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Produção de propeno, Steam Cracking, FCC, Desidrogenação, Methanol to olefins, Metátese, Fischer-Tropsch, Produtos C4=
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Transcript
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AVALIAÇÃO DE PROCESSOS PETROQUÍMICOS
Trabalho apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Biocombustíveis e Petroquímica, Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como requisito à aprovação na disciplina de Processos Petroquímicos I. Prof. D. Sc. Maria Letícia Murta Valle
RIO DE JANEIRO
2011
i
Sumário
Sumário ..................................................................................................................................... i
Lista de figuras ......................................................................................................................... ii
PARTE I ................................................................................................................................... 1
1. Tecnologias de produção de propeno ............................................................................. 2
1.1. Demanda de Propeno ............................................................................................... 3
1.2. Descrição das principais tecnologias de produção de propeno ................................ 5
1.2.1 Craqueamento a vapor (“Steam Cracking”) ............................................................ 6
Figura 1: Molécula de propeno ................................................................................................ 2 Figura 2: Modelo da cadeia de polipropileno sindiotático ........................................................ 3 Figura 3: Tecnologias de produção de propeno ...................................................................... 5 Figura 4: Reações principais envolvidas na pirólise de hidrocarbonetos. Adaptado de CHAUVEL; LEFEBVRE (1989) ................................................................................................ 6 Figura 5: Produtos indesejáveis da pirólise. Formação de hidrocarbonetos aromáticos e coque. Adaptado de CHAUVEL; LEFEBVRE (1989) .............................................................. 8 Figura 6: Reação de desidrogenação do propano ................................................................ 11 Figura 7: Processo Oleflex da UOP ....................................................................................... 12 Figura 8: Reação de metanol para hidrocarbonetos ............................................................. 13 Figura 9: Sistema para produção de alcanos e subprodutos ................................................ 13 Figura 10: Processo de produção de propeno à partir do metanol (Tecnologia DTP da Japan Gasoline Corporation) ................................................................................................. 15 Figura 11: Reação de Metátese ............................................................................................ 16 Figura 12: Reação de Metátese cruzada ............................................................................... 17 Figura 13: Modelo básico de Fischer-Tropsch ...................................................................... 23 Figura 14: Evolução das tecnologias de produção de olefinas C4 ......................................... 27
1
PARTE I
2
1. Tecnologias de produção de propeno
O propeno, também conhecido como propileno, é um composto orgânico
insaturado tendo a fórmula molecular química C3H6 (Figura 1). Ele tem uma dupla
ligação, e é o segundo membro mais simples dos alcenos (WIKIPEDIA, 2011).
A temperatura ambiente, o propeno é um gás, e como muitos outros alcenos, ele
é incolor com um fraco cheiro desagradável. Ele tem uma densidade e ponto de
ebulição mais altos que o etileno devido ao seu maior tamanho, e apresenta um
ponto de ebulição ligeiramente menor do que o propano (WIKIPEDIA, 2011).
Figura 1: Molécula de propeno
O propeno é produzido de combustíveis fósseis (petróleo, gás natural, e em uma
medida menor do carvão). É um subproduto do refino do petróleo e processamento
do gás natural. Eteno, propeno e outros compostos são produzidos pelo
craqueamento de grandes moléculas de hidrocarbonetos (WIKIPEDIA, 2011).
O propeno é material-prima de uma ampla variedade de produtos incluindo
polipropileno, um polímero versátil usado em embalagens e outras aplicações. É o
segundo maior volume de material-prima petroquímica produzida depois do eteno.
Ele é utilizado em processos para produção de acetona, fenol, isopropanol,
acrilonitrila, óxido de propileno e epicloridrina (WIKIPEDIA, 2011).
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4
A demanda de olefinas mundiais é primariamente dirigida pelo crescimento e
o aumento associado da demanda de bens de consumo. Com o futuro da demando
do propeno expera passar a demanda do eteno e continuar a crescer no Oriente
Médio, Crackers térmicos utilizando vantagens de custo para carga de etano, a
produção direcionada a propeno por tecnologias de craqueamento catalítico
tornaram-se mais importantes (KBR, 2011).
5
1.2. Descrição das principais tecnologias de produção de
propeno
As principais tecnologias de produção de propeno são craqueamento a vapor,
craqueamento fluidizado catalítico, desidrogenação, conversão de metanol para
olefinas e metátese. Apesar dos principais processos de produção de propeno
serem primeiramente o craqueamento a vapor e craqueamento catalítico em
segundo lugar, verifica-se que entre 1984 e 2011 muita atenção tem sido dada ao
processo de metátese, seguido pelo craqueamento catalítico através de um estudo
de patentes (Figura 3). Os principais países nas pesquisas de tecnologia de
produção de propeno são liderados por Estados Unidos, Alemanha, França e Japão.
Figura 3: Tecnologias de produção de propeno
6
1.2.1 Craqueamento a vapor (“Steam Cracking”)
O Steam Cracking produz primariamente etileno, mas também propileno, e como
produtos secundários, dependendo da matéria-prima utilizada, um corte C4 rico em
butadieno e um corte C5+ com um alto conteúdo de aromáticos, particularmente
benzeno. O processo de Steam Cracking consiste da pirólise de hidrocarbonetos
saturados do gás natural ou frações de petróleo na presença de vapor (CHAUVEL;
LEFEBVRE, 1989).
As reações de craqueamento são principalmente de quebra de ligações, sendo
que uma quantidade substancial de energia é necessária para dirigir a reação na
direção da produção de olefinas (Figura 4). Estas reações são altamente
endotérmicas, de tal modo que são favorecidas a altas temperaturas, e também a
baixas pressões devido ao aumento de volume provocado nas reações (MATAR;
HATCH, 2000).
Figura 4: Reações principais envolvidas na pirólise de hidrocarbonetos. Adaptado
de CHAUVEL; LEFEBVRE (1989)
Matéria-prima C7H16
CH3 CH3
CRAQUEAMENTO
PRIMÁRIO
C7H14
Produtos craqueados
CH3 CH3
+C3H8 C4H8C3H6C4H6
Propileno Propano 1-buteno Butadieno
CH3 CH3CH3 CH2 CH3 CH2
CH2 CH2
+CH4 C2H4 2C2H4 Coque
Metano Etileno
CH CH
Acetileno
CH3 CH
Propino
CICLOADIÇÕES E
DESIDROGENAÇÕES
Benzeno
DESIDROGENAÇÃO
Impurezas indesejáveis no uso de cortes olefínicos C2 e C3
Energia de ligação
C-H : 413 kJ/mol
C-C : 345 kJ/mol
7
Vapor superaquecido é usado para reduzir a pressão parcial dos hidrocarbonetos
reagentes. O vapor superaquecido também reduz os depósitos de carbono que são
formados pela pirólise dos hidrocarbonetos em altas temperaturas (MATAR; HATCH,
2000).
Adicionalmente, a presença de vapor como um diluente reduz as chances dos
hidrocarbonetos entrarem em contato com as paredes do tubo do reator, e formarem
depósitos que reduzem a transferência de calor através dos tubos do reator
(MATAR; HATCH, 2000).
No forno e no trocador de transferência em linha, o coque (
Figura 5) é um problema significante. O processo de coqueamento catalítico
ocorre sobre superfícies limpas de metal quando níquel e outros metais de transição
são usados nas ligas dos tubos da seção de radiação do forno catalisam a
desidrogenação e a formação de coque. A formação de coque reduz os rendimentos
dos produtos, aumenta o consumo energético, e diminui o tempo de serviço das
serpentinas (MATAR; HATCH, 2000).
O coqueamento está relacionado com a matéria-prima, temperatura e diluição
com vapor. Os tubos da seção de radiação gradualmente tornam-se cobertos com
uma camada interna de coque, aumentando assim a temperatura do metal do tubo,
e aumentando a perda de carga através deles. Quando o coque atinge um limite
permissível, que é indicado por uma alta perda de carga, ele deve ser removido
(MATAR; HATCH, 2000).
8
Figura 5: Produtos indesejáveis da pirólise. Formação de hidrocarbonetos
aromáticos e coque. Adaptado de CHAUVEL; LEFEBVRE (1989)