Modelagem e Simulação de Reatores Catalíticos para o Refino de Petróleo

Autor(es): ANCHEYTA, Jorge
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Um profundo conhecimento dos processos químicos de reatores catalíticos é imprescindível para qualquer profi ssional envolvido no desenvolvimento de novas tecnologias na indústria de refino de petróleo. Modelagem e Simulação de Reatores Catalíticos para o Refino de Petróleo oferece um tratamento detalhado e atualizado dos principais processos de conversão utilizados em refinarias, incluindo hidrotratamento, reforma e craqueamento catalíticos. A obra explica claramente as abordagens utilizadas para a modelagem do reator em simulações estacionárias e dinâmicas, discutindo termodinâmica, cinética de reações, variáveis de processo, esquemas e fluxogramas e o projeto do reator. Oferecendo uma riqueza de exemplos do mundo real e resultados práticos, Modelagem e Simulação de Reatores Catalíticos para o Refino de Petróleo ilustra emulações de plantas-piloto e de plantas comerciais. São oferecidos todos os dados necessários para a construção e validação de modelos e, ainda, instruções para adaptar programas de computador para uso em simulação, otimização e projeto de reatores, no que se propõe a ser o melhor guia para modelagem de reatores na indústria de refino de petróleo.

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1 - REFINO DE PETRÓLEO

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REFINO DE PETRÓLEO

1.1 PROPRIEDADES DO PETRÓLEO

O petróleo é a substância mais importante utilizada pela sociedade moderna. Ele fornece não apenas combustível e energia para o transporte, mas também é usado em plásticos, tintas, fertilizantes, inseticidas, medicamentos, entre outros. A composição exata do petróleo varia muito de fonte para fonte, mas o percentual de elementos químicos muda em uma faixa de limites bastante estreita. Hidrogênio e carbono são os principais componentes; enxofre, nitrogênio, oxigênio e metais estão presentes em quantidades relativamente baixas (Tabela 1.1). Normalmente, o petróleo ou óleo cru vem do subsolo, onde vestígios de plantas e de animais de milhões de anos atrás têm sido aquecidos e pressurizados ao longo do tempo. É de cor escura e tem um odor característico devido à presença de pequenas quantidades de compostos químicos contendo enxofre, nitrogênio e metais.

A mudança na qualidade do óleo cru em todo o mundo (por exemplo, a produção de petróleo pesado tem aumentado nos últimos anos) tem obrigado as companhias de refino a reestruturar as atuais refinarias e projetar novas plantas para processar matérias-primas mais pesadas (ou seja, mistura de vários óleos crus de petróleo com elevada quantidade de petróleo pesado). Essas novas fontes alimentação são caracterizadas por elevadas quantidades de impurezas (enxofre, metais, nitrogênio, asfaltenos) e baixos rendimentos em destilados, tornando seu processamento mais difícil do que óleos leves crus.

 

2 - MODELAGEM DE REATORES NA INDÚSTRIA DO REFINO DE PETRÓLEO

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MODELAGEM DE REATORES NA INDÚSTRIA DO

REFINO DE PETRÓLEO

2.1 DESCRIÇÃO DOS REATORES

Os reatores catalíticos multifásicos de leito empacotado (PBR) funcionam em dois modos: (1) operação em regime gotejante, com uma fase gás contínua e uma fase líquida distribuída, sendo a principal resistência

à transferência de massa localizada na fase gás; e (2) operação em regime de borbulhamento, com uma fase líquida contínua e uma fase gás distribuída, sendo a principal resistência à transferência de massa localizada na fase líquida. Para reações em sistemas trifásicos (fase líquida e fase gás em contato com um catalisador sólido), os modos comuns de operação são os reatores de leito gotejante ou reatores de leito empacotado, nos quais o catalisador é considerado uma fase estacionária e os reatores em lama, nos quais o catalisador é suspenso na fase líquida (Figura 2.1). Nesses reatores, o gás e o líquido se movem em um escoamento cocorrente descendente ou o gás é alimentado em um escoamento ascendente em sentido contracorrente em relação ao líquido. Comercialmente, os reatores de leito gotejante ou os reatores de leito empacotado são os mais usados, nos quais a fase líquida flui sob a forma de filmes, filetes (rivulet) e gotículas por meio das partículas de catalisador (Figura 2.2).

 

3 - MODELAGEM DO HIDROTRATAMENTO CATALÍTICO

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MODELAGEM DO HIDROTRATAMENTO

CATALÍTICO

3.1 O PROCESSO DE HIDROTRATAMENTO CATALÍTICO

O hidrotratamento catalítico (HDT) é extensivamente aplicado na indústria de refino de petróleo para remoção de impurezas, tais como heteroátomos (enxofre, nitrogênio, oxigênio), PNAs (aromáticos policíclicos ou polinucleares) e compostos contendo metais, (principalmente Ni e V). A concentração dessas impurezas aumenta à medida que o ponto de ebulição da fração de petróleo aumenta. Os compostos contendo -S, -N, -O e PNA são encontrados em matérias-primas de baixo peso molecular, como na destilação atmosférica (direta) (nafta, querosene, gasóleo), enquanto matérias-primas de elevado peso molecular

(gasóleo de vácuo, resíduo atmosférico e resíduo de vácuo) contêm as mesmas impurezas, mas em concentrações mais elevadas, além de compostos complexos contendo -V, -Ni e asfaltenos (Mochida e Choi,

2004).

Dependendo da natureza da alimentação, da quantidade e do tipo dos diferentes heteroátomos (isto é, compostos de diferentes reatividades), processos de hidrotratamento específicos têm sido desenvolvidos.

 

4 - MODELAGEM DA REFORMA CATALÍTICA

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MODELAGEM DA REFORMA CATALÍTICA

4.1 O PROCESSO DE REFORMA CATALÍTICA

4.1.1

Descrição

A reforma catalítica é um processo químico utilizado para converter nafta de petróleo, particularmente nafta de destilação atmosférica com baixo número de octano, em gasolina de alta octanagem, chamado reformado. Além de produzir o reformado, a reforma catalítica é também uma fonte primária dos aromáticos utilizados na indústria petroquímica (BTX: benzeno, tolueno e xileno).

A nafta de destilação atmosférica obtida diretamente a partir da coluna de destilação atmosférica de petróleo bruto é uma mistura de parafinas (hidrocarbonetos alifáticos saturados), naftenos (hidrocarbonetos cíclicos saturados contendo pelo menos um anel na estrutura) e aromáticos (hidrocarbonetos com um ou mais anéis poli-insaturados) na faixa de C5–C12 com um intervalo de ponto de ebulição entre 30 e 200°C, constituindo geralmente de 15 a 30% em massa do óleo bruto, com algumas pequenas quantidades de enxofre e nitrogênio. A carga típica da reforma catalítica é uma mistura de naftas de destilação atmosférica:

 

5 - MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE REATORES DE CRAQUEAMENTO CATALÍTICO EM LEITO FLUIDIZADO

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MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE REATORES DE

CRAQUEAMENTO CATALÍTICO EM LEITO

FLUIDIZADO

Rafael Maya-Yescas

Facultad de Ingeniería Química, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia,

Michoacán, México

O atual processo de craqueamento catalítico em leito fluidizado (FCC) evoluiu do craqueamento térmico de hidrocarbonetos em reatores de leito fixo para os processos que utilizam catalisadores suportados em argilas naturais em grandes leitos fluidizados. Depois dos anos de 1950, iniciou-se uma revolução com a introdução de zeólitas, peneiras moleculares que contêm locais catalíticos situados em poros de tamanho específico. Esses catalisadores promovem a seletividade e diminuem a formação de coque por deposição de precursor. As zeólitas foram seladas por matrizes mais duras, algumas delas contendo terras-raras, para promover a estabilidade térmica; assim nasceram os tipos X e Y de catalisadores modernos. Mais tarde, as zeólitas do tipo Y foram hidrogenadas para produzir o primeiro tipo HY, que serviu como base para a produção de uma zeólita “ultraestável”, chamada USY. A USY é capaz de promover velocidades de reação

 

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