Pontifcia Universidade Catlica do Rio de JaneiroENG1821 Tecnologia dos Processos QumicosProfessora Ana Rosa

Hidrocraqueamento Cataltico

Grupo:Gustavo MartinsGustavo Band XavierMonique ReznikPedro Abreu

ndice

Introduo3O processo e seu objetivo4Aplicaes do Processo5Fluxograma7Operaes Unitrias Envolvidas9Tipo de Reator10Avaliao de Localizao13Avaliao Econmica14Avaliao de Impacto Ambiental15Bibliografia18

Introduo

Craqueamento o nome que se d a vrios processos qumicos na indstria pelos quais molculas orgnicas complexas como hidrocarbonetos so quebradas em molculas mais simples pela ao de calor e catalisador. A taxa de rompimento e os produtos finais so dependem diretamente das temperaturas de reao e da presena destes catalisadores. Hidrocraqueamento um processo de craqueamento cataltico apoiado pela presena de uma elevada quantidade de gs hidrognio. Da o hidro no nome do processo.O hidrocraqueamento cataltico uma das etapas de refino do petrleo, e sendo assim importante entender o que o petrleo e o objetivo do seu refino. O petrleo uma combinao complexa de hidrocarbonetos, uma mistura de substncias oleosas, inflamvel e com uma colorao que pode variar desde o incolor ou castanho claro, at o preto. O petrleo bruto tem pouca utilidade prtica de uso. No processo de refino, as impurezas do leo so removidas, e ento possvel produzir diversos derivados, como lubrificantes, diesel, gasolina, querosene, entre outros. Hoje, o petrleo a principal fonte de energia, se tornando um recurso natural importantssimo para a sociedade.Dado a importncia deste recurso natural estudaremos mais a fundo uma das etapas de seu refino, o citado acima, hidrocraqueamento cataltico. Neste trabalho, analisaremos o processo segundo diversos aspectos como o objetivo do processo, seus impactos ambientais, e avaliaes econmicas.

O processo e seu objetivo (e operaes unitrias)

No refino de petrleo, o processo de hidrocraqueamento uma tecnologia promissora, por causa de seu produto de alta qualidade para a produo de gasolina de alta qualidade, querosene e diesel.O hidrocraqueamento tem como objetivo a quebra de molculas existentes na carga por acao de catalisadores a altas temperaturas e pressao e na presenca de grandes volumes de hidrogenio. A carga utilizada neste processo so as fraes mais difceis de quebrar ou que no podem ser craqueadas pelos processos catalticos comuns.Simultaneamente as quebras, ocorre as reacoes de hidrogenacao, o que possibilita uma menor formao de compostos residuais pesados. A presena do hidrognio traz vantagens ao processo comoa reduo da deposio de coque no catalisador, hidrogenao dos compostos aromticos polinucleados (facilita a decomposio), hidrogenao de olefinas e diolefinas formadas no craqueamento (maior estabilidade qumica dos produtos finais) e baixos teores de enxofre nos produtos finais.Os fatores que podem influenciar a operacao (qualidade do produto), rendimento (quantidade) e a economia total do processo de hidrocraqueamento sao: a configuracao do processo (um ou dois estagios), tipo de catalisador e a condicao de operacao como o nivel de conversao, razao de reciclo carga/hidrogenio, ciclo de catalisador, maximizacao de determinado produto dentre outros.Mais detalhes do processo so dados na seo Fluxograma.

Aplicaes do Processo

O HCC surgiu nos anos cinquenta, atingindo seu pice no incio dos anos setenta, pouco antes da crise do petrleo. Com o aumento do preo do leo, seus derivados, e do preo do gs natural, principal matria-prima para obteno do hidrognio, o HCC tambm teve seu preo elevado drasticamente, afetando bastante a sua rentabilidade. Por isso houve uma forte diminuio de sua implementao durante esse perodo, mesmo nos Estados Unidos.A maior vantagem do hidrocraqueamento em relao aos outros processos sua extrema versatilidade. Ele opera com diversas cargas, desde nafta, at gasleos pesados ou resduos leves. Com isso, acaba maximizando a frao que desejar o refinador: gasolina, at gasleo para craqueamento. Alm dessa versatilidade tambm existe a questo da qualidade das fraes no que diz respeito a contaminantes. Diante das severas condies em que ocorrem as reaes, praticamente todas as impurezas, como compostos de enxofre, nitrognio, oxignio e metais, so radicalmente reduzidas ou eliminadas dos produtos.Conforme o interesse da refinaria na maximizao de leves (GLP e nafta), as correntes de querosene e diesel podem ser total ou parcialmente recicladas ao processo. Unidades instaladas nos Estados Unidos operam visando maximizao de nafta, enquanto que plantas europeias e japonesas trabalham visando maximizao de querosene de jato e leo diesel.Com a vantagem de sua versatilidade, o HCC pode ser empregado na produo de lubrificantes de alta qualidade, pois permite a utilizao de crus brasileiros que so naturalmente pesados e precisam passar por vrios processos de refino at ser obtido um produto mais leve.

CargaProdutosUso Principal

Nafta, Gasleo de vcuo e Resduo de vcuoGLPCoco (preparo de alimento) como em foges, uso industrial (secagem do papel, secagem de tecidos e fixao, secagem da tinta na pintura...)

Gasleo atmosfricoNaftaMatria-Prima Petroqumica (eteno, propeno, butadieno)

Resduo de vcuo, Gasleo de vcuo e Resduo de vcuoQueroseneIluminao, solvente e como combustvel para avies

Resduo atmosfricoDieselCombustvel Automotivo

Fluxograma (e operaes unitrias)

O hidrocraqueamento pode ser realizado em um ou dois estgios, porm o mais comum o segundo, pois neste h uma maior flexibilidade de cargas. Neste processo possvel processar cargas mais pesadas e com um teor de impurezas maior.Em processos de hidrocraqueamento de um estgio, pode se alcanar uma converso de 40-80% da carga. Caso seja necessria uma converso mais elevada, o produto de fundo da torre de destilao volta para o reator a fim de completar a converso. Essa configurao pode ser usada para processar cargas leves por passagem nica ou por processo de reciclo. Este processo ocorre a uma temperatura que pode variar de 280C a 375C, a uma presso de aproximadamente 1220 psig.O processo de hidrocraqueamento de dois estgios. Na primeira fase, 40-50% do volume da alimentao quebrada. A primeira etapa tambm atua como um hidrotratamento devido presena de catalisadores que promovem a remoo de enxofre e nitrognio. O efluente do reator do primeiro estgio enviado para um separador de alta presso onde os gases ricos em hidrognio so separados e reciclados. O lquido proveniente do separador alimentado em uma torre de fracionamento, e os produtos de fundo da torre so utilizados para alimentar o segundo estgio. A configurao de dois estgios apresenta maior flexibilidade do que a configurao de um estgio e mais adequado para o processamento de cargas pesadas. Este processo ocorre a uma temperatura que varia de 375C a 475C e a uma presso de 2000 psig aproximadamente.

Dependendo do produto final que se deseja obter, as condies de operao e os catalisadores, utilizados no processo de hidrocraqueamento, podem mudar. O grau de desenvolvimento tecnolgico est diretamente ligado com o desenvolvimento de catalisadores com melhores seletividade e atividade qumica . Todo catalisador de hidrocraqueamento deve ser bifuncional. Possuem uma funo bsica, normalmente associada a sulfatos de metais nobre ou de transio, capaz hidrogenar os compostos aromticos da carga e os precursores de coque; e uma funo cida, associada a um suporte, comumente slidos cidos (slica-alumina, por exemplo), capaz de craquear de alto peso molecular e insaturados.Em processos de hidrocraqueamento de um estgio pode-se utilizar um catalisador como CoMo ou NiMo em slica-alumina. J em processos com configurao de dois estgios so utilizado dois catalisadores, por exemplo, CoMo ou NiMo em alumina e NiMo ou NiW em slica-alumina.

Tipo de Reator

Os reatores utilizados nos processos de hidrocraquemento cataltico so os chamados reatores de leito fixo, em ingles Packed- Bed Reactor (PBR).A aplicao industrial deste tipo de reator vasta, podendo ser encontrados na indstria qumica de base (na sntese de amnia, cido sulfrico, metanol, por exemplo); indstria petroqumica (na produo de xido de etileno, vinilacetato, butadieno, anidrido maleico, anidrido ftlico, estireno, etc.) ou refinao de petrleo (em processos de isomerizao, polimerizao e hidrocraqueamento). Atualmente, os reatores de leito fixo so utilizados principalmente em unidades de grande capacidade. Os tubos so preenchidos com catalisador, que permanece fixo nos tubos, passando a mistura reacional atravs dos interstcios interparticulares, mas ocorrendo a reao qumica sobretudo no interior das partculas.Estes reatores operam em modo de fluxo descendente, com o liquido e gas (principalmente hidrogenio) fluindo para baixo ao longo do leito catalitico. O problema principal com este tipo de reator e o acumulo de metais e de coque nos poros cataliticos, bloqueando o acesso dos reagentes para a superficie interna dos catalisadores.Uma vantagem trazida por este tipo de reator que para a maioria das reaes ele produz a mais alta converso por massa de catalisador dentre os reatores catalticos.As reaes de hidrocraqueamento so favorecidas pelo aumento de temperatura, porm ao mesmo tempo, uma temperatura muito elevada provoca reaes de coqueamento, com a diminuio da atividade do catalisador. Portanto, h a necessidade de encontrar uma relao entre a taxa de reao e a vida mxima do catalisador. A temperatura de reao (inicio da operao/fim da operao) aproximadamente 330-370C de acordo com a natureza da carga. Durante o processo, a temperatura do catalisador aumenta gradualmente para compensar a queda na sua atividade devido ao coque que vai se depositando at que o limite de temperatura admissvel para o catalisador seja atingida. nesse ponto que o catalisador deve ser regenerado ou descartado.A reao neste reator ocorre sob alta presso, de 80 atm a 140 atm

Reatores catalticos de leito fixo (a)- reator multitubular; (b)- um tubo com catalisador.Vantagens e Desvantagens

Uma das vantagens apresentadas pelo processo de hidrocraqueamento e a sua elevada flexibilidade, pois pode operar com materias-primas desde naftas leves ate gasleos pesados. Entretanto, a materia-prima utilizada apresenta grande influencia sobre os produtos finais. Geralmente, a carga mais utilizada e gasoleo de vacuo. Outra vantagem apresentada por esse processo e o aumento da qualidade das fracoes, pois diante das condicoes severas de operacao as impurezas, como compostos de enxofre, nitrogenio, oxigenio e metais, sao radicalmente reduzidas ou eliminadas dos produtos finais.A desvantagem apresentada por esse processo esta relacionada as condicoes operacionais severas. Devido ao processo ser operado em elevadas pressoes e temperaturas, e necessrio a utilizao de equipamentos caros e de grande porte, alem da necessidade de implantao de uma grande unidade geradora de hidrogenio ja que o seu consumo e extremamente alto durante o processo.

Avaliao de Localizao

A escolha da localizao de uma Refinaria com Unidade de Hidrocraqueamento Cataltico no trivial. Primeiramente deve-se entender que, assim como todas as outras refinarias, em modo geral, por apresentar processos qumicos prejudiciais sade humana, devem ficar afastadas dos centros urbanos, uma unidade de HCC tambm deve ter um raio de 35km das reas residenciais para prevenir grandes desastres em caso de acidentes.Deve-se tambm pensar nos riscos e desgastes que a unidade poder trazer para o meio ambiente.Outro importante fator levado em conta o fornecimento de matrias primas e produtos. A Refinaria deve ser localizada o mais perto possvel de suas matrias primas, de forma que ajude na logstica e evite dificuldades ligadas ao transporte de chegadas e sadas de mercadorias.Alm das preocupaes com os arredores, os processos ligados as Unidades HCC requerem ateno na segurana para evitar ou minimizar acidentes e dar continuidade ao funcionamento. Assim, a infraestrutura local deve contar com, por exemplo, constante abastecimento de agua fria, refrigerao, brigada de incndio, suprimento de gases industriais e uma rede eltrica constantemente reavaliada, j que os processos ocorrem em presses e temperaturas elevadas.

Avaliao Econmica

O processo de HCC tem como principais matrias primas o petrleo e o gs natural, portanto o preo destes dois insumos afeta a rentabilidade do processo. Devido ao processo ser operado em elevadas presses e temperaturas, necessrio utilizao de equipamentos caros e de grande porte, alm da necessidade de implantao de uma grande unidade geradora de hidrognio j que o seu consumo extremamente alto durante o processo. Tambm, se faz necessrio a construo de uma Unidade de Recuperao de Enxofre. Este tratamento retira o H2S do Gs Combustvel e do GLP, produzindo uma corrente de gs cido que pode ter dois destinos: queima no flare qumico da refinaria, ou utilizao como carga para a Unidade de Recuperao de Enxofre.O investimento necessrio para se implantar uma unidade de HCC varia entre US$300 milhes e US$ 500 milhes. Adicionalmente, precisamos levar em conta o capital destinado construo de uma Unidade de Gerao de Hidrognio e de uma Unidade de Recuperao de Enxofre, o investimento pode ser acrescido de mais US$ 100 milhes a US$ 180 milhes.Existe uma variao do HCC que opera em condies menos extremas do que o processo original, especialmente em termos de presso. O Hidrocraqueamento Cataltico Brando uma variao do HCC que opera em condies de presso mais baixa. Sua grande vantagem que, a partir de uma carga de gasleo convencional, possvel produzir grandes volumes de leo diesel de excelente qualidade, sem gerar paralelamente grandes quantidades de gasolina. Este processo um pouco mais barato que o HCC convencional, da ordem de US$300 milhes a US$ 400 milhes, o que torna sua implantao pouco vivel economicamente.

Avaliao de Impacto Ambiental

Os processos de refino, sejam eles fsicos ou qumicos requerem muita energia, assim mais de 60% das emisses atmosfricas de uma refinaria esto relacionadas produo de energia. Por isso, os geradores de energia eltrica, as caldeiras, os fornos e o regenerador de catalisador so as principais fontes de emisses gasosas de CO, CO2, etc.

Concentraes representativas de contaminantes em efluentes aquosos tpicos de alguns processos de refino

Efluentes aquosos leoH2SNH3FenisDBOCN-SST3

DestilaoXXXXXXXXX-XX

HidrotratamentoXXXX(X)XX(X)-X(X)--

Coqueamento retardadoXXXXXXXXXXXX

FCCXXXXXXXXXXXXXX

Hidrocraqueamento catalticoXXXXXXXX-X--

Produo de leos bsicos lubrificantesXXXX-XX--

X=500mg/lFonte: IPPC- Integrated Pollution Prevention and Control (adaptado)

Um dos pontos fortes desse processo na questo ambiental o fato dos catalisadores de hidrocraqueamento serem regenerados, normalmente aps um perodo de dois a quatro anos de utilizao. Deste modo, pouca ou nenhuma emisso atmosfrica gerada pelos processos de regenerao, ao contrrio do processo de craqueamento cataltico convencional.As emisses atmosfricas das unidades de hidrocraqueamento cataltico provm das chamins dos aquecedores do processo, das ventilaes e de emisses fugitivas de hidrocarbonetos.

Bibliografia

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