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Simulación de unidades de destilación atmosferica
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
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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.
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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