6 CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E

DESENVOLVIMENTO EM PETRLEO E GS

TTULO DO TRABALHO:

SIMULAO DA PRODUO DE GS SNTESE POR REFORMA AUTOTRMICA

DIRECIONADA AO PROCESSO GAS TO LIQUID (GTL).

AUTORES:

R.L.T.C.LIRA; M.C.S.CAMELO; S. LUCENA; LIMA FILHO, N. M

INSTITUIO:

Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) - Departamento de Engenharia Qumica (DEQ)

Labortorio de Controle e Otimizao de Processos. (Laco)

Este Trabalho foi preparado para apresentao no 6 Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petrleo e Gs- 6 PDPETRO, realizado pela a Associao Brasileira de P&D em Petrleo e Gs-ABPG, no perodo de 09 a 13 de outubro de 2011, em

Florianpolis-SC. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comit Cientfico do evento para apresentao, seguindo as informaes contidas no documento submetido pelo(s) autor(es). O contedo do Trabalho, como apresentado, no foi revisado pela ABPG. Os organizadores no iro traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, no necessariamente reflete as

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opinies da Associao Brasileira de P&D em Petrleo e Gs. O(s) autor(es) tem conhecimento e aprovao de que este Trabalho seja publicado nos Anais do 6PDPETRO.

TTULO DO TRABALHO

SIMULAO DA PRODUO DE GS SNTESE POR REFORMA

AUTOTRMICA DIRECIONADA AO PROCESSO GAS TO LIQUID (GTL)

Abstract

The aim of this study was to simulate the autothermal reforming (ATR) with emphasis on

obtaining a synthesis gas of good quality targeted for the use of process Gas to Liquid (GTL) which is

the raw material for production of hydrocarbons liquids..A developed simulation considered the mass

balance for each component, and the set of its equations were resolved by ASPEN HYSYS

simulator. The validation was developed using data available in literature. The simulation results

showed a good agreement with the characteristics of the synthesis gas obtained. Through the Graphics

obtained, and the ratio steam / methane and oxygen / methane obtain the sensitivity analysis for a

better reason H2/CO and temperature control at the exit of the reactor ATR.

Introduo

Devido s mudanas climticas, restries ambientais quanto qualidade de combustveis e

aumento da demanda por flexibilidade na cadeia de insumos energticos surgiram incentivos para a

busca de alternativas energticas aos produtos petrolferos. A rota tecnolgica conhecida como Gas-to

liquid (GTL) um caminho promissor para auxiliar na resoluo de tais problemas, pois converte gs

combustvel para combustveis lquidos sintticos.

O primeiro passo para a realizao da rota GTL a gerao do gs de sntese, uma mistura de

hidrognio (H2) e monxido de carbono (CO). A razo H2/CO varia conforme o tipo de insumo, que

pode ser qualquer material que contenha carbono e hidrognio, e tambm com o mtodo de produo

da mistura.

O gs de sntese a matria-prima para o processo Fischer Tropsch sendo esta etapa

considerada uma das mais importantes da converso do gs natural em hidrocarbonetos lquidos. A

etapa de gerao de gs de sntese tem uma importncia muito grande quando se pesa o investimento

financeiro de uma planta GTL, isto porque cerca de 50-60% do custo de produo e 51 % do custo de

instalao so gastos com esta fase do processo. (CALLARI, 2007).

Para converter gs natural para a mistura gs de sntese, existem quatro principais processos

bem estabelecidos comercialmente:

Reforma a vapor do metano (SMR)

Oxidao Parcial (POX)

Reforma Autotrmica (ATR)

Reforma combinada em duas etapas

Entretanto segundo o trabalho de Souza (2004), a soluo para o dilema da razo ideal H2/CO para

o processo FT usar juntas as tecnologias de SMR e POX. O SMR gera um gs de sntese com razo

superior a adequada enquanto que no POX esta mesma razo inferior. Esta juno chama-se reforma

autotrmica (ATR) que combina SMR e POX em um mesmo reator. chamado autotrmico por que

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o calor gerado pela reao de combusto (oxidao parcial) utilizado pela reao de reforma a vapor

em contraste com os reatores convencionais que utilizam combusto externa de combustveis para

gerar calor (Souza ,2008).

Ao contrrio de oxidao parcial, a reforma autotrmica usa um catalisador para a reformar o gs

natural para gs de sntese na presena de vapor e oxignio. Devido faixa de temperatura de

funcionamento ser mais branda (temperaura de saida ) e a utilizao de vapor (razo

vapor/carbono (V/C), normalmente, mais do que 1,3), o gs de sntese livre de fuligem e apresenta

teores menores de contamninantes como amnia e HCN em relao ao que produzido na POX. No

entanto, para uma uma razo de V/C de 1,3 o gs de sintese ter uma relao de H2 / CO de cerca de

2,5, que maior do que a relao necessria para a execuo da reao de Fischer-Tropsch.

(VOSLOO, 2001) A relao H2/CO pode ser controlada por uma combinao de dois fatores: a menor

razo de V/C e a reciclagem do CO2 para o reformador. Embora razes de V/C abaixo de 1,3 no so

comercialmente usadas, Haldor Topsoe e a Sasol implementaram com sucesso testes em escala

comercial com razo baixas de V/C na fbrica da Sasol no Sul da Africa.

Metodologia

No desenvolvimento do processo ATR, foi utilizado o software de simulao ASPEN HYSYS

para clculos de reaes de processamento de combustvel. O modelo termodinmico escolhido foi o

modelo Redlich-Kwong-Soave (SRK).

Como as solues so baseadas em condies de equilbrio, o reator de reformador depender

dos seguintes parmetros:

Composio qumica do combustvel.

Temperaturas das correntes de alimentao

Relao das razes O / C e S/C;

Perda/ Ganho de calor no reator;

Presso interna do reator.

Como o objetivo gerar gs de sntese com o uso do gs natural inicalmente foi utilizado

como correntes de entrada, gs natural, oxigenio e vapor , utilizando como referncia dados de BAO;

EL-HALWAGI; NIMIR (2010). Os dados referente as condies operacionais e a composio do gas

natural est demonstrada na tabela 1 e 2 respectivamente.

Tabela 1. Condies operacionais do Gs Natural Tabela 2. Composio do Gs Natural

Composio do Gs Natural (% molar) Valor

Metano 95,39

Etano 3,91

Propano 0,03

CO2 0,59

N2 0,08

Condies Operacionais Valor

Temperatura (C) 26

Presso (bar) 26

Fluxo mssico (kg/h) 900000

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Para as correntes de vapor e oxignio, foram consideradas mesma presso de operao ao

utilizada para o gs natural. Em seguida, as correntes so misturadas com o gs natural, ajustando suas

vazes com nfase a estabelecer uma corrente de alimentao (Feed) para o reator de reforma

autotrmica com uma razo molar de vapor/metano de 1,3 e uma razo molar oxignio /metano de

0,6. Aps a mistura das correntes, a corrente de sada aquecida a uma temperatura de 700C e

inserida no reator de reforma. O reator utilizado no simulador foi um reator de Gibbs adiabtico com

uma queda de presso de 800 KPa. Este reator capaz de resolver as reaes da reforma autotrmica

pois os clculos de equilbrio termodinmico do sistema tem como base a minimizao da

energia livre de Gibbs. Ao trmino da reao os produtos obtidos so resfriados a 40 C tornando

pronto o gs de sntese.

Resultados e Discusso

A reforma autotrmica funciona a uma faixa de temperatura de funcionamento ser mais branda

( 1000C) e a utilizao de vapor gerar um gs de sntese livre de fuligem e com teores menores de

contamninantes como amnia e HCN. O Fluxograma representado pela figura 1.

Figura 1. Fluxograma da Reforma Autotrmica

A temperatura na corrente Reformer resultante do reator ATR foi 1098 C, valor este que est

acordo com a literatura como em VOSLO (2001). Aps o resfriamento da corrente foi obtido as

seguintes condies operacionais e a composio do gs de sntese representado pela corrente

Synthesis Gas no simulador com seus resultados apresentados nas tabelas 3 e 4:

Tabela 3. Condies operacionais do gs de sntese

Condies Operacionais Valor

Temperatura (C) 40

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Presso (bar) 18

Fluxo mssico (kg/h) 3081000

Tabela 4. Composio do gs de sntese obtido

Composio do Gs de Sntese (% molar) Valor

Metano 0,0791

CO2 4,9456

O2 0

H2O 26,7062

N2 0,0198

CO 18,7933

H2 49,456

Nestas condies foi obtido uma corrente de gs de sntese com uma razo H2/CO de 2,56.

Para avaliar o quanto poderia ser ajustado esta razo foi observado o efeito das razes molares de

vapor/ metano (S/C) e oxignio/metano (O/C) nas correntes de entrada e por conseqncia analisar o

quanto a temperatura de sada do reator ATR variava, os resultados so demonstrados graficamente

nas figuras 2,3,4 e 5.

Figura 2. Influncia dar razo O/C na razo H2/CO

05

10152025303540

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

H2/

CO

O/C

Influncia da Razo O/C na razo H2/CO

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Figura 3. Influncia dar razo S/C na razo H2/CO

Com relao aos resultados obtidos referentes s figuras 2 e 3, observa-se que aumentando a

razo de O/C na entrada do reator ATR ocorre uma diminuio da razo H2/CO j para o aumento da

razo S/C aumenta a razo H2/CO. Estas observaes so teis para identificar qual melhor forma de

distribuir a alimentao no reator ATR, para obter um gs de sntese de melhor qualidade e melhor

direcionados a sua converso para produo de hidrocarbonetos desejados.

Figura 4. Influncia dar razo O/C na TATR

Figura 5. Influencia dar razo S/C na TATR

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

H2/

CO

S/C

Influncia da Razo S/C na razo H2/CO

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Tem

pera

tura

da

Corren

te d

e

Refo

rm

a (

K)

Razo S/C

Temperatura da Corrente de Reforma x Razo S/C

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Tem

peratu

ra d

a C

orren

te d

e

Refo

rm

a (

k)

Razo O/C

Temperatura da Corrente de Reforma x Razo O/C

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Com relao s figuras 4 e 5 observado que as razoes O/C e S/C diminuem e aumenta

respectivamente a temperatura de reao do reator ATR (TATR), uma caracterstica que ao ser bem

avaliada possvel determinar um bom controle operacional da temperatura, no permitindo uma

degradao dos componentes do gs de sntese e nem avarias no reator, caso apresentem temperatura

excessivas, pois o reator ATR opera a uma faixa de 1000C. Com a analise de sensibilidade feita na

reforma autotrmica, os valores das razes molares O/C e S/C, foram ajustadas para 0,6 e 0,4

respectivamente para obter uma concentrao H2/CO ao redor de 2, pois de acordo com VOSLO

(2001) uma razo mais adequada para a para a sntese de Fischer Tropsch na tecnologia Gas to

Liquid.

Concluses

Condies especiais de operao para a produo eficiente de gs d sntese com maior

quantidade de CO depende das combinaes das razoes, S / C e O/C. A unidade ATR para a gerao

do gs de sntese permitiu observar que estas variveis de reao so importantes Pois direcionam um

melhor controle de operao de temperatura do reator adiabtico ATR, como pode gerar um gs de

maior qualidade para seu uso no processo Gas to Liquid..

Agradecimentos

Gostaria de agradecer ao Laboratrio de Controle e Otimizao de Processos (LACO) da

Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e ao Programa de Recursos Humanos da ANP ( PRH-

28).

Referncias Bibliogrficas

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