e outras estimadas atravs de correlaes, percentuais

dos compostos puros e regras de mistura, obtm-se a caracterizao de fraes de petrleo

compostas por gases leves.

A frao C7+ pode ser caracterizada usando-se principalmente duas tcnicas:

aproximao por mistura contnua e gerao de pseudocomponentes. O mtodo de

aproximao da frao C7+ por mistura contnua usa funes de distribuio (modelo

exponencial, modelo de distribuio Gama) para representar os componentes da mistura e

assim calcular as diversas propriedades da frao (RIAZI, 2005a).

O mtodo de caracterizao da gerao de pseudocomponentes consiste em dividir a

frao C7+ do cru em fraes com faixa de ebulio menores (cortes curtos) que podero ser

caracterizadas usando-se mtodos que sero apresentados a seguir para as fraes de petrleo.

2.4.4 Propriedades Bsicas Experimentais de Fraes de Petrleo

Sero apresentados