Baixe Diferentes métodos de produção do asfalto e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Petróleo, somente na Docsity! Diferentes Métodos de produção do asfalto 1. Introdução O Asfalto é um material cimentante, preto, sólido ou semi-sólido, que se liquefaz quando aquecido, composto de betume e alguns outros metais. Pode ser encontrado na natureza e denomina-se CAN, mas em geral provém do refino do petróleo que é denominado por CAP.  Histórico A história da utilização do asfalto em construção de vias, reporta-se aos anos 2.600 – 2.400 a.c, quando foram construídas as Pirâmides do Egito. Algumas estradas construídas na antiguidade merecem ser citadas devido a sua importância, na época, não só para o comércio de mercadorias como também para o desenvolvimento das culturas da Índia, China e Ásia, como é o caso da Estrada da Seda e a de Semíramis. Toda a tecnologia destas construções estavam baseadas na utilização de um material com poder aglutinante, o betume (principal componente dos asfaltos). Materiais asfalticos são misturas de hidrocarbonetos solúveis no dissulfeto de carbono, cujo componente principal é o betume.  Definições Conforme Paranhos (1982), os asfaltos de petróleo são em sua maioria, suspensões coloidais em que a fase dispersa se compõe de hidrocarbonetos de alto peso molecular, denominados de asfaltenos contendo em sua superfície resinas aromáticas que apresentam polaridade, que as mantém em suspensão em uma fase de hidrocarbonetos de menor peso molecular, que formam um meio oleoso, denominado malteno. Os hidrocarbonetos constituem cerca de 90 a 95% dos cimentos asfálticos de petróleo. Os outros 5 a 10% de sua composição química são formados por heteroátomos oxigênio, enxofre, nitrogênio e metais, como vanádio, níquel e ferro, combinados através de ligações covalentes (Leite, 1999). Conceituam o betume, asfalto da seguinte maneira: Betume: É uma mistura de hidrocarbonetos pesados, completamente solúveis no bissulfeto de carbono (CS2); 3 Asfalto: Mistura de hidrocarbonetos derivados do petróleo de forma natural ou por destilação, que tem como componente principal o betume, podendo conter pequenas frações de outros materiais, como oxigênio, nitrogênio e enxofre.  Asfalto e Suas Especificações 1..1. Especificações Físicas  Variam de líquidos negros viscosos até líquidos castanhos bastante fluidos  Adesivo termoplástico:  Passa do estado líquido ao sólido de maneira reversível;  A colocação no pavimento se dá a altas temperaturas;  Através do resfriamento o CAP adquire as propriedades de serviço ⇒ comportamento visco-elástico.  Impermeável à água.  Comportamento visco-elástico relacionada a consistência e à susceptibilidade térmica; Tráfego rápido ⇒ comportamento elástico; Tráfego lento ⇒ comportamento viscoso. É composto fisicamente por Asfaltenos, Resinas óleo saturados e Resinas como mostra a fig. abaixo: Fig. 1-Composição do Asfalto, modelo de micelas de Yen (1991) extraída do Livro Pavimentação Asfáltica Formação Básica para Engenheiros. 1..2. Especificações Químicas  Quimicamente pouco reactivo;  Composição química predominantemente parafínica, naftênica ou aromática. Uma análise elementar dos asfaltos manufacturados pode apresentar as seguintes proporções de componentes (Shell, 2003):  Carbono de 82 a 88%;  Hidrogénio de 8 a 11%;  Enxofre de 0 a 6%;  Oxigénio de 0 a 1,5% 4 3. Produção do Asfalto O petróleo é composto por uma mistura complexa de hidrocarbonetos que se vaporizam em diferentes temperaturas, apresentando ainda, pequenas quantidades de compostos orgânicos oxigenados, nitrogenados, sulfurados organo metálicos, água, sais, minerais e areia, que são tidos como elementos estranhos. O rendimento do petróleo em termos de asfalto é condicionado ao tipo de petróleo cru a ser refinado. Segundo Guarçoni (1996), os processos de refinamento do petróleo, para obtenção de cimento asfáltico de petróleo (CAP), também dependem do tipo de cru e do seu rendimento em asfalto. Assim teremos:  Petróleos com alto rendimento em asfalto (cru de base naftênica), basta o estágio de destilação a vácuo no processo de refinamento (Figura 3).  Petróleos com rendimento médio em asfaltos (cru de base intermediário) é necessário a destilação em dois estágios, um à pressão atmosférica e o outro a vácuo (Figura 4). Este processo produz resíduos asfálticos mais duros, tendo necessidade de se proceder a uma correção nas características dos CAP, que é feito com a adição de diluentes ao resíduo. Este ajuste pode ser feito na própria torre de vácuo.  Petróleo com baixo rendimento em asfalto (petróleos leves), além da destilação à pressão atmosférica e a vácuo, deverá ser executada a desasfaltação a propano (extração com propano/butano), conforme a (Figura 8) .O objetivo deste processo é eliminar a necessidade de se trabalhar a temperaturas elevadas.  Processos de Produção Resumidamente, esses processos obedecem à cadeia de produção mostrada no fluxograma apresentado à abaixo: Fig. 2-Fluxograma do Processo de Produção de Asfalto extraída do Livro Asfaltos: Noções Gerais, Programa de Asfalto na Universidade. 7 Detalhadamente estes processos são: Na Refinação de Petróleos Pesados  Alto rendimento de Asfalto;  Destilação atmosférica e a vácuo. 3..1. Produção de Asfalto Destilação em Apenas um Estágio Esquema do Processo Fig. 3-Esquema de produção de Asfalto na unidade de destilação em um estagio extraída do Livro Pavimentação Asfáltica Formação Básica para Engenheiros. Descrição do Esquema O petróleo asfáltico é aspirado e recalcado pela bomba de carga principal é aquecido no respectivo forno até a uma temperatura ótima para o processo antes de ser admitido na zona de flash da torre de vácuo em forma de mistura binaria (óleo-gás). Na torre de vácuo os HC mais ligeiros elevam-se para o topo da torre passando pelas perfurações dos pratos, e pela mesma os HC mais pesados de prato em prato vão para o fundo da coluna. Do topo da torre sai fracção mais ligeiro (neste caso o gás) que é enviado para o sistema de vácuo. Nas suas laterais são extraidos as fracções de GOs leve e pesado que são pre-aquecidos pelo permutador e divide-se em dois circuitos, sendo um para ser re-enjetado na torre de vácuo (que funciona como refluxo frio, isto para regular a temperatura no topo) o outro cirquito é enviado para os respectivos armazenamentos das mesmas fracções. Do fundo da torre extrai-se o asfalto (CAP) que é condensado e inviado para o armazenamento. 8 Na Refinação de Petróleos Médios  Médio Rendimento de asfalto;  Destilação atmosférica e a vácuo. 3..2. Produção de asfalto em Dois Estágios de Destilação Esquema do Processo Fig. 4 - Esquema de produção de Asfalto na unidade de destilação em dois estagio extraída do Livro Pavimentação Asfáltica Formação Básica para Engenheiros. 9 Unidade em Alta viscosidade: O petróleo é aspirado e recalcado pela bomba principal e pre-aquecido pelo permutador antes da sua admissão no balão de dessalgador (tem como função de eliminar os sais que contem no petróleo),ao sair do dessalgador o petróleo dessalgado é pre-aquecido pelo permutador e inviado para a fornalha onde é aquecido até a uma temperatura ótima para o processo antes de ser admitido na zona de flash da torre atmosférica em forma de mistura binaria (óleo-gás). Os HC mais ligeiros elevam-se para o topo da torre passando pelas perfurações dos pratos, e pela mesma os HC mais pesados de prato em prato vão para o fundo da coluna. Do topo da torre sai fracção mais ligeiro (neste caso o gás), é condensado pelo condensador antes da sua admissão no balão de separador, no topo do separador é extraido o gás combustivel (GPL), no fundo do separador sai a nafta leve que divide-se em dois circuito, uma parte é inviada para o a parte superior da torre do segundo prato (que funciona como refluxo frio, isto para regular a temperatura no topo), e a outra parte é inviado para a armazenamento. Nas extracções laterais da torre saiem as respectivas fracções:  Nafta pesada  Querosene  Óleo diesel No fundo da torre, sai o residuo atmosférico, o residuo é aspirado e recalcado pela bomba e inviado para a fornalha, é aquecido até a uma temperatura ótima para o processo antes de ser admitido na zona de flash da torre de vácuo em forma de mistura binaria (óleo-gás). Na torre de vácuo os HC mais ligeiros elevam-se para o topo da torre passando pelas perfurações dos pratos, e pela mesma os HC mais pesados de prato em prato vão para o fundo da coluna. Do topo da torre sai fracção mais ligeiro (neste caso o gás) que é enviado para o sistema de vácuo. Nas suas laterais são extraidos as fracções de GOs leve e pesado que são pre-aquecidos pelo permutador e divide-se em dois circuitos, sendo um para ser re-enjetado na torre de vácuo (que funciona como refluxo frio, isto para regular a temperatura no topo) o outro circuito é enviado para os respectivos armazenamentos das mesmas fracções. Do fundo da torre extrai-se o asfalto a alta viscosidade. Unidade em Baixa Viscosidade: O petróleo é aspirado e recalcado pela bomba principal e pre-aquecido pelo permutador antes da sua admissão no balão de dessalgador (tem como função de eliminar os sais que contem no petróleo),ao sair do dessalgador o petróleo dessalgado é pre-aquecido pelo permutador e inviado para a fornalha onde é aquecido até a uma temperatura ótima para o processo antes de ser admitido na zona de flash da torre atmosférica em forma de mistura binaria (óleo-gás). Os HC mais ligeiros elevam-se para o topo da torre passando pelas perfurações dos pratos, e pela mesma os HC mais pesados de prato em prato vão para o fundo da coluna. Do topo da torre sai fracção mais 12 ligeiro (neste caso o gás), é condensado pelo condensador antes da sua admissão no balão de separador, no topo do separador é extraido o gás combustivel (GPL), no fundo do separador sai a nafta leve que divide-se em dois circuito, uma parte é inviada para o a parte superior da torre do segundo prato (que funciona como refluxo frio, isto para regular a temperatura no topo), e a outra parte é inviado para a armazenamento. Nas extracções laterais da torre saiem as respectivas fracções:  Nafta pesada  Querosene  Óleo diesel No fundo da torre, sai o residuo atmosférico, o residuo é aspirado e recalcado pela bomba e inviado para a fornalha, é aquecido até a uma temperatura ótima para o processo antes de ser admitido na zona de flash da torre de vácuo em forma de mistura binaria (óleo-gás). Na torre de vácuo os HC mais ligeiros elevam-se para o topo da torre passando pelas perfurações dos pratos, e pela mesma os HC mais pesados de prato em prato vão para o fundo da coluna. Do topo da torre sai fracção mais ligeiro (neste caso o gás) que é enviado para o sistema de vácuo. Nas suas laterais são extraidos as fracções de GOs leve e pesado que são pre-aquecidos pelo permutador e divide-se em dois circuitos, sendo um para ser re-enjetado na torre de vácuo (que funciona como refluxo frio, isto para regular a temperatura no topo) o outro circuito é enviado para os respectivos armazenamentos das mesmas fracções. Do fundo da torre extrai-se o asfalto a baixa viscosidade. O asfalto de alta e baixa vsicosidade misturam-se no mesmo circuito e obtem- se um asfalto resistente a temperaturas elevadas. 1.1.1. Mistura de RASF (Residuo Asfaltico) e Diluente 13 Esquema do Processo Fig. 6 - Esquema de produção de Asfalto por RASF e Diluente extraída do Livro Pavimentação Asfáltica Formação Básica para Engenheiros. Descrição do Esquema Este processo contém duas unidades:  Residuo asfaltico;  Diluente. 14 1.1.2. Semi – Sopragem Esquema do Processo Fig. 7 - Esquema de produção de As falto por RASF e Diluente extraída do Livro Pavimentação Asfáltica Formação Básica para Engenheiros. 17 Descrição do Esquema O petróleo é aspirado e recalcado pela bomba principal e pre-aquecido pelo permutador antes da sua admissão no balão de dessalgador (tem como função de eliminar os sais que contem no petróleo),ao sair do dessalgador o petróleo dessalgado é pre-aquecido pelo permutador e inviado para a fornalha onde é aquecido até a uma temperatura ótima para o processo antes de ser admitido na zona de flash da torre atmosférica em forma de mistura binaria (óleo-gás). Os HC mais ligeiros elevam-se para o topo da torre passando pelas perfurações dos pratos, e pela mesma os HC mais pesados de prato em prato vão para o fundo da coluna. Do topo da torre sai fracção mais ligeiro (neste caso o gás), é condensado pelo condensador antes da sua admissão no balão de separador, no topo do separador é extraido o gás combustivel (GPL), no fundo do separador sai a nafta leve que divide-se em dois circuito, uma parte é inviada para o a parte superior da torre do segundo prato (que funciona como refluxo frio, isto para regular a temperatura no topo), e a outra parte é inviado para a armazenamento. Nas extracções laterais da torre saiem as respectivas fracções:  Nafta pesada  Querosene  Óleo diesel No fundo da torre, sai o residuo atmosférico, o residuo é aspirado e recalcado pela bomba e inviado para a fornalha, é aquecido até a uma temperatura ótima para o processo antes de ser admitido na zona de flash da torre de vácuo em forma de mistura binaria (óleo-gás). Na torre de vácuo os HC mais ligeiros elevam-se para o topo da torre passando pelas perfurações dos pratos, e pela mesma os HC mais pesados de prato em prato vão para o fundo da coluna. Do topo da torre sai fracção mais ligeiro (neste caso o gás) que é enviado para o sistema de vácuo. Nas suas laterais são extraidos as fracções de GOs leve e pesado que são pre-aquecidos pelo permutador e divide-se em dois circuitos, sendo um para ser re-enjetado na torre de vácuo (que funciona como refluxo frio, isto para regular a temperatura no topo) o outro circuito é enviado para os respectivos armazenamentos das mesmas fracções. Do fundo da torre extrai-se o asfalto a baixa viscosidade (asfalto mole), é pre-aquecido pelo permutador antes de ser inviado para o processo de semi-sopragem, tem como objectivo de transformar o asfalto mole em duro, neste caso extrai-se o afalto (CAP). 18 Refinação de Petróleos Leves  Baixo rendimento de Asfalto;  Extração de HC Leves por ação de solvente;  Recuperação do Solvente. 1.1.3. Produção de Asfalto unidade de Desasfaltação ao Propano ou de três estágios. Esquema do Processo Fig.8 - Esquema de produção de Asfalto na unidade de desasfaltação ao propano extraído do Livro Pavimentação Asfáltica Formação Básica para Engenheiros. Discrição do Esquema 19  Procedimento com Alumina;  Cromatografia por Exclusão de Tamanho. A seguir, são apresentados os métodos acima descritos. 2.1. Fracionamento por solvente Utiliza duas etapas de solvente, conforme a Figura 9. Na 1ª etapa, o asfalteno é separado por adição de n-butanol. Na 2ª etapa, elimina-se o n-butanol por evaporação e o óleo é fracionado por acetona, que após dissolver o malteno, é resfriada, promovendo assim a precipitação dos saturados (parafinas), separando-os da fração solúvel composta por cíclicos (aromáticos e resinas). Este método fraciona o CAP em:  Asfaltenos  Cíclicos (resinas e aromáticos)  Saturados (Parafinas) Fig. 9 Esquema do fraccionamento do asfalto por solvente extraido do livro Asfalto Modificado com Polímero, 22 2.2. Precipitação Química Método Rostler Stenberg (ASTM D-2006) Baseia-se na separação dos asfaltenos através de sua insolubilização em n- penta posterior separação seletiva das frações maltênicas com ácido sulfúrico de densides crescentes. A 1ª etapa separa a fase micelar de um colóide liófilo (cujas micelas formam liga com as moléculas da fase dispersora), pela solubilização da fase dispersante e peptizantes ou solventes em solvente que não dissolva as micelas. A 2ª etapa separa as frações maltênicas por diferença de reatividade química determinado reagente em função da sua concentração. Nessa metodologia o asfalto é separado em cinco frações:  Insolúveis em n-pentano - “A” – Asfaltenos;  Solúveis em n-pentano (maltenos) que podem se ser: - N – Moléculas nitrogenadas; - A1 – Acidafinas I; - A2 – Acidafinas II; - P – Hidrocarbonetos saturados ou parafinas. Com a obtenção dos parâmetros A, N, AI, A2 e P, Rostler definiu correlações queapontam para um perfeito equilíbrio das frações asfaltênica e maltênica. Fig. 10-Esquema de fraccionamento do asfalto por precipitação química extraido do livro Asfalto Modificado com Polímero, 23 2.3. Método de Corbert (ASTM D-4124) Também conhecido por fracionamento SARA (Fracionamento químico em saturados, aromáticos, resinas e asfaltenos). De acordo com Leite, (1999), a separação de asfaltenos por n-heptano é seguida de adsorção dos maltenos em alumina e subseqüente dessorção com solventes de polaridade crescente, separando em saturados, nafteno-aromáticos e polar- aromáticos. Nesta metodologia o asfalto é separado em quatro frações:  Insolúvel em n-heptano – Asfaltenos  Solúveis em n-hepntano (maltenos) que podem se ser: - Saturados; - Aromáticos naftênicos; - Aromáticos polares. Processa-se da seguinte maneira como mostra-se no fluxograma a baixo representado. Fig. 11-Esquema de fraccionamento do asfalto pelo método de Corbert, extraido do livro Asfalto Modificado com Polímero, 24