Unidade 4 Desasfaltação

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EGO 001 – Processamento de Petróleo 
Curso de Engenharia Química 
 
 
CENTRO UNIVERSITÁRIO FRANCISCANO 
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
Disciplina: EGO 001- PROCESSAMENTO DE PETRÓLEO 
Professor: William Leonardo da Silva 
 
 
Unidade 4 – Desasfaltação 
 
 
1. Introdução 
 
 
A separação inicial do petróleo, feita nas unidades de destilação 
atmosférica e a vácuo, tem um limite, na medida em que as frações do petróleo 
são suscetíveis à degradação térmica, a temperaturas superiores a 370 ºC. 
Assim, após a destilação a vácuo, resta uma fração do petróleo, denominada 
resíduo de vácuo (RV), rica em compostos asfaltênicos (com elevado peso 
molecular) e com frações oleosas que podem ter utilização mais nobre do que o 
simples emprego como óleo combustível, podendo ser recuperadas na unidade 
de desasfaltação a solvente (UDASF). 
 
Assim, a UDASF tem como objetivo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Estes produtos da unidade de desasfaltação a solvente apresentam 
algumas aplicações: 
 
 
 
 
 
 
 
A desasfaltação é um processo de extração líquido-líquido, baseado na 
diferença de solubilidade entre as frações de ODES e RASF em um 
hidrocarboneto de baixo ponto de ebulição (solvente). Na sua primeira 
aplicação, o objetivo era recuperação do óleo com frações pesadas lubrificantes 
(conhecido como Bright-Stock) utilizando o propano como solvente. 
Posteriormente, o processo começou a ser empregado em maior escala para 
aumentar a disponibilidade de carga para a unidade de craqueamento catalítico 
(FCC), e solventes de maior massa molar, como butano e pentano. 
 
Desse modo, descobriu-se que hidrocarbonetos de baixa massa molar 
solubilizam as cadeias parafínicas e isoparafínicas contidas no resíduo de vácuo, 
ao mesmo tempo que precipitam as resinas e o material betuminoso (asfaltenos). 
Dentro os hidrocarbonetos de baixa massa molar, destaca-se o propano que se 
caracteriza por: 
 
 
 
 
 
2. Fundamentos de Processo 
 
 
Os processos de extração líquido-líquido envolvem a separação de uma 
fase líquida em duas outras formas, que são usualmente denominadas: 
 
 
 
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Para a desasfaltação, a carga do processo é o resíduo de vácuo (RV), a 
fase extrato é aquela que contém o óleo desasfaltado (ODES) e a fase rafinado 
é aquela que contém o resíduo asfáltico (RASF), onde está concentrada a maior 
parte dos contaminantes da carga (matais, enxofre e nitrogênio). Após o sistema 
de extração, as correntes rafinado e extrato são enviadas para os respectivos 
sistemas de recuperação de solvente, separando os produtos ODES e RASF 
que, a seguir, são armazenados. 
 
A Figura 2 apresenta um diagrama simplificado do processo de 
desasfaltação. 
 
 
 
Figura 2. Diagrama de blocos do processo de desasfaltação. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
 
A agitação da mistura “solvente + carga” no sistema de extração propicia 
um aumento da área de contato entre as fases e promove a transferência 
de massa necessária para a extração das frações de menor polaridade e a 
rejeição das demais. A qualidade da extração no processo de desasfaltação 
depende de alguns fatores, como: 
 
 
 
 
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3. Descrição da unidade de desasfaltação 
 
 
A unidade de desasfaltação será subdivida em duas seções: 
 
 
 
 
3.1 Seção de Extração 
 
 
O equipamento principal desta seção é a torre extratora, onde o resíduo 
de vácuo (RV), carga da unidade, é succionado do tanque de armazenamento à 
temperatura de aproximadamente 120 ºC, sendo resfriado até a temperatura de 
entrada na torre extratora, e recebe uma injeção de solvente (chama de pré-
diluição), a fim de ajustar a viscosidade. 
 
Em seguida, a carga é admitida na parte superior da coluna extratora, 
através de um distribuidor, enquanto o solvente entra próximo à base da 
torre, por um distribuidor semelhante ao da carga. Na seção de extração da 
coluna, as duas correntes entram em contato em contracorrente, ocorrendo a 
troca de massa e gerando as correntes de extrato e de rafinado. Assim: 
 
 
 
A Figura 3 apresenta a torre extratora de uma seção de extração. 
 
Figura 3. Esquema simplificado da seção de extração. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
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OBSERVAÇÃO: 
 
 
1. As torres extratoras podem ter ou não partes móveis, e naquelas que não 
possuem partes móveis a dispersão de um líquido no outro é devida apenas à 
diferença de densidade entre as fases, mas esta pode ser aumentada pela 
inserção de chicanas ou grades, que melhoram o contato e troca de massa 
entre as fases, ou seja, o desempenho da coluna. 
 
 
Figura 4. Torre extratora com chincanas adaptado. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
 
2. A fim de aumentar a eficiência no contato entre os líquidos, utilizam-se 
atualmente torres providas de discos rotativos (RDC), possibilitando maiores 
rendimentos e melhor qualidade do produto extraído. Estes discos são 
igualmente espaçados ao longo do eixo central, e cada disco opera no meio de 
um compartimento formado por anéis estacionários (os estatores). 
 
 
 
Figura 5. Torre extratora com contator de discos rotativos (RDC) adaptado. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
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3. As duas principais variáveis significantes durante a seção de extração são: 
 
a) Temperatura de trabalho: 
 
 
 
 
 
 
b) Relação solvente/carga: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Influências das variáveis no rendimento do extrato. 
(Fonte: PETROBRÁS, 2002) 
 
4. O solvente contido nas fases extrato e rafinado necessita ser recuperado por 
razões econômicas e de especificações dos produtos. Isto é feito nas seções de 
recuperação de solvente do extrato e do rafinado. 
 
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3.2 Seção de Recuperação de Solvente 
 
 
Existem dois tipos de processos de recuperação de solvente: 
 
 
 
 
 
 
 
3.2.1 Recuperação convencional 
 
 
Definição: 
 
 
 
 
 
 
Usualmente, as etapas de vaporização são seguidas de uma etapa de 
retificação com vapor d’água, a fim de eliminar o solvente residual. Nas 
unidades mais antigas, o sistema de efeito simples era o mais empregado 
(Figura 7), enquanto nas unidades mais modernas se usam até três efeitos (a 
utilização de múltiplos efeitos permite uma redução de consumo energético na 
unidade). 
 
 
 
Figura 7. Recuperação de solvente do óleo desasfaltado em uma única etapa de vaporização. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
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A Figura 8 apresenta um esquema de múltiplos efeitos (duplo efeito) 
empregado para corrente de extrato (ODES) que contém a maior parte do 
solvente. 
 
 
 
Figura 8. Esquema típico da recuperação de solvente do ODES (duplo efeito). 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
 
Na recuperação de solvente do rafinado (RASF), emprega-se usualmenteum sistema de efeito simples, conforme a Figura 9. 
 
 
 
Figura 9. Esquema típico da recuperação de solvente do RASF (simples efeito). 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
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3.2.2 Recuperação supercrítica do solvente 
 
 
Definição: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quanto maior o ponto de ebulição do solvente, mais atrativa se torna 
a utilização da recuperação em condições supercríticas, por isso essa 
recuperação é utilizada quando o solvente é o pentano. O processo mais 
utilizado nesta recuperação é a extração supercrítica, podendo ser realizada em 
condições supercríticas do solvente, reduzindo energia e equipamentos. 
 
 
4. Variáveis de Processo 
 
 
Com o objetivo de produzir um óleo desasfaltado em quantidade e com 
qualidade adequadas às necessidades dos processos subsequentes, a unidade 
de desasfaltação conta com as seguintes variáveis relativas ao sistema de 
extração: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.1 Composição da carga 
 
 
Não existe uma correlação precisa entre a composição da carga (o 
resíduo à vácuo) e o rendimento e a qualidade do óleo desasfaltado (ODES). 
Entretanto, sabe-se que quanto maior o teor de asfaltenos da carga, mais 
baixo é o rendimento em ODES. 
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Outros fatores que influenciam a qualidade e o rendimento de ODES são: 
corte do resíduo realizado na etapa de destilação à vácuo e a solubilidade do 
resíduo no solvente. 
 
 
a) Corte do resíduo: 
 
Dependendo da faixa de destilação do resíduo à vácuo, este pode ser 
classificado como: resíduo longo ou curto, onde o resíduo à vácuo curto tem 
uma fração volumétrica de óleo (saturados + aromáticos) menor do que o resíduo 
à vácuo longo para a mesma quantidade de asfaltenos, conforme apresentado 
na Figura 10. 
 
 
 
Figura 10. Influência do corte do resíduo sobre sua composição. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
 
Quando ambos os resíduos são processados com a mesma razão 
solvente/carga, o resíduo curto tem a vantagem da maior razão entre o 
volume de solvente e o volume da fase interessante, o que efetivamente 
melhora a seletividade da operação. 
 
 
b) Solubilidade do resíduo no solvente: 
 
Com relação ao efeito da solubilidade da carga no rendimento e na 
qualidade dos produtos, a primeira condição a ser atendida é que a carga seja 
parcialmente imiscível com o solvente. A solubilidade depende da composição 
do RV e das condições operacionais, sendo importante a obtenção de dados 
experimentais em laboratório para a seleção do solvente. 
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4.2 Composição do solvente 
 
 
O solvente deve ser capaz não só de extrair a fração oleosa desejada, 
mas também de controlar o rendimento e a qualidade do ODES dentro de 
limites operacionais. A solubilidade é a medida da quantidade máxima de 
hidrocarbonetos que pode ser dissolvida no solvente, em equilíbrio com a fração 
não dissolvida, à temperatura e pressão especificadas. A seletividade é a 
capacidade de produzir um ODES de boa qualidade, ou seja, com a rejeição 
adequada dos compostos indesejados (asfaltenos e metais). A solubilidade e a 
seletividade do solvente são os aspectos inicialmente considerados na sua 
seleção. Todos os hidrocarbonetos parafínicos de baixa massa molar, desde o 
propano até o heptano, em princípio, poderiam ser utilizados na desasfaltação 
do RV. O poder de solvência destes hidrocarbonetos varia de acordo com o 
tamanho da cadeia do solvente, ou seja, quanto maior este tamanho, maior é a 
interação com a carga, isto é, maiores os teores de solvência e o rendimento em 
ODES, conforme ilustrado na Figura 11. 
 
 
 
Figura 11. Poder de solvência e seletividade dos hidrocarbonetos parafínicos leves. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
 
Entretanto, à medida que o poder de solvência aumenta, a 
seletividade decresce, assim, o rendimento em ODES cresce, mas a sua 
qualidade diminui, resultando num produto com maiores teores de 
contaminantes (S,N e metais). O rendimento de ODES obtido para uma 
determinada carga com diferentes solventes está exemplificado na Figura 12, 
onde se observa o seu aumento com o tamanho da cadeia do solvente. Assim, 
a utilização do propano puro como solvente conduz a um baixo rendimento em 
ODES, enquanto o heptano leva a um rendimento muito elevado. 
 
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Figura 12. Rendimento de ODES para diferentes solventes. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
 
A Figura 13 apresenta a qualidade do ODES em função do seu 
rendimento, onde observa-se: 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 13. Qualidade dos ODES em função do rendimento. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
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A respeito dos principais solventes, temos: 
 
a) Propano: É o solvente mais utilizado mais utilizado quando o objetivo da 
unidade é a geração para a produção dos óleos básicos lubrificantes bright stock, 
visto que as quantidades maiores de asfaltenos e de resinas devem ser 
removidas para produzir um óleo básico de boa qualidade. Uma desvantagem 
do propano é quem com a sua temperatura crítica é de 96,8 ºC , e a temperatura 
máxima de operação da torre extratora fica limita a cerca de 82 ºC. Assim, o 
propano é inadequado para cargas muito viscosas, que necessitam de 
temperatura elevadas para uma boa dispersão na torre e uma transferência de 
massa adequada. 
 
b) Butano: É o solvente mais adequado no processamento de cargas mais 
viscosas, visto que a temperatura crítica do butano é alta (152,1 ºC), assim 
temperaturas de extração mais elevadas podem ser utilizadas para reduzir a 
viscosidade da carga. A maior desvantagem do uso do solvente butano é a sua 
menor seletividade para tratar cargas leves. 
 
c) Pentano: Apesar de ser menos seletivo para a solubilização do óleo com 
baixos teores de contaminantes (S e N), o pentano produz rendimento elevado 
de ODES com baixos teores de metais. O ODES obtido pode ser empregado 
diretamente como carga para a unidade de craqueamento catalítico. 
 
OBSERVAÇÃO: O uso de um solvente mais pesado que o pentano, como 
hexano e heptano, resulta na produção de um cimento asfáltico muito duro 
(chamado de Rock Asphalt), de baixo interesse de produção. 
 
 
4.3 Razão solvente/óleo (Solvente/carga) (RSO) 
 
 
A razão volumétrica solvente/óleo (RSO) tem um importante papel no 
processo de desasfaltação, sendo definida pelas: 
 
 
 
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Usualmente, um aumento na RSO, eleva o rendimento de ODES e, 
consequentemente, piora a sua qualidade, além de deixar o RASF com maior 
viscosidade. Entretanto, o custo da planta (investimento e custo operacional) é 
proporcional à RSO, assim deve-se selecionar a razão ótima na fase do projeto. 
Valores típicos de RSO praticados para diferentes tipos de solventes são: 
 
 
 
 
 
 
 
4.4 Temperatura de Extração 
 
 
Ao contrário de outros processos de extração líquido-líquido, na 
desasfaltação um aumento na temperatura reduz a solubilidade do óleo no 
solvente e aumenta a sua seletividade. Assim, este aumento reduz o 
rendimento de ODES, porém melhora a sua qualidade pelodecréscimo da 
viscosidade, assim uma redução na densidade e nos teores de enxofre, 
nitrogênio e metais, de acordo com a Figura 14. 
 
 
 
Figura 14. Efeito da temperatura sobre o rendimento e a qualidade do ODES. 
(Fonte: BRASIL et al., 2012) 
 
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A temperatura máxima de operação deve ser estabelecida de forma que 
esteja abaixo da temperatura crítica do solvente, para evitar instabilidade na 
operação da torre extratora. A temperatura mínima de extração, por outro lado, 
é definida para se obter um bom contato na extratora e permitir um escoamento 
adequado da corrente de fundo (RASF + solvente). Valores típicos de 
temperaturas de entrada na torre extratora praticadas para diferentes solventes 
são: 
 
 
 
 
 
 
 
4.5 Pressão 
 
 
A pressão não é considerada uma variável operacional, mas uma variável 
de projeto, sendo fixada, em um valor acima da pressão de vapor do solvente, e 
de modo a manter o solvente na fase líquida. Valores típicos de pressão na 
extratora para diferentes tipos de solventes são: 
 
 
 
 
 
 
4.6 Rotação dos Discos (RDC) 
 
 
Quando se tem uma torre de discos rotativos (RDC), a rotação dos discos 
é uma variável adicional. Um aumento nesta rotação, até um certo limite, resulta 
num melhor contato entre as fases e, portanto, num aumento de eficiência 
de extração, resultando em melhoria da qualidade do ODES, com baixa ou 
nenhuma perda de rendimento.