PI0405873 EQUIPAMENTO DE SEPARAÇÃO GÁS-SÓLIDO EM UM PROCESSO DE CRAQUEAMENTO CATALÍTICO FLUIDO EM FLUXO DESCENDENTE
Depósito: 05/09/2008
Destaque: economia de US$12 milhões anuais na empresa
Inventor: Waldir Pedro Martignoni / José Geraldo Furtado Ramos / Wilson Kenzo Huziwara / Cláudio Fonseca Machado dos Santos / Andrea de Rezende Pinho / Mauro Silva / Aurélio Medina Dubois / Paulo Sérgio Freire / Nelson Patricio Junior
Titular: PETROBRÁS (BR/RJ)
O uso exclusivo de reatores de fluxo ascendente, ou RISER, para realização do craqueamento catalítico representou uma evolução natural do craqueamento em leito. Esta evolução foi impulsionada pelo avanço da tecnologia de catalisadores, sobretudo com o advento da zeólita - Y. Assim, substituiu-se o alto tempo de contato em leito – que corresponde ao uso de catalisador, em média bastante coqueado no leito – por variáveis como a temperatura de reação e atividade do catalisador, mais seletivas ao craqueamento catalítico e, portanto, a produtos nobres, objetivo da unidade de FCC. Gradativamente, o craqueamento térmico vem sendo reduzido e vem sendo aumentada a participação do craqueamento catalítico no processo de FCC. Uma forma de minimizar, novamente, o craqueamento térmico no reator, minimizando as produções de coque e gás combustível, é promover o escoamento o mais próximo possível ao plug flow, substituindo os atuais reatores RISERS por reatores de fluxo descendente, mais conhecidos como DOWNER ou DOWNFLOW. A principal vantagem do reator de fluxo descendente DOWNFLOW é o perfil de escoamento mais homogêneo ("plug flow"), que minimiza o "back mixing" (retorno de material) e o craqueamento térmico indesejado, favorecendo o craqueamento catalítico e melhorando o rendimento de produtos nobres.
O reator de fluxo descendente oferece vantagens significativas de seletividade, principalmente em termos de coque e olefinas, devido ao seu padrão de fluxo gás-sólido muito mais uniforme. No entanto, em reatores de fluxo descendente, o tempo de residência do catalisador e a retenção do catalisador são menores, considerando o mesmo tempo de residência de hidrocarbonetos usado em um riser. Assim, para obter os níveis de conversão adequados, seria necessária uma maior proporção de catalisador para óleo, maior temperatura de reação ou catalisador mais ativo. Historicamente, o processo de craqueamento catalítico fluido (FCC) tem sido voltado para a produção de gasolina máxima. Esse cenário tradicional mudou drasticamente nos últimos anos. Há uma demanda crescente de óleo diesel na UE e em alguns outros países. Ainda mais importante é a forte tendência de aumentar a produção de olefinas leves, que são usadas como blocos de construção para petroquímicos, por exemplo. Eles também podem ser usados para a produção de alquilatos, adequados para serem adicionados como impulsionador de octanagem na piscina de gasolina.
A reação em reator tubular descendente – DOWNFLOW – representa significativa evolução em relação ao RISER. Neste último, a gravidade “freia” o catalisador reduzindo sua velocidade, tornando-o mais lento que o escoamento dos hidrocarbonetos em fase gasosa. Esta relação de velocidades entre o gás e o catalisador – slip – pode ser de 2 a 3. Este fenômeno provoca ainda uma acumulação de catalisador junto à parede, enquanto a parte central do RISER permanece com pouco catalisador. A concentração de catalisador junto à parede pode ser até 10 vezes maior que a no centro do RISER. Junto à parede, tem-se retorno de catalisador – back mixing – que favorece o indesejável craqueamento térmico. Já na região mais central do RISER, a relativa ausência de catalisador leva também à incidência de craqueamento térmico. Trata-se do conhecido efeito core-annulus. No DOWNFLOW, ao contrário, o escoamento a favor da gravidade leva catalisador e gás a trafegar com velocidades próximas. O efeito core-annulus é drasticamente reduzido e a distribuição de catalisador na seção transversal do DOWNFLOW é extremamente homogênea. O escoamento aproxima-se das condições ideais do chamado plug flow, praticamente eliminando o back mixing. Estas alterações no perfil de escoamento, ao favorecer as reações catalíticas em detrimento das reações térmicas, apresentam um reflexo altamente positivo sobre o perfil de rendimentos. Por essa razão, o DOWNFLOW vem sendo estudado em diversos países, incluindo licenciadores de FCC, centros de pesquisa e universidades.
Esta invenção PI0405873 descreve um equipamento melhorado para separar gases e partículas sólidas (catalisador usado) no final de um processo industrial que quebra petróleo em produtos mais leves, como gasolina. Esse processo específico faz a mistura de petróleo e catalisador fluir de cima para baixo. O problema que a invenção resolve é o acúmulo de partículas sólidas na entrada dos ciclones (equipamentos que separam os gases dos sólidos). Esse acúmulo causa dois grandes problemas: desgasta rapidamente as paredes dos ciclones e reduz a eficiência da separação, deixando que partículas sólidas contaminem o produto final. A invenção identifica e foca em um novo problema que surge no final deste processo downflow: a separação do catalisador gasto dos gases produtos. Especificamente, o acúmulo de catalisador sólido na região de entrada dos ciclones de separação, o que causa desgaste e reduz a eficiência. A invenção patenteada não é o reator downflow em si, mas sim um equipamento de separação gás-sólido aprimorado projetado especificamente para funcionar acoplado a esse tipo de reator.
Ela propõe duas soluções (dispositivo de fluidização e terminação aberta) para resolver o problema do acúmulo de catalisador, garantindo que as vantagens do downflow (como alta eficiência e seletividade) não sejam perdidas na etapa final de separação. A invenção propõem portanto, duas soluções simples: 1) Fluidização na Base: Instala-se um dispositivo na base do reator, como uma placa perfurada, que injeta um gás (como vapor d'água). Esse gás "afofa" e homogeniza as partículas sólidas acumuladas, impedindo que formem blocos compactos e facilitando seu escoamento, o que reduz o desgaste e melhora a separação. 2) Saída Direta Alternativa: Cria-se um caminho alternativo, uma abertura na extremidade do reator, por onde uma parte das partículas sólidas pode escapar diretamente para o fundo do tanque coletor, sem precisar passar pelos ciclones. Isso reduz significativamente a quantidade de sólidos que os ciclones precisam processar, diminuindo o desgaste e aumentando a eficiência deles para o material que ainda precisam separar.
Em testes, a segunda solução (com uma abertura restrita) mostrou os melhores resultados, alcançando uma eficiência de separação de 99,8%, maior do que a dos equipamentos convencionais, além de reduzir a erosão e tornar o processo mais estável. Em resumo, é uma melhoria de engenharia que aumenta a eficiência e a durabilidade do equipamento de separação. O domínio da tecnologia de catalisadores pela Petrobras, através de sua joint venture com a Akzo-Nobel, tem sido de vital importância na busca da excelência para a nova tecnologia. A própria Akzo-Nobel dispõe de experiência na operação de unidade-piloto DOWNFLOW similar à do CENPES.
As reações de craqueamento térmico não são seletivas em produtos nobres como nafta e GLP, o que favorece a formação de coque e gás combustível no reator RISER da FCC. Por esse motivo, o craqueamento térmico está sendo reduzido gradativamente e, consequentemente, a participação do craqueamento catalítico nesse processo está aumentando. Uma das formas de minimizar a fissuração térmica no reator é promover o escoamento o mais próximo possível do fluxo em pistão, por meio de reatores de escoamento descendente, mais comumente conhecidos como DOWNER ou DOWNFLOW. Inúmeros estudos já realizados no CENPES em unidades piloto a quente demonstraram a atratividade dessa tecnologia, por meio da utilização de unidades de demonstração a frio e do conhecimento completo das técnicas de fluidização e engenharia da PETROBRAS. O DOWNFLOW apresenta ganhos de conversão significativos, de 2,2% em peso, basicamente devido ao aumento da produção de gasolina e GLP, resultando em um aumento de rentabilidade específica de 6,7 US$/t de ração. Isso é possível devido à baixa seletividade do DOWNFLOW para o coque. Essa tecnologia oferece uma alternativa promissora para o futuro, tendo em vista o aumento gradativo da participação do petróleo nacional da Bacia de Campos na lista de rações processadas nas unidades do FCC
Resumo: PI0405873 O equipamento de separação gás-sólido (1) em um processo de craqueamento catalítico fluido em fluxo descendente, objeto da presente invenção, visa minimizar o desgaste das paredes internas dos ciclones (4) e maximizar a eficiência de separação, por intermédio da redução do acúmulo ou da homogeneização de catalisador gasto nas vizinhanças da entrada dos ciclones (4). Este efeito pode ser atingido por intermédio da colocação, na base do duto alimentador da mistura de produtos gasosos e catalisador para os ciclones (4), de um dispositivo de fluidização que pode ser, por exemplo, uma placa dotada de uma pluralidade de orifícios (9). Um sistema distribuidor multiponto de fluido de fluidização como por exemplo, vapor de água ou outro gás de fluidização também pode ser utilizado. Em uma segunda concretização da invenção, onde não há consumo de fluido de fluidização, pode-se utilizar uma terminação aberta (11) com ou sem restrição ao escoamento gás-sólido, evitando a formação do acúmulo de catalisador gasto nas vizinhanças de entrada dos ciclones (4) e reduzindo a quantidade de catalisador gasto a ser separado pelos ciclones (4).
Referências:
Revista Scientific American Brasil, n.3 edição especial: Petrobrás 50 anos de inovação, dezembro 2003
Bol. téc. PETROBRAS, Rio de Janeiro, 45 (1): 16-20, jan./mar. 2002
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