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6 CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E
DESENVOLVIMENTO EM PETRLEO E GS
TTULO DO TRABALHO:
SIMULAO DA PRODUO DE GS SNTESE POR REFORMA AUTOTRMICA
DIRECIONADA AO PROCESSO GAS TO LIQUID (GTL).
AUTORES:
R.L.T.C.LIRA; M.C.S.CAMELO; S. LUCENA; LIMA FILHO, N. M
INSTITUIO:
Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) - Departamento de
Engenharia Qumica (DEQ)
Labortorio de Controle e Otimizao de Processos. (Laco)
Este Trabalho foi preparado para apresentao no 6 Congresso
Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petrleo e Gs- 6
PDPETRO, realizado pela a Associao Brasileira de P&D em Petrleo
e Gs-ABPG, no perodo de 09 a 13 de outubro de 2011, em
Florianpolis-SC. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comit
Cientfico do evento para apresentao, seguindo as informaes contidas
no documento submetido pelo(s) autor(es). O contedo do Trabalho,
como apresentado, no foi revisado pela ABPG. Os organizadores no
iro traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme,
apresentado, no necessariamente reflete as
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opinies da Associao Brasileira de P&D em Petrleo e Gs. O(s)
autor(es) tem conhecimento e aprovao de que este Trabalho seja
publicado nos Anais do 6PDPETRO.
TTULO DO TRABALHO
SIMULAO DA PRODUO DE GS SNTESE POR REFORMA
AUTOTRMICA DIRECIONADA AO PROCESSO GAS TO LIQUID (GTL)
Abstract
The aim of this study was to simulate the autothermal reforming
(ATR) with emphasis on
obtaining a synthesis gas of good quality targeted for the use
of process Gas to Liquid (GTL) which is
the raw material for production of hydrocarbons liquids..A
developed simulation considered the mass
balance for each component, and the set of its equations were
resolved by ASPEN HYSYS
simulator. The validation was developed using data available in
literature. The simulation results
showed a good agreement with the characteristics of the
synthesis gas obtained. Through the Graphics
obtained, and the ratio steam / methane and oxygen / methane
obtain the sensitivity analysis for a
better reason H2/CO and temperature control at the exit of the
reactor ATR.
Introduo
Devido s mudanas climticas, restries ambientais quanto qualidade
de combustveis e
aumento da demanda por flexibilidade na cadeia de insumos
energticos surgiram incentivos para a
busca de alternativas energticas aos produtos petrolferos. A
rota tecnolgica conhecida como Gas-to
liquid (GTL) um caminho promissor para auxiliar na resoluo de
tais problemas, pois converte gs
combustvel para combustveis lquidos sintticos.
O primeiro passo para a realizao da rota GTL a gerao do gs de
sntese, uma mistura de
hidrognio (H2) e monxido de carbono (CO). A razo H2/CO varia
conforme o tipo de insumo, que
pode ser qualquer material que contenha carbono e hidrognio, e
tambm com o mtodo de produo
da mistura.
O gs de sntese a matria-prima para o processo Fischer Tropsch
sendo esta etapa
considerada uma das mais importantes da converso do gs natural
em hidrocarbonetos lquidos. A
etapa de gerao de gs de sntese tem uma importncia muito grande
quando se pesa o investimento
financeiro de uma planta GTL, isto porque cerca de 50-60% do
custo de produo e 51 % do custo de
instalao so gastos com esta fase do processo. (CALLARI,
2007).
Para converter gs natural para a mistura gs de sntese, existem
quatro principais processos
bem estabelecidos comercialmente:
Reforma a vapor do metano (SMR)
Oxidao Parcial (POX)
Reforma Autotrmica (ATR)
Reforma combinada em duas etapas
Entretanto segundo o trabalho de Souza (2004), a soluo para o
dilema da razo ideal H2/CO para
o processo FT usar juntas as tecnologias de SMR e POX. O SMR
gera um gs de sntese com razo
superior a adequada enquanto que no POX esta mesma razo
inferior. Esta juno chama-se reforma
autotrmica (ATR) que combina SMR e POX em um mesmo reator.
chamado autotrmico por que
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o calor gerado pela reao de combusto (oxidao parcial) utilizado
pela reao de reforma a vapor
em contraste com os reatores convencionais que utilizam combusto
externa de combustveis para
gerar calor (Souza ,2008).
Ao contrrio de oxidao parcial, a reforma autotrmica usa um
catalisador para a reformar o gs
natural para gs de sntese na presena de vapor e oxignio. Devido
faixa de temperatura de
funcionamento ser mais branda (temperaura de saida ) e a
utilizao de vapor (razo
vapor/carbono (V/C), normalmente, mais do que 1,3), o gs de
sntese livre de fuligem e apresenta
teores menores de contamninantes como amnia e HCN em relao ao
que produzido na POX. No
entanto, para uma uma razo de V/C de 1,3 o gs de sintese ter uma
relao de H2 / CO de cerca de
2,5, que maior do que a relao necessria para a execuo da reao de
Fischer-Tropsch.
(VOSLOO, 2001) A relao H2/CO pode ser controlada por uma
combinao de dois fatores: a menor
razo de V/C e a reciclagem do CO2 para o reformador. Embora
razes de V/C abaixo de 1,3 no so
comercialmente usadas, Haldor Topsoe e a Sasol implementaram com
sucesso testes em escala
comercial com razo baixas de V/C na fbrica da Sasol no Sul da
Africa.
Metodologia
No desenvolvimento do processo ATR, foi utilizado o software de
simulao ASPEN HYSYS
para clculos de reaes de processamento de combustvel. O modelo
termodinmico escolhido foi o
modelo Redlich-Kwong-Soave (SRK).
Como as solues so baseadas em condies de equilbrio, o reator de
reformador depender
dos seguintes parmetros:
Composio qumica do combustvel.
Temperaturas das correntes de alimentao
Relao das razes O / C e S/C;
Perda/ Ganho de calor no reator;
Presso interna do reator.
Como o objetivo gerar gs de sntese com o uso do gs natural
inicalmente foi utilizado
como correntes de entrada, gs natural, oxigenio e vapor ,
utilizando como referncia dados de BAO;
EL-HALWAGI; NIMIR (2010). Os dados referente as condies
operacionais e a composio do gas
natural est demonstrada na tabela 1 e 2 respectivamente.
Tabela 1. Condies operacionais do Gs Natural Tabela 2. Composio
do Gs Natural
Composio do Gs Natural (% molar) Valor
Metano 95,39
Etano 3,91
Propano 0,03
CO2 0,59
N2 0,08
Condies Operacionais Valor
Temperatura (C) 26
Presso (bar) 26
Fluxo mssico (kg/h) 900000
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Para as correntes de vapor e oxignio, foram consideradas mesma
presso de operao ao
utilizada para o gs natural. Em seguida, as correntes so
misturadas com o gs natural, ajustando suas
vazes com nfase a estabelecer uma corrente de alimentao (Feed)
para o reator de reforma
autotrmica com uma razo molar de vapor/metano de 1,3 e uma razo
molar oxignio /metano de
0,6. Aps a mistura das correntes, a corrente de sada aquecida a
uma temperatura de 700C e
inserida no reator de reforma. O reator utilizado no simulador
foi um reator de Gibbs adiabtico com
uma queda de presso de 800 KPa. Este reator capaz de resolver as
reaes da reforma autotrmica
pois os clculos de equilbrio termodinmico do sistema tem como
base a minimizao da
energia livre de Gibbs. Ao trmino da reao os produtos obtidos so
resfriados a 40 C tornando
pronto o gs de sntese.
Resultados e Discusso
A reforma autotrmica funciona a uma faixa de temperatura de
funcionamento ser mais branda
( 1000C) e a utilizao de vapor gerar um gs de sntese livre de
fuligem e com teores menores de
contamninantes como amnia e HCN. O Fluxograma representado pela
figura 1.
Figura 1. Fluxograma da Reforma Autotrmica
A temperatura na corrente Reformer resultante do reator ATR foi
1098 C, valor este que est
acordo com a literatura como em VOSLO (2001). Aps o resfriamento
da corrente foi obtido as
seguintes condies operacionais e a composio do gs de sntese
representado pela corrente
Synthesis Gas no simulador com seus resultados apresentados nas
tabelas 3 e 4:
Tabela 3. Condies operacionais do gs de sntese
Condies Operacionais Valor
Temperatura (C) 40
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Presso (bar) 18
Fluxo mssico (kg/h) 3081000
Tabela 4. Composio do gs de sntese obtido
Composio do Gs de Sntese (% molar) Valor
Metano 0,0791
CO2 4,9456
O2 0
H2O 26,7062
N2 0,0198
CO 18,7933
H2 49,456
Nestas condies foi obtido uma corrente de gs de sntese com uma
razo H2/CO de 2,56.
Para avaliar o quanto poderia ser ajustado esta razo foi
observado o efeito das razes molares de
vapor/ metano (S/C) e oxignio/metano (O/C) nas correntes de
entrada e por conseqncia analisar o
quanto a temperatura de sada do reator ATR variava, os
resultados so demonstrados graficamente
nas figuras 2,3,4 e 5.
Figura 2. Influncia dar razo O/C na razo H2/CO
05
10152025303540
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
H2/
CO
O/C
Influncia da Razo O/C na razo H2/CO
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Figura 3. Influncia dar razo S/C na razo H2/CO
Com relao aos resultados obtidos referentes s figuras 2 e 3,
observa-se que aumentando a
razo de O/C na entrada do reator ATR ocorre uma diminuio da razo
H2/CO j para o aumento da
razo S/C aumenta a razo H2/CO. Estas observaes so teis para
identificar qual melhor forma de
distribuir a alimentao no reator ATR, para obter um gs de sntese
de melhor qualidade e melhor
direcionados a sua converso para produo de hidrocarbonetos
desejados.
Figura 4. Influncia dar razo O/C na TATR
Figura 5. Influencia dar razo S/C na TATR
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
H2/
CO
S/C
Influncia da Razo S/C na razo H2/CO
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Tem
pera
tura
da
Corren
te d
e
Refo
rm
a (
K)
Razo S/C
Temperatura da Corrente de Reforma x Razo S/C
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Tem
peratu
ra d
a C
orren
te d
e
Refo
rm
a (
k)
Razo O/C
Temperatura da Corrente de Reforma x Razo O/C
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Com relao s figuras 4 e 5 observado que as razoes O/C e S/C
diminuem e aumenta
respectivamente a temperatura de reao do reator ATR (TATR), uma
caracterstica que ao ser bem
avaliada possvel determinar um bom controle operacional da
temperatura, no permitindo uma
degradao dos componentes do gs de sntese e nem avarias no
reator, caso apresentem temperatura
excessivas, pois o reator ATR opera a uma faixa de 1000C. Com a
analise de sensibilidade feita na
reforma autotrmica, os valores das razes molares O/C e S/C,
foram ajustadas para 0,6 e 0,4
respectivamente para obter uma concentrao H2/CO ao redor de 2,
pois de acordo com VOSLO
(2001) uma razo mais adequada para a para a sntese de Fischer
Tropsch na tecnologia Gas to
Liquid.
Concluses
Condies especiais de operao para a produo eficiente de gs d
sntese com maior
quantidade de CO depende das combinaes das razoes, S / C e O/C.
A unidade ATR para a gerao
do gs de sntese permitiu observar que estas variveis de reao so
importantes Pois direcionam um
melhor controle de operao de temperatura do reator adiabtico
ATR, como pode gerar um gs de
maior qualidade para seu uso no processo Gas to Liquid..
Agradecimentos
Gostaria de agradecer ao Laboratrio de Controle e Otimizao de
Processos (LACO) da
Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e ao Programa de
Recursos Humanos da ANP ( PRH-
28).
Referncias Bibliogrficas
1. Troy A. Semelsberger, Lee F. Brown, Rodney L. Borup, Michael
A.; Equilibrium products
from autothermal processes for generating hydrogen-rich
fuel-cell feeds. International
Journal of Hydrogen Energy V. 29, P. 1047 1064, 2004
2. D.L. Hoang, S.H. Chan, O.L Ding; Hydrogen production for fuel
cells by autothermal
reforming of methane over sulfide nickel catalyst on a gamma
alumina support; Journal of
Power Sources V. 159, P. 12481257, 2006
3. Dunham, Fabrcio B.; Bomtempo, Jos V.; Almeida, Edmar Luiz F.
Trajetrias em
Combustveis Sintticos: Anlise dos Mecanismo de Seleo e Induo.
Revista Brasileira
De Inovao. So Paulo. V.5, N.1, P.99-127, Jan/Jul. 2006.
4. Bao, Buping; El-Halwagi, Mahmoud M; Elbashir, Nimir, O.
Simulation, Integration, And
Economic Analysis Of Gas-To-Liquid Processes. Fuel Processing
Technology. V. 91, P. 703-
713 ,2010.
5. Kim, Y. Heon; Jun, W.Jun; Joo, Hyunku. A Simulation Study On
Gas To Liquid (Natural
Gas To Fischer-Tropsch Synthetic Fuel) Process Optimization.
Chemical Engineering
Journal. V. 155, P.427-432,2009.
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6 CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRLEO
E GS
6. A. Ersoz, H. Olgun, S. Ozdogan, C. Gungor, F. Akgun, M. Trs;
Autothermal reforming as a
hydrocarbon fuel processing option for PEM fuel cell; Journal of
Power Sources , V. 118, P.
384392, 2003
7. Callari, Roberto. Produo De leo Diesel Limpo A Partir Do Gs
Natural: Estudo
de Viabilidade Tcnico-Econmica para a Instalao De Uma Planta GTL
(Gas-To-Liquids)
No Brasil Dissretao De Ps Graduao, Universidade De So Paulo,
2007.
8. Souza, B.F, (2004), Scale-Up Das Unidades de Gerao de Gs de
Sntese Para Tecnologias
Gas To Liquids GTL, Dissertao (Projeto Final De Graduao Em
Engenharia Qumica)
Escola De Qumica, Universidade Federal Do Rio De Janeiro, Rio De
Janeiro.
9. Vosloo, Anton C. Fischer Tropsch: A Futuristic View. Fuel
Processing Technology, V.71
P. 149-155, 2001.