UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Inferência da Curva de Destilação ASTM da Destilação Atmosférica para Controle Avançado Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511 Projeto de Fim de Curso Diego Soares Silvestre Florianópolis, Outubro de 2005
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Inferência da Curva de Destilação ASTM da Destilação Atmosférica ...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Inferência da Curva de Destilação ASTM da Destilação Atmosférica para Controle Avançado
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511 Projeto de Fim de Curso
Diego Soares Silvestre
Florianópolis, Outubro de 2005
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Inferência da Curva de Destilação ASTM da Destilação Atmosférica para
Controle Avançado
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
Diego Soares Silvestre
Florianópolis, outubro de 2005
Inferência da Curva de Destilação ASTM da Destilação Atmosférica para o Controle Avançado
Diego Soares Silvestre
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial
Banca Examinadora:
Eng. Mário Luiz do Nascimento Orientador Empresa
Prof. Júlio Elias Normey Rico Orientador do Curso
Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina
Prof. Ricardo Machado, Avaliador
Hamilton Carmezini Junior, Debatedor
Francisco de Assis C. da S. Neto, Debatedor
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Agradecimentos Aos meus pais, Célio e Elenita, que sempre me apoiaram, sempre incentivando a continuar, a sempre alcançar os meus objetivos, e que fazem parte da minha vida; A minha namorada, Andréa, pelo incondicional apoio emocional, e a compreensão pela distância; Ao meu orientador professor Júlio Normey-Rico, pela sua orientação durante a vida acadêmica, e pela sua disposição de sempre ajudar quando necessário; Aos engenheiros Mario Luiz do Nascimento e Marcos Aurélio Evangelista, pela sua atenção, busca de objetivos para o trabalho, a sempre disposição de explicar o que às vezes não estava tão claro, e a importância do projeto que foi proposto a ser realizado; Aos outros estagiários e funcionários da Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR, que de alguma forma colaboraram na realização deste estágio; Ao apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo – ANP, e da Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP, por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT; E finalizando, a todos os meus amigos que contribuíram, direta ou indiretamente, para que esse projeto se tornasse realidade.
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Resumo
Este trabalho apresenta o estudo e implementação de um conjunto de
modificações do software de inferência de qualidade de produtos obtidos a partir
da coluna de destilação atmosférica da REPAR-Petrobras de Araucária –PR. Este
tipo de estudo torna-se necessário cada vez que são introduzidas modificações
nas unidades de processo que utilizam as inferências no seu sistema de controle.
Foram realizadas diversas modificações neste programa, tanto de escrita
de novas funções quanto de ajustes estatísticos, visando adequá-lo a nova
realidade da unidade de destilação atmosférica. Também elaborou-se uma
documentação deste programa para que em futuras modificações da unidade seja
mais fácil realizar os ajustes necessários para a volta da operação correta do
software.
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Abstract
This work presents the study and implementation of a set of modifications of
the software of inference of quality of products gotten from the column of
atmospheric destillation of the REPAR-Petrobras in Araucária - PR. This type of
study becomes necessary each time that is introduced modifications in the units of
process that use the inferences in its system of control.
Diverse modifications in this program had been carried through, as much of
writing of new functions as in statistical adjustments, aiming at to adjust it to a new
reality of the unit of atmospheric destillation. Also a documentation of this program
was elaborated so that in future modifications of the unit it is more easy to carry
through the necessary adjustments for the return of the correct operation of
2.1: Histórico da Empresa.................................................................................. 12 2.2: A Refinaria .................................................................................................. 12
2.2.1: Interligações......................................................................................... 13 2.3: Setores da REPAR ..................................................................................... 14
2.3.1: Setor de Destilação (U-2100)............................................................... 16 2.4: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 21
3.1.1: Volatilidade........................................................................................... 22 3.1.2: Pressão de Vapor................................................................................. 22
3.1.2.1: Influência da Pressão Externa na Vaporização ............................. 24 3.1.3: Ponto de Bolha e Ponto de Orvalho..................................................... 24 3.1.4: Pressão de Vapor de uma Mistura Líquida .......................................... 26
3.2: Princípio Geral da Destilação ..................................................................... 27 3.2.1: Razão de Equilíbrio K........................................................................... 29 3.2.2: Volatilidade Relativa............................................................................. 29
3.3: Processos de Destilação ............................................................................ 30 3.3.1: Destilação por Expansão Brusca (Destilação Flash ou Integral).......... 31 3.3.2: Destilação Simples (Destilação Diferencial)......................................... 32 3.3.3: Destilação Fracionada.......................................................................... 32
3.4.3: Componentes e Seções da Coluna de Destilação Convencional ........ 39 3.4.3.1: Componentes da Coluna ............................................................... 39 3.4.3.2: Seções da Coluna de Destilação................................................... 40
3.4.4: Mecanismo de Funcionamento de uma Torre de Destilação Convencional ................................................................................................. 41
3.5: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 42 Capítulo 4: Curvas de Destilação e Nível de Fracionamento ................................ 43
4.1: Curvas de Destilação.................................................................................. 43 4.1.1: Curvas ASTM (American Society For Testing And Materials).............. 43 4.1.2: Curva PEV (Ponto de Ebulição Verdadeiro)......................................... 44 4.1.3: Comparação Entre as Curvas ASTM e PEV ........................................ 46
5
4.2: Nível de Fracionamento.............................................................................. 46 4.3: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 49
Capítulo 5: Torre de Destilação Atmosférica (T-2103) .......................................... 50 5.1: Seção de Fracionamento............................................................................ 50 5.2: Seção de Retificação.................................................................................. 51 5.3: Objetivos e Tipos de Refluxos da T-2103................................................... 52
5.4: Detalhes dos Produtos e Frações da T-2103 ............................................. 54 5.4.1: Nafta DD (Destilação Direta)................................................................ 54 5.4.2: Querosene ........................................................................................... 54 5.4.3: Gasóleos Atmosféricos (Diesel Leve e Pesado) .................................. 54
5.5: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 55 Capítulo 6: Inferências e Controle Avançado ........................................................ 56
6.1: Inferências – Conceito e Utilidade .............................................................. 56 6.2: Controle Avançado ..................................................................................... 58 6.3: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 59
Capítulo 7: Programa de Inferências da Destilação ASTM ................................... 60 7.1: Introdução................................................................................................... 60
7.1.1: Controle Avançado na Unidade de Destilação Atmosférica ................. 61 7.1.2: Cálculo das Propriedades Internas da T-2103 ..................................... 61
7.1.2.1: Variáveis Calculadas para cada Seção ......................................... 62 7.1.2.2: Inferência da Destilação ASTM dos produtos da T-2103 .............. 62
7.1.3: Considerações Sobre o Fracionamento para o Programa de Inferências....................................................................................................................... 63
7.2: Visão Geral do Programa Principal de Inferência da Torre Atmosférica..... 66 7.2.1: Declaração das Partes da Torre Atmosférica....................................... 67 7.2.2: Inicialização das Partes da Torre Atmosférica ..................................... 67 7.2.3: Ligação das Partes da Torre Atmosférica ............................................ 68 7.2.4: Loop Principal do Programa de Inferência ........................................... 70
7.3: A Função que Calcula as Propriedades...................................................... 70 7.4: Filtros e Wegstein ....................................................................................... 71 7.5: Visão Mais Detalhada da Função Lê Dados Pertencente ao Loop Principal........................................................................................................................... 71 7.6: Visão Mais Detalhada da Função Calcula Torre Pertencente ao Loop Principal ............................................................................................................. 72 7.7: Visão Mais Detalhada da Função Escreve Resultados Pertencente ao Loop Principal ............................................................................................................. 72 7.8: Funções Importantes Utilizadas Pela Função Calcula Torre ...................... 73 7.9: Funções Auxiliares Contidas Fora do Código do Programa Principal ........ 74 7.10: Inclusão de LCO no Programa ................................................................. 75 7.11: Conclusões do Capítulo............................................................................ 76
Capítulo 8: Ajuste dos Coeficientes Estatísticos do Inferidor ................................ 77 8.1: Criação dos Primeiros Arquivos de Leitura, e Correções Visando Total Utilização ........................................................................................................... 79
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8.2: Calibração do Programa com o Conjunto Inicial de Dados Baseado em Médias ............................................................................................................... 82 8.3: Outliers ....................................................................................................... 85 8.4: Valores Iniciais do Programa e Múltiplas Iterações .................................... 85 8.5: Mais Iterações, e Leitura no Tempo ao Invés de Médias............................ 88 8.6: Conclusões do Capítulo.............................................................................. 92
Capítulo 9: Diesel Intermediário, Validação, Acompanhamento e Resultados...... 93 9.1: Validação com os Coeficientes Baseados em Médias ............................... 95 9.2: Validação com os Coeficientes Baseados em Leituras no Tempo ............. 96 9.3: Acompanhamento do Programa Rodando no Servidor e Resultados Obtidos........................................................................................................................... 97 9.4: Problema Encontrado no Acompanhamento, e Soluções......................... 100 9.5: Finalizando o Projeto ................................................................................ 102 9.6: Conclusões do Capítulo............................................................................ 102
Índice de Figuras Figura 1: Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR. ................................................................ 13 Figura 2: Sistema de terminais marítimos e oleodutos da REPAR. ................................................. 14 Figura 3: Fluxograma Geral das Principais Unidades de Processo da Refinaria............................. 15 Figura 4: Unidade de Destilação da REPAR .................................................................................... 16 Figura 5: Fluxograma Simplificado da Unidade de Destilação da REPAR....................................... 17 Figura 6: Torre de Destilação Atmosférica........................................................................................ 19 Figura 7: Torre de Destilação a Vácuo. ............................................................................................ 20 Figura 8: Pressão de Vapor. ............................................................................................................. 23 Figura 9: Ponto de Bolha e Orvalho. ................................................................................................. 26 Figura 10: Destilação Flash............................................................................................................... 31 Figura 11: Destilação Simples........................................................................................................... 32 Figura 12: Destilação Fracionada. .................................................................................................... 33 Figura 13: Destilação Fracionada com Refluxos. ............................................................................. 34 Figura 14: Esquema do Funcionamento de um Prato Valvulado. .................................................... 37 Figura 15: Recheio Randômico (IMTP)............................................................................................. 38 Figura 16: Recheio Estruturado. ....................................................................................................... 39 Figura 17: Esquema de uma Coluna de Destilação.......................................................................... 39 Figura 18: Curva de Destilação ASTM.............................................................................................. 44 Figura 19: Curva de Destilação PEV................................................................................................. 45 Figura 20: Comparação Entre as Duas Curvas. ............................................................................... 46 Figura 21: Fracionamento Perfeito.................................................................................................... 47 Figura 22: Fracionamento Ruim........................................................................................................ 47 Figura 23: Controle Realimentado. ................................................................................................... 56 Figura 24: Controle com Inferidor...................................................................................................... 57 Figura 25: Esquema Geral do Controle Avançado. .......................................................................... 59 Figura 26: Cortes / PEV. ................................................................................................................... 63 Figura 27: Fracionamento em uma Seção da Torre Atmosférica. .................................................... 64 Figura 28: L/V e o fracionamento. ..................................................................................................... 65 Figura 29: Torre de destilação / fracionamento. ............................................................................... 65 Figura 30: Ligação dos Produtos. ..................................................................................................... 68 Figura 31: Ligação das Seções......................................................................................................... 69 Figura 32: Ligação dos Refluxos....................................................................................................... 69 Figura 33: Principais Coeficientes da Inferência............................................................................... 77 Figura 34: Coeficientes da Inferência para T30% do RAT ............................................................... 78 Figura 35: Universo de Operação ..................................................................................................... 79 Figura 36: Diagrama do RCI ............................................................................................................. 80 Figura 37: Detalhe da Curva ASTM de um Produto. ........................................................................ 81 Figura 38: Solucionador .................................................................................................................... 83 Figura 39: T100% QR Inicial ............................................................................................................. 85 Figura 40: T100% QR Múltiplas Iterações ........................................................................................ 87 Figura 41: T100% DL Leitura no Tempo........................................................................................... 90 Figura 42: T10% DP Leitura no Tempo ............................................................................................ 90 Figura 43: Alinhamento dos Produtos da Torre da Destilação Atmosférica Montado no Inferidor... 93 Figura 44: Comparação do T85% Laboratório, Inferência e SICOM................................................ 98
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Capítulo 1: Introdução
Este relatório apresenta as atividades desenvolvidas durante o projeto de
fim de curso – PFC em Engenharia de Controle a Automação Industrial na
Refinaria Presidente Getúlio Vargas – UN-REPAR, em Araucária – PR, no período
de 15/02/2005 a 31/07/2005.
Não importa qual a finalidade se vai dar para o petróleo, combustível ou
algum outro produto acabado, praticamente todos os processos de refino a que o
petróleo é submetido passam pela destilação, o que mostra a grande importância
deste processo para uma refinaria de petróleo [ 1 ].
Levando em conta o grande volume de produção de uma refinaria de
petróleo, se percebe a importância de se ter um controle adequado de sua
produção, pois qualquer desajuste pode significar uma perda de milhares de
dólares.
O controle de uma unidade deste porte pode ser dividido em três níveis. No
nível 1 de controle encontram-se todos os controladores tipo PID ou avançados
(feedfoward, cascata,etc.) que controlam diretamente as temperaturas, pressões,
níveis, etc. das diferentes partes da unidade. Os setpoints destes controladores
são comandados por sua vez por um controle preditivo multivariável (nível 2) que
controla de forma geral a qualidade dos produtos (composição, etc.). Finalmente
no 3° nível encontra-se o otimizador que envia para o controle MIMO as
referências, calculadas levando em conta critérios de otimização econômica da
produção.
No controle de nível 2 de uma unidade de destilação atmosférica, é
necessário manter a qualidade dos produtos dentro de determinadas condições.
Para isto é necessário que o sistema de controle receba informação confiável das
variáveis que medem esta qualidade. Neste ponto, uma das principais dificuldades
é o grande tempo necessário para que a análise da qualidade dos produtos que
estão sendo destilados seja realizada.
Para contornar este problema, se utiliza comumente softwares de inferência
de qualidade destes produtos. Estes softwares utilizam medições de diversas
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variáveis disponíveis em tempo real e um modelo matemático que calcula a partir
das mesmas os valores das variáveis que deseja-se controlar. Assim tem-se,
antecipadamente, uma “inferência” do verdadeiro valor da variável a controlar que
pode ser usado no sistema de controle.
A REPAR utiliza normalmente este software no sistema de controle da
unidade de destilação atmosférica. Em 2004, ocorreram modificações na unidade
de destilação atmosférica, visando aumentar a produção da mesma (este
processo de reforma é chamado de REVAMP). Com estas alterações na unidade,
o programa de inferências que era utilizado parou de funcionar corretamente. Isso
se deu pelas alterações inseridas na torre atmosférica, em conjunto com a
alteração das frações que eram mandadas para esta torre, e pela introdução de
uma torre pré-flash para pré-processar a alimentação da coluna de destilação
atmosférica.
Atualmente, é necessário esperar cerca de quatro horas até que
modificações nas variáveis de controle da torre atmosférica (pressão e
temperatura das várias panelas da torre, vazão dos produtos, de carga da unidade
e de vapor introduzido na torre) apareçam na curva de destilação dos produtos,
que é o que se deseja controlar. Essa demora se deve ao tempo necessário para
que o produto chegue até os pontos de amostragem, além do tempo que leva a
análise do laboratório.
Mesmo sendo utilizados bonecos (modelos) para cada tipo de petróleo,
que permitem ter uma noção “grosseira” dos pontos de cortes dos produtos, se
perde um tempo significativo para se ajustar com precisão os pontos de cortes
conforme desejado, se perdendo tempo e dinheiro na operação desta unidade.
Com a volta da utilização da inferência da curva de destilação destes
produtos, se busca eliminar este “tempo morto” e aumentar a confiabilidade do
processo. Além disso, é possível voltar a utilizar o controle avançado da unidade,
e com isso manter o sistema mais tempo dentro da janela ótima de operação
calculada pelo otimizador.
Os objetivos deste projeto aqui relatado, foram o de reunir os códigos fonte
do programa de inferência original dos produtos da unidade de destilação
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atmosférica da REPAR, estudar e documentar o funcionamento do programa, e
realizar as modificações necessárias para que o software volte a funcionar
corretamente, sendo futuramente utilizado novamente pelo controle avançado da
unidade de destilação.
Com esses objetivos em mente, primeiramente se buscou conhecer a
refinaria e os processos da mesma, com uma certa ênfase na unidade de
destilação atmosférica (U-2100). Após essa etapa inicial, reuniram-se os vários
pedaços de código fonte que formavam o programa original, e realizou-se um
estudo tanto dos códigos quanto dos princípios da destilação atmosférica, de
maneira a compreender o funcionamento do programa e da destilação
atmosférica.
Após um estudo das modificações trazidas pelo REVAMP de 2004, foram
realizadas alterações no programa, gerando uma nova versão. Além disto foi
necessário realizar um ajuste estatístico de variáveis para as várias curvas de
destilação, se baseando em dias chave de teste. Foi também gerada uma
documentação extensa sobre o programa de inferências, de maneira que, quando
ocorrerem novos REVAMP’S (o próximo será provavelmente realizado em 2007),
se saiba como o programa funciona, e possam ser realizadas modificações no
software de maneira a voltar a adequá-lo.
Concluindo o trabalho, foi realizada a validação do software de inferências.
Posteriormente estava previsto utilizar o software em conjunto com o controle
avançado, que acabou não ocorrendo devido à falta de revisão do funcionamento
do controle para as novas condições da unidade. Apesar deste problema, foram
obtidos resultados que permitiram que o programa inferidor passasse a ser
utilizado pelos operadores da unidade, que atualmente realizam o controle da
operação.
O relatório está organizado da seguinte maneira: No próximo capítulo é
apresentada a REPAR, empresa onde o projeto foi realizado, além de mostrar as
varias unidades que compõem a refinaria. No Capítulo 3, passa a ser apresentada
a destilação atmosférica, com os fundamentos de como este processo funciona. O
Capítulo 4, aborda as curvas de destilação e o nível de fracionamento, dois
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conceitos importantes neste projeto. No Capítulo 5, se mostra com mais detalhes
a torre de destilação atmosférica (T-2103) da unidade de destilação atmosférica
da REPAR, torre onde foram medidos os dados para gerar as inferências. No
Capítulo 6, se aborda a teoria geral por trás das inferências, e o funcionamento do
controle avançado. No Capítulo 7, se mostra em maiores detalhes o programa de
inferências, como as variáveis inferidas e as modificações realizadas no software
para que o programa voltasse a operar corretamente. No Capítulo 8, se mostra
como ajustar os coeficientes estatísticos do programa, se baseando em dias teste
chave, além dos resultados dos testes realizados com esses coeficientes, se
focando principalmente nos componentes. O Capítulo 9 é focado no trabalho
desenvolvido para o diesel intermediário, com a validação realizada com o
conjunto final de coeficientes, e o acompanhamento dos resultados por três
semanas, além dos resultados obtidos com o programa de inferências.
Finalizando, são apresentadas as conclusões deste projeto.
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Capítulo 2: A Repar
Neste capítulo, é apresentada a refinaria REPAR, local onde foi realizado o
PFC. É apresentado um pequeno histórico, a organização desta empresa, as
principais unidades de processo e produtos da refinaria. As informações contidas
neste capítulo foram retiradas em grande parte do site interno da refinaria [ 2 ].
2.1: Histórico da Empresa
Em outubro de 1953, através da Lei 2.004 a Petróleo Brasileiro S.A. -
Petrobras foi criada para executar as atividades do setor de petróleo, no Brasil em
nome da União.
Hoje a Petrobras é constituída por noventa e cinco plataformas de
produção, dezesseis refinarias, pouco mais de trinta mil quilômetros em dutos e
cerca de seis mil postos de combustíveis. Fazendo parte deste patrimônio a
Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR.
A Refinaria Presidente Getúlio Vargas – REPAR foi construída na década
de 70, a 25 quilômetros de Curitiba, estado do Paraná.
2.2: A Refinaria
A UN-REPAR é a principal empresa do setor químico paranaense e a maior
indústria do sul do país, com 580 empregados próprios e 260 contratados e um
número quatro vezes maior de empregos indiretos.
Localizada em Araucária, a refinaria constitui o maior investimento
individual da Petrobras no Paraná, equivalente a 1,5 bilhão de dólares, com um
índice da nacionalização de 85% ocupando uma área de 10 milhões de metros
quadrados. A capacidade atual de refino é de 31 milhões de litros diários de
petróleo, equivalentes a 196 mil barris, representando 11,5% da produção
nacional, transformados nos produtos – óleo diesel (40%), gasolina (22%), gás de
Pesado e ainda Petrosolve, Gasóleo Leve (GOL), Gasóleo Pesado (GOP),
Resíduo de Vácuo (RV) e Óleo Combustível.
Na figura 4 é mostrada a foto da unidade, e na figura 5 mostra-se o
fluxograma simplificado da unidade:
Figura 4: Unidade de Destilação da REPAR
17
Figura 5: Fluxograma Simplificado da Unidade de Destilação da REPAR.
As várias partes que compõe a unidade 2100 são as seguintes:
• Baterias de Pré-Aquecimento e Dessalgadoras
O petróleo cru, carga da unidade, proveniente dos tanques de
armazenamento, é pré-aquecido numa bateria de permutadores de calor, desta
forma, tem-se um menor consumo de combustível, que seria necessário ao
aquecimento da carga, permitindo ainda um menor dimensionamento dos fornos.
O sistema de Dessalgadoras do petróleo tem como importância de evitar
corrosão nos sistemas de topo das torres, facilitar o escoamento e a troca térmica
nos permutadores e fornos por evitar a deposição de sais e sólidos no interior dos
equipamentos.
O petróleo, já dessalgado e desidratado, flui pelo topo dos vasos e é então
enviado para a Segunda Bateria de Pré-Aquecimento, com mesma finalidade que
a primeira.
• Torre Pré-Flash (T-2101)
O petróleo proveniente da Segunda Bateria de Pré-Aquecimento é
alimentado na Torre Pré-Vaporizadora, ou Pré-Flash. Esta torre foi projetada com
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o intuito de se ampliar a capacidade da unidade, retirando-se as frações mais
leves do petróleo, não sobrecarregando então a Torre de Destilação Atmosférica.
• Torre Estabilizadora (T-2102)
A Torre Estabilizadora recebe a carga de topo de Torre de Pré-
Vaporização, composta basicamente de GLP e Nafta Leve. Esta torre opera com
as funcionalidades de Torre Estabilizadora de Nafta, tendo como objetivo a
remoção do GLP necessário para especificar a pressão de vapor da Nafta Leve
(gasolina de destilação direta). Esta torre também é chamada de Debutanizadora
quando se deseja retirar da carga o máximo de GLP (C3 e C4), e não apenas o
necessário para estabilizar a nafta leve.
• Fornos
Os Fornos da Unidade de Destilação são utilizados para promover o
aquecimento das cargas de alimentação da Torre de Destilação Atmosférica,
Torre de Destilação à Vácuo, e Refervedor da Torre Pré-Vaporizada. Com
exceção deste último, os demais fornos da unidade possuem, na zona de
convecção, serpentinas para a geração e superaquecimento de vapor, visando
aumentar a eficiência térmica dos Fornos.
• Torre de Destilação Atmosférica (T-2103)
É a principal torre da unidade na qual é retirada a maior parte dos produtos.
A alimentação desta torre consiste no produto de fundo da Torre Pré-Flash. A
carga fracionada tem como produtos: no topo a Nafta Pesada, nos cortes laterais
o Querosene, Diesel Leve e Diesel Pesado e no fundo o Resíduo Atmosférico
(RAT).
A torre é formada por duas seções: a primeira seção de absorção ou
fracionamento, situada acima da zona de vaporização, sendo constituída por 10
pratos valvulados e recheios randômicos para a troca de calor, e recheios
ordenados para o fracionamento. A segunda seção, de esgotamento ou
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retificação, situada abaixo da zona de vaporização é constituída por recheios
randômicos onde ocorre a retificação dos produtos de fundo, através da injeção de
vapor de retificação.
O emprego de vapor de retificação ao uso de fornos refervedores apresenta
as seguintes vantagens: redução dos efeitos de craqueamento catalítico de
hidrocarbonetos constituintes do petróleo, redução da pressão parcial dos
hidrocarbonetos e um conseqüente maior percentual de vaporização.
Os produtos da torre são retirados através de cortes pelos diferentes pontos
de ebulição e orvalho. O fracionamento e o balanço de calor da Torre de
Destilação Atmosférica são controlados normalmente através de três refluxos
circulantes: superior, inferior e de fundo. Na Figura 6 tem-se a foto da Torre de
Destilação Atmosférica.
Figura 6: Torre de Destilação Atmosférica.
• Torre de Retificação (T-2104)
A Torre Retificadora é constituída de três seções independentes de
retificação, sobrepostas umas sobre as outras. Cada uma destas seções é
alimentada por uma fração de corte lateral da Torre de Destilação Atmosférica,
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sendo na parte inferior de cada seção injetado vapor de retificação, para promover
a vaporização de hidrocarbonetos leves. Os hidrocarbonetos leves são
realimentados na Torre de Destilação Atmosférica.
Os produtos são enviados, então, para trocarem calor nos permutadores do
pré-aquecimento do cru e depois cada um vai para um tanque de armazenamento
específico. O querosene pode ainda ser enviado para Unidade de Tratamento
MEROX.
• Torre de Destilação a Vácuo (T-2105)
O fracionamento do Resíduo da Destilação Atmosférica (RAT), requer a
vaporização do mesmo e assim o emprego de temperaturas elevadas, o que
acarreta no craqueamento térmico, rompendo as ligações químicas pela ação do
calor. Para minimizar este efeito, o RAT é fracionado sob condições reduzidas de
pressão, o que proporciona uma diminuição do ponto de ebulição das frações a
serem separadas. Na figura 7 é mostrada a foto da unidade de destilação a vácuo.
Figura 7: Torre de Destilação a Vácuo.
21
• Unidade de Solventes
A Unidade de Solventes foi projetada para produzir Petrosolve, Hexano,
Solvente de Borracha e Aguarrás, processando Nafta Leve para a obtenção dos
três primeiros e Nafta Pesada para a obtenção de Aguarrás.
• Unidade de Águas Ácidas
A Unidade de Retificação de Águas Ácidas tem como finalidade a remoção,
por stripping com vapor, do gás sulfídrico (H2S) e da amônia (NH3), contidos nas
correntes de águas ácidas provenientes dos sistemas de topo da unidade.
• Tratamento MEROX
O tratamento Merox tem por finalidade promover o adoçamento de Nafta
Pesada ou de Querosene de Aviação (QAV).
2.4: Conclusões do Capítulo
Neste capítulo foi apresentada a empresa onde o projeto foi realizado, com
uma ênfase especial para a área de destilação atmosférica, por ser para esta que
o projeto se destinava.
22
Capítulo 3: Destilação Atmosférica
Como o programa de inferências dos pontos de destilação ASTM de
produtos funciona sobre a unidade de destilação atmosférica (U-2100), se estuda
com mais detalhes neste capítulo os conceitos fundamentais da destilação
atmosférica para que se possa entender melhor o processo de destilação.
A destilação é um processo que, se baseando na diferença dos pontos de
ebulição de uma mistura de componentes, serve para separar componentes de
uma mistura de líquidos miscíveis [ 3 ] [ 4 ].
3.1: Conceitos da Destilação
3.1.1: Volatilidade
É o potencial de uma substância de passar para o estado de vapor. Em
outras palavras, as substâncias mais voláteis de uma mistura são aquelas que no
estado puro tem a maior pressão de vapor (maior tendência de escapar do
líquido).
Como exemplo, se pode citar que o metano é mais volátil que o etano, que
por sua vez é mais volátil que o propano. Isso se deve ao fato que geralmente a
volatilidade de uma substância é diretamente proporcional ao tamanho da cadeia
de sua molécula.
3.1.2: Pressão de Vapor
Considere um recipiente fechado onde se coloca uma certa quantidade de
mistura líquida, por exemplo, hidrocarbonetos, a temperatura constante. Pela
teoria cinética as forças que atuam sobre as moléculas presentes na superfície do
líquido são maiores no sentido do interior do líquido para a superfície.
Por causa do desequilíbrio previamente citado, as moléculas da superfície
do líquido tenderão a evaporar. Com as moléculas passando da fase líquida para
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a fase vapor, a pressão do recipiente irá aumentar, devido aos choques das
moléculas de vapor contra a superfície do recipiente. Essa pressão é diretamente
proporcional ao número de moléculas vaporizadas, mas esse valor não aumenta
indefinidamente, pois num determinado momento, se chegará a um ponto de
equilíbrio dinâmico, em que o número de moléculas que saem do líquido será o
mesmo número de moléculas que passam de vapor para o líquido. Nesse
momento, a pressão exercida pelo vapor passará a ser a pressão de vapor da
mistura na temperatura fixada.
Na figura 8 pode ser visto este recipiente fechado com as transformações
de estado ocorrendo em seu interior.
A composição do vapor e do líquido não mais se alterará por maior que seja
o tempo. Diz-se então, que o líquido e o seu vapor estão em equilíbrio.
Figura 8: Pressão de Vapor.
Supõe-se agora que a temperatura seja aumentada. Com isso, a energia
cinética das moléculas na superfície do líquido aumentará, e assim um maior
número de moléculas passarão do estado líquido para o vapor e vice-versa, e uma
nova situação de equilíbrio será atingida. A pressão do recipiente (pressão de
vapor do líquido) será maior que no caso anterior, quando a temperatura era mais
baixa.
Partindo disto, se conclui que a pressão de vapor de um líquido varia com a
temperatura, e é tanto maior quanto mais alta for esta temperatura.
Finalizando, se chega a lei fundamental da pressão de vapor, que é: A
pressão máxima de vapor de um líquido depende somente da natureza do líquido
e da temperatura.
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3.1.2.1: Influência da Pressão Externa na Vaporização A pressão externa também tem influência na vaporização de um líquido.
Para facilitar a explicação, considera-se como exemplo um líquido puro, como
água, a 30ºC, e a pressão atmosférica padrão (101,3 kPa). Nesta temperatura, a
pressão de vapor da água é 4,24kPa.
A medida que se vai cedendo calor à água, sua temperatura vai subindo
(calor sensível), aumentando a pressão de vapor da mesma. Quando a
temperatura da água chegar a 100ºC, esta começará a ferver, e todo o calor
fornecido passa a ser usado como calor latente de vaporização, não mais
elevando a temperatura da mesma. Nesse momento, a pressão de vapor é 101,3
kPa. Ou seja, o ponto de ebulição normal da água é 100ºC porque sua pressão de
vapor torna-se igual à pressão atmosférica.
Esta análise leva a seguinte conclusão: um líquido puro entra em ebulição a
uma dada temperatura quando a pressão de vapor correspondente a esta
temperatura iguala à pressão ao que o líquido está submetido.
Logicamente, se a pressão externa que atua sobre o líquido for aumentada,
o líquido necessitará de uma temperatura maior para entrar em ebulição, até que a
pressão de vapor se iguale à pressão externa. O mesmo raciocínio se aplica
quando a pressão externa diminui, passando a água a ferver a uma temperatura
menor que 100ºC. A tabela 1 exemplifica esta idéia no caso da água.
Pressão (kPa) Temperatura (ºC)
101,3 100 202,6 120
Tabela 1: Ponto de Ebulição por Pressão da Água.
3.1.3: Ponto de Bolha e Ponto de Orvalho
Um detalhe importante é que a uma determinada pressão, a vaporização de
um composto puro se processa a uma temperatura constante, sem modificar a
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composição de seus vapores, diferente do que acontece na vaporização de uma
mistura.
Numa mistura, a vaporização e a condensação não dependem apenas da
pressão de vapor de seus componentes, pois se verifica que os componentes
mais voláteis exercem um efeito de arraste sobre os componentes mais pesados
ou menos voláteis, os quais, por sua vez, tem uma ação aceleradora sobre a
condensação dos componentes mais leves.
Assim, uma mistura constituída por butano, pentano, hexano e heptano, por
exemplo, evapora-se completamente a uma temperatura mais baixa do que o
ponto de ebulição do heptano, do mesmo modo que se condensa a uma
temperatura mais alta do que a do ponto de condensação do butano.
Levando isso em conta, se chega a dois conceitos:
Ponto de Bolha: é a temperatura de uma mistura a uma dada pressão, em
que a mesma começa a ferver (primeira bolha na massa líquida). Quando a
pressão é a atmosférica, o ponto de bolha da mistura é chamado de ponto de
ebulição normal.
Ponto de Orvalho: é a temperatura de uma mistura vaporizada a uma
dada pressão, onde se condensa a primeira gota de líquido. Entre esses dois
pontos, a mistura estará entre 0% e 100% vaporizada.
Ambos pontos acima mudam de posição para cada composição da mistura,
gerando duas curvas, a curva de pontos de bolha e de pontos de orvalho.
A modo de exemplo considera-se uma mistura binária de benzeno-tolueno
a pressão atmosférica. A figura 9 mostra as curvas de equilíbrio temperatura por
composição de benzeno da mistura. Além disso, esta figura servirá para
exemplificar outros conceitos vistos mais adiante neste capítulo.
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Figura 9: Ponto de Bolha e Orvalho.
Conforme a figura 9, se percebe que o benzeno é o componente mais
volátil da mistura, sendo seu ponto de ebulição normal igual a 81ºC (fração molar
do benzeno = 1), enquanto o tolueno, menos volátil, tem seu ponto de ebulição
normal igual a 110,6ºC (fração molar do benzeno = 0).
Percebe-se, também pela análise da figura 9, que para cada composição da
mistura, haverá diferentes pontos de orvalho e bolha.
3.1.4: Pressão de Vapor de uma Mistura Líquida
Para misturas, a pressão de vapor não depende apenas da mistura, mas
também de sua composição.
Como exemplo considera-se as pressões de vapor do tolueno e do benzeno
a 82ºC, que são respectivamente 41,597 kPa e 107,325 kPa. Uma mistura destas
substâncias, nesta temperatura, não terá a pressão de vapor equivalente a soma
direta das duas pressões de vapor (149,92 kPa). Cada componente irá contribuir
com uma parcela da pressão de vapor da mistura, equivalente a sua composição
molar presente na mistura.
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Considerando-se a mistura líquida como ideal, pode-se calcular a
contribuição de cada componente na pressão de vapor da mistura, utilizando-se a
Lei de Raoult, (equação 1).
Pa = Pa’ * Xa (1) Pa = Pressão parcial de vapor do componente A na mistura líquida. Pa’ = Pressão de vapor do componente A na temperatura do sistema. Xa = Fração molar do componente A no líquido. Utilizando a Lei de Raoult, e se supondo que a mistura contém 60% molar
de benzeno e está na temperatura citada previamente, terá uma pressão de valor
igual a 81,034 kPa, de acordo com as seguintes contribuições:
• Tolueno : 41,597 Kpa * 0,4 = 16,639 kPa;
• Benzeno : 107,325 Kpa * 0,6 = 64,395 kPa.
Obviamente, se a composição da mistura mudar, mesmo que a temperatura
permaneça constante, a pressão de vapor da mistura também mudará.
3.2: Princípio Geral da Destilação
Para se avançar no estudo da destilação, é preciso o conhecimento do
equilíbrio líquido-vapor. Quando uma mistura líquida estiver em equilíbrio com o
vapor correspondente, a pressão de vapor desta mistura será igual à pressão total
do sistema.
Utilizando a mesma mistura do exemplo anterior, nota-se que a pressão de
vapor da mistura é inferior à pressão atmosférica (81,034 kPa < 101,325 kPa).
Isso significa que não existe um vapor em equilíbrio com a mistura líquida, sendo
assim que a mistura é um liquido sub-resfriado, conforme pode ser visto no ponto
“a” (82ºC – 0,6 benzeno) na figura 9, mostrada na seção 3.1.3.
Aquecendo-se a mistura até 89,4ºC (ponto “b”), a pressão de vapor da
mistura passa a ser 101,325 kPa (20,932 Kpa + 80,393 Kpa ), dessa maneira se
igualando à pressão atmosférica, assim passando a existir um vapor de equilíbrio
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com esta mistura líquida. O ponto “b” passa a ser chamado de ponto de bolha
para essa mistura líquida com 60% molar de benzeno.
O vapor, que está em equilíbrio com a mistura líquida que se encontra no
ponto “b”, aparece no ponto “c” do mesmo gráfico.
Considerando-se que este vapor tem um comportamento ideal, pode-se,
através da Lei de Raoult e da Lei de Dalton, obter a composição deste vapor, da
seguinte maneira:
A Lei de Dalton, (equação 2), permite que seja calculada a pressão parcial
de cada componente neste vapor gerado da mistura.
Pa = P * Ya (2) Pa = Pressão parcial do componente A na fase vapor. P = Pressão total do sistema.
Ya = Fração molar do componente A na fase vapor.
Combinando a Lei de Dalton com a Lei de Raoult, se chega à equação 3: Ya = (Pa’ / P) * Xa (3)
A equação 3 só tem sentido quando existe um vapor em equilíbrio com a
mistura. Da equação, se percebe que a composição de equilíbrio de um
componente no vapor é diretamente proporcional à sua composição no líquido e à
sua pressão de vapor, e é inversamente proporcional à pressão total do sistema.
Utilizando esta equação, pode-se calcular a composição do vapor que esta
em equilíbrio com a mistura de 60% molar de benzeno no ponto de bolha, na