O uso de catalisadores na indústria do petróleo

O uso de catalisadores na indústria do petróleo

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Centro Universitário São Camilo – Espírito Santo

Curso: Tecnologia em Petróleo e Gás

Disciplina: Prática Profissional Dirigida

Professora: Laureany Madeira

O USO DE CATALISADORES NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO

Alunos do 2º período:

-203967, Amanda Diniz Peixoto;

-202954, Cristiano Rodrigues Machado;

-204064, Leticia Biancardi;

-202734, Milton Marvila Alves Júnior;

-203963, Washington José de Oliveira.

Cachoeiro de Itapemirim – ES

Novembro de 2011

Amanda Diniz Peixoto

Cristiano Rodrigues Machado

Leticia Biancardi

Milton Marvila Alves Júnior

Washington José de Oliveira

O USO DE CATALISADORES NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO

Trabalho apresentado para avaliação do rendimento escolar da disciplina de Prática Profissional Dirigida do curso de Tecnologia em Petróleo e Gás, do Centro Universitário São Camilo, ministrado pela professora Laureany Madeira

Cachoeiro de Itapemirim – ES

Novembro de 2011

Conteúdo

Introdução

As transformações moleculares ocorrem a uma velocidade que depende da natureza das moléculas e das condições de temperatura e pressão Em muitos casos é possível alterar essa velocidade adicionando-se uma substância que não sofre modificação química durante a reação. A catálise é um fenômeno físico-químico que resulta da utilização de certas substâncias ou elementos denominados catalisadores que são capazes de modificar a velocidade da reação.

É um método muito utilizado nas indústrias de refifino do petróleo. Para que ele tenha seu potencial energético plenamente aproveitado, bem como sua utilização como fonte de matéria- prima é importante que seja realizado seu desmembramento em cortes, com padrões preestabelecidos para determinados objetivos, que denominamos frações. Atingir este objetivo, com o menor custo operacional, é a diretriz básica da refinação. Veremos a seguir alguns processos de refino que utilizam catalisadores.

Catálise

A catálise é a mudança de velocidade de uma reação química devido à adição de uma substância (catalisador) que praticamente não se transforma ao final da reação. Os catalisadores agem provocando um novo caminho reacional, no qual tem uma menor energia de ativação.

Existem dois tipos de catálise: homogênea, na qual o catalisador se dissolve no meio em que ocorre a reação, e neste caso forma um reativo intermediário, que se rompe; e heterogênea, em que se produz a adsorção dos reagentes na superfície do catalisador; a catálise heterogênea é frequentemente bloqueada por impurezas denominadas "venenos".

Tipos de catálise

Os catalisadores podem ser porosos, peneiras moleculares, monolíticos, suportados, não-suportados.

Entre os tipos de catálise podemos citar:

Catálise ácida - A que é provocada por íons hidrogênio ou por substância de natureza ácida. Pode ser realizada através de um solvente prótico - por exemplo, ácido sulfúrico.

Catálise básica - A que é provocada por íons hidroxila ou por substância de natureza básica, como aminas.

  • Catálise ácido-básica - A que é provocada por íons ácidos e também por íons básicos.

  • Catálise homogênea - A catálise homogênea diz respeito a processos nos quais um catalisador está em solução com pelo menos um dos reagentes. Ocorre quando a mistura de catalisadores mais reagentes é uma mistura homogênea.

  • Catálise heterogênea - É um tipo de catálise onde os reagentes, produtos e catalisadores encontram-se em fases diferentes. A catálise heterogênea envolve mais de uma fase; normalmente o catalisador é sólido e os reagentes e produtos estão na forma líquida ou gasosa. Nesse caso, o catalisador fornece uma superfície onde os reagentes irão reagir mais facilmente, e com menor energia de ativação.

  • Catálise por transferência de fase - Aquela que emprega catalisador capaz de retirar um reagente de uma fase, por exemplo, aquosa e transferi-lo para outra fase, por exemplo, orgânica (benzeno, etc.), na qual sua reatividade se torna maior.

Catalisador

Entende-se por catalisador, aquele composto que acelera a reação química diminuindo a energia de ativação da mesma

É toda e qualquer substância que acelera uma reação, diminuindo a energia de ativação, diminuindo a energia do complexo ativado, sem ser consumido, durante o processo. Um catalisador normalmente promove um caminho (mecanismo) molecular diferente para a reação. Por exemplo, hidrogênio e oxigênio gasosos são virtualmente inertes à temperatura ambiente, mas reagem rapidamente quando expostos à platina, que por sua vez, é o catalisador da reação.

O catalisador pode diminuir a energia de ativação, aumentando assim a velocidade da reação. Catalisadores têm amplo emprego na indústria, por exemplo, no processo de fabricação de ácidos (como ácido sulfúrico e ácido nítrico), hidrogenação de óleos e de derivados do petróleo. Todos os organismos vivos dependem de catalisadores complexos chamados enzimas que regulam as reações bioquímicas.

A indústria petroquímica

A petroquímica é a área da química relacionada aos derivados de petróleo e sua utilização na indústria. É uma área muito importante, já que trata de combustíveis, cuja demanda cresce diariamente.

O petróleo deve passar por processos para que o seu aproveitamento energético seja possível, a saber: separação, conversão e tratamento.

A indústria petroquímica  objetiva a transformação do petróleo na maior diversidade de produtos possíveis, com o menor custo e a maior qualidade.

Esse processo por que passa o petróleo é chamado refinamento e ocorre na refinaria, podendo resultar na produção de GLP, GasolinaQueroseneDiesel, Óleo Combustível, dentre outros.

Os três passos básicos da petroquímica são a extração de petróleo, o refino e sua transformação num produto. Embora pareça simples, o procedimento entre a matéria-prima o produto comercializável inclui mais de 45 etapas, onde em alguns processos são utilizados catalisadores, para acelerar o processo e diminuir os custos.

São exemplos de processos que utilizam catalisadores:

  • Craqueamento catalítico;

  • Hidrocraqueamento catalítico;

  • Hidrocraqueamento catalítico brando;

  • Alcoilação ou alquilação catalítica;

  • Reforma catalítica;

  • Hidrotratamento.

Craqueamento catalítico

O craqueamento catalítico é um processo de quebra molecular. Sua carga é o gasóleo proveniente do processo de destilação, que submetido a condições bastante severas em presença de um catalisador, é decomposto em várias outras frações mais leves, produzindo gás combustível, gás liquefeito de petróleo (GLP) e gasolina, entre outros.

O processo surgiu um pouco antes da segunda guerra mundial, tomando um notável impulso com este conflito, face da grande necessidade dos aliados em suprir de gasolina e material petroquímico suas tropas. Com o fim da guerra, o craqueamento catalítico se firmou, devido principalmente a proporcionar a produção de uma gasolina de ótima qualidade e com custos de produção bem inferiores aos outros processos existentes à época.

É um processo destinado à produção de gasolina de alta octanagem, sendo este o derivado que aparece em maior quantidade, da ordem de 50 a 65% volume em relação à carga processada. O segundo derivado que aparece em maior proporção é o GLP, com carga de 25 a 40% volume em relação à carga.

O craqueamento catalítico, também conhecido como FCC (Fluid Catalytic Cracking), é um processo de grande versatilidade e de elevada rentabilidade para o refino de petróleo, embora seja também uma unidade que requeira alto investimento para sua implantação. Dependendo do porte, um FCC pode necessitar de recursos entre US$ 150.000.000,00 a US$ 280.000.000,00. Apesar do elevado valor do investimento, este se torna extremamente atrativo, por que, em face da alta rentabilidade do processo, o tempo de retorno do empreendimento é razoavelmente rápido.

O FCC é um processo bastante utilizado em países onde a demanda de gasolina é ou foi forte. Nesta situação podemos situar os Estados Unidos, o Canadá, o Japão, o México e o Brasil. Países europeus não têm uma expressiva capacidade instalada em craqueamento catalítico, em virtude da utilização do automóvel não ter um uso tão forte quanto o transporte de massa (ônibus, metrô, etc.).

Características do Catalisador de Craqueamento Catalítico

O catalisador empregado nas reações de “cracking” é um pó granular, finíssimo, de alta área superficial, à base de sílica (SiO2) e alumina (Al2O3). Este pó, quando atravessado por uma corrente gasosa, comporta-se de modo semelhante a um fluido. A esse fenômeno denominamos fluidização quanto à composição:

Existem três formas diferentes de catalisador: baixa alumina (11-13% Al2O3), alta alumina (25% Al2O3) e do tipo zeolítico (cristalino).

O catalisador de craqueamento tem as seguintes funções:

  • Promover as reações do craqueamento em condições de pressão e temperatura muito mais baixas do que as requeridas no craqueamento térmico;

  • Transportar o coque depositado na sua superfície para o regenerador, onde será queimado, gerando calor;

  • Atuar como agente de transferência de calor, retirando-o da zona de combustão e utilizando-o para aquecer e vaporizar a carga, elevando sua temperatura para possibilitar e manter as reações de craqueamento.

Hidrocraqueamento catalítico

O Hidrocraqueamento é um processo de craqueamento catalítico realizado sob pressões parciais de hidrogênio elevadas. A presença de hidrogênio tem como finalidade:

  • Reduzir a deposição de coque sobre o catalisador;

  • Hidrogenar os compostos aromáticos polinucleados, facilitando sua decomposição;

  • Hidrogenar olefinas e diolefinas formadas no processo de craqueamento, aumentando a estabilidade química dos produtos finais.

Além desses três principais objetivos, as severas condições de processo sob as quais o hidrocraqueamento é realizado, proporcionam também a hidrogenação e eliminação de compostos de enxofre e nitrogênio, tornando os produtos finais não poluentes.

Algumas das vantagens do processo são:

  • Altos rendimentos em nafta e em óleo diesel;

  • Nafta de boa octanagem e boa suscetibilidade ao CTE (chumbo tetra-etila);

  • Produção de uma quantidade apreciável de fração C3/C4 (GLP);

  • Melhor balanceamento na produção de gasolina e frações destiladas intermediárias na refinaria;

  • Suplementação do craqueamento catalítico fluido, possibilitando a conversão de cargas que este processo não poderia decompor (tais como resíduo de vácuo, gasóleos de reciclo, extratos aromáticos e outras cargas residuais) em nafta, querosene de jato e óleo diesel. As cargas acima são altamente refratárias ao craqueamento catalítico, porém são facilmente craqueadas em presença de hidrogênio e catalisadores apropriados.

A grande desvantagem do processo consiste nas drásticas condições operacionais do processo. Elevadíssimas pressões e temperaturas são usadas, o que obriga a ter equipamentos caríssimos e de grande porte. Assim sendo, o investimento necessário à implantação da unidade é elevadíssimo, não só pelo exposto, mas também pela necessidade de implantar-se em paralelo uma grande unidade de geração de hidrogênio, uma vez que seu consumo no processo é extremamente alto.

O investimento necessário à uma unidade de HCC fica na faixa entre US$ 300.000.000,00 e US$ 500.000.000,00, em função de sua capacidade. Se levarmos em conta o capital destinado à construção de uma Unidade de Geração de Hidrogênio e de uma Unidade de Recuperação de Enxofre, que completam o HCC, o investimento pode ser acrescido de mais US$ 100.000.000,00 a US$ 180.000.000,00.

Hidrocraqueamento catalítico brando

O Hidrocraqueamento Catalítico Brando, também conhecido como MHC (Mild Hydrocraking) é uma variante do HCC, porém como o próprio nome deixa transparecer, opera em condições mais brandas que o anterior, principalmente em termos de pressão. É um processo que foi desenvolvido durante a década de oitenta na França e nos Estados Unidos.

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