Aula Processos de conversão

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Refino do Petróleo 
 
 
 
PROCESSOS DE CONVERSÃO 
Refino do Petróleo 
Professora Helga Bodstein, D.Sc. 
Refino do Petróleo 
 
Professora Helga Bodstein 
 
email: helgabodstein@gmail.com 
 
Refino do Petróleo 
 
 
 
PROCESSOS DE CONVERSÃO 
Refino do Petróleo 
Professora Helga Bodstein, D.Sc. 
Refino do Petróleo - Unidades de Refino 
 - Processos de Conversão 
• Viscorredução; 
• Craqueamento Térmico; 
• Coqueamento; 
• Craqueamento Catalítico Fluido; 
• Hidrocraqueamento 
• Hidrotratamento/Hidroprocessamento; 
• Reforma Catalítica 
• Alquilação; 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino 
 
 - Processos Térmicos de Conversão 
 
Definição: Processos em que frações pesadas do petróleo 
são convertidas em produtos mais leves, por ação conjugada 
de temperatura e pressão. 
- Craqueamento Térmico 
- Viscorredução 
- Coqueamento Retardado. 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino 
 
 - Processos Térmicos de Conversão 
 
Princípio: Quebra de cadeias pesadas de hidrocarbonetos, 
quando sujeitas a condições severas de aquecimento, 
gerando moléculas mais leves. 
 
Consequência: Parte da carga é convertida em coque. 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Proc. Term. Conv. 
 
- Craqueamento Térmico e Viscorredução - processos 
obsoletos 
 
- Craqueamento Catalítico - processo muito mais econômico 
e de mais fácil operação. 
Reação 
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- Craqueamento Térmico 
 
Carga: Resíduo atmosférico ou gasóleo. 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Proc. Term. Conv. 
 
- Craqueamento Térmico 
 
• Formam-se sempre olefinas. Há uma polimerização 
significativa destas moléculas menores, e forma-se, 
também, uma certa quantidade de carvão. 
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- Craqueamento Térmico 
 
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Entrada da 
carga aquecida 
na coluna de 
fracionamento. 
O resíduo atmosférico (ou gasóleo) é 
diluído pelo refluxo interior e a corrente 
resultante sai pelo fundo da torre, em 
direção aos fornos de craqueamento. 
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Dentro dos fornos, a 
carga é aquecida 
rapidamente, podendo a 
temperatura de saída ser 
superior a 550ºC, 
conforme a carga. 
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Os produtos craqueados entram 
na câmara de reação, onde 
permanecem de um a dois 
minutos, para que as reações se 
completem. 
Os produtos efluentes da 
câmara de reação vão, em 
seguida, para um tambor de 
flash conhecido como câmara 
de expansão, onde os gases do 
craqueamento separam-se dos 
óleos residuais. 
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Os gases retornam 
à torre de 
fracionamento, 
para serem 
separados 
conforme suas 
temperaturas de 
ebulição. 
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Pelo topo, saem vapores 
de nafta e gases leves, que, 
após serem resfriados, são 
separados em um tambor 
de acúmulo. 
Como retiradas 
laterais, pode-se ter os 
gasóleos leve e pesado, 
reciclados ou não aos 
fornos. 
Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Craq. Térmico 
 
- Desvantagens 
• Trabalha com pressões elevadas, em torno de 25 a 70 
kg/cm2; 
• Maior rendimento em coque e gás combustível, em 
detrimento da produção de nafta e GLP, do que o 
craqueamento catalítico; 
• A nafta apresenta uma alta taxa de insaturados (olefinas e 
diolefinas), o que favorece a formação de gomas. 
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- Viscorredução 
 
Objetivo: Reduzir, através de ação térmica, a viscosidade de 
um resíduo que será usado como óleo combustível, por meio 
da quebra de suas moléculas mais pesadas, tornando 
desnecessária a adição de frações intermediárias para acerto 
da viscosidade. 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino - Viscorredução 
 
- As condições operacionais são brandas em relação às do 
craquamento térmico convencional, para evitar a formação 
excessiva de coque. 
 
- Ocorre formação de uma quantidade de hidrocarbonetos na 
faixa do diesel e do gasóleo que, não sendo removidos, 
entram como diluentes no resíduo processado, reduzindo sua 
viscosidade. 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino - Viscorredução 
 
 
 Gás combustível, GLP e nafta também são produzidos, 
porém em menor escala. 
 
 Trata-se também de um processo obsoleto, em função 
do alto custo operacional e baixa rentabilidade. 
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Aquecimento gradual 
da carga, aproveitando 
as correntes quentes 
que deixam a unidade 
O fluxo penetra no 
forno de 
viscorredução, onde 
sua temperatura 
pode atingir 480ºC 
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O produto efluente, após 
deixar os fornos, recebe uma 
corrente de gasóleo pesado, 
para que sua temperatura seja 
reduzida (“quench”). 
A mistura resultante, com uma 
temperatura mais baixa, 
penetra na torre de 
fracionamento. 
O produto residual, com sua 
viscosidade diminuída, acumula-se no 
fundo da torre e é continuamente 
retirado (alcatrão de viscorredução). 
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Gasóleos pesados e leves são 
retirados lateralmente na 
fracionadora 
Pelo topo da fracionadora, saem as 
frações mais leves, gases e nafta não 
estabilizada, que são separadas no 
tambor de acúmulo de topo. 
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- Coqueamento Retardado 
 
 
Definição: Processo de obtenção de coque a partir de uma 
grande variedade de cargas, normalmente, cru reduzido, 
resíduo de vácuo, óleo decantado, alcatrão de craqueamento 
térmico e suas misturas. 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Coq. Retardado 
 
Princípio: 
 
Com a aplicação de condições severas de operação, 
moléculas de cadeia aberta são craqueadas e moléculas 
aromáticas polinucleadas resinas e asfaltenos são coqueados 
produzindo gases, nafta, diesel, gasóleo e, principalmente, 
coque de petróleo. 
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Coque – Aplicações: 
- Como eletrodo, na produção do alumínio, em que, para 
cada quilo de alumínio consome-se, em média, 0,4 kg de 
coque calcinado e grafitizado. 
- Produção de abrasivos, produção de titânio, carburetos, 
nos eletrodos de fornos elétricos de siderurgia, na 
recarbonetação do ferro e aço, etc. 
- Combustível, agente redutor e em misturas com carvão-de-
pedra na produçãode coque siderúrgico. 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Coq. Retardado 
 
 Três tipos de coque podem ser obtidos: 
 
• Coque Esponja: De mais baixa qualidade, apresenta poros 
muito pequenos e paredes espessas, não sendo útil na 
fabricação de eletrodos. Provém de cargas com elevado 
percentual de resinas e asfaltenos; 
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• Coque Favo-de-Mel: De qualidade intermediária após 
calcinação e grafitização. Possui poros em forma elipsoidal 
uniformemente distribuídos e unidirecionais, sendo utilizado 
na produção de anodos satisfatórios. Provém de cargas 
com baixos teores de resinas e asfaltenos. 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Coq. Retardado 
 
 
• Coque Agulha: De qualidade superior, possui poros finos, 
elípticos e unidirecionais, é o mais indicado para a 
fabricação de eletrodos. Provém de cargas muito 
aromáticas. 
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O projeto de uma unidade de coqueamento pode visar à 
produção máxima de determinado corte, segundo a aplicação 
correta de níveis de pressão, temperatura e reciclo. 
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Aquecimento e 
introdução da carga 
no fundo da 
fracionadora, 
onde o material mais 
leve sofre um flash. 
Os pesados misturam-se 
com o reciclo e seguem, 
bombeados, do fundo da 
torre para a fornalha, 
onde são rapidamente 
aquecidos a cerca de 
490ºC. 
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Passam aos tambores de coque, 
para um período “prolongado”, 
onde, então, o coque é formado 
e depositado. A temperatura no 
tambor fica normalmente entre 
438 e 466ºC. 
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O coque é retirado 
pelo fundo do tambor, 
diretamente para vagões ou 
para transportadores 
hidráulicos 
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- Craqueamento Catalítico - FCC (“Fluid Catalytic Cracking”) 
 
 
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- Craqueamento Catalítico - FCC (“Fluid Catalytic Cracking”) 
 
Resumo: a carga, (gasóleo proveniente da destilação a 
vácuo, e que seria utilizado como óleo combustível) entra em 
contato com um catalisador a uma temperatura elevada, 
ocorrendo a ruptura (“cracking”) das cadeias moleculares, 
dando origem a uma mistura de hidrocarbonetos que são 
posteriormente fracionados. 
 
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Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Craq. Catalítico 
 
Objetivo: Produção de GLP e/ou nafta. 
Paralelamente, são formados produtos mais pesados que a 
nafta, além de coque, que se deposita na superfície do 
catalisador. 
 
Coque - é integralmente queimado na etapa de regeneração 
do catalisador, formando um gás de combustão de alto valor 
energético usado na geração de vapor d’água de alta 
pressão. 
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Características: 
Processo de grande versatilidade e alta rentabilidade, que 
requer alto investimento. 
 
- Destina-se, principalmente, à obtenção de gasolina de alta 
octanagem, obtida na faixa de 50% a 60% em volume em 
relação à carga processada. 
 
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Unidade de FCC: 
– seção de reação ou conversão: local onde se passam as 
reações do processo, sendo composta de equipamentos de 
reação e regeneração do catalisador; 
 
– seção de fracionamento: recebe o efluente do reator, 
fracionando-o em vários produtos. Recupera também uma 
parte dos gasóleos não convertidos, reciclando-os ao 
conversor; 
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– seção de recuperação de gases: recebe as frações leves 
convertidas, fracionando-as em nafta de craqueamento 
(gasolina), GLP e gás combustível; possui também uma torre 
que possibilita o desmembramento do GLP em duas 
correntes, C3 (propano e propeno) e C4 (butanos e butenos); 
 
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– seção de tratamentos: trata nafta, GLP e gás combustível 
de modo a torná-los produtos comercializáveis ou aptos para 
sofrer, em etapas posteriores, transformação em outros 
produtos. Nela, o teor de enxofre dos produtos acima citados 
é sensivelmente reduzido. 
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Processo: 
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Processo: 
Seção de Reação ou Conversão (Conversor) 
O gasóleo proveniente da destilação a vácuo e desasfaltação, 
após penetrar na unidade, é aquecido com os produtos 
quentes que saem e encaminhado à base do “RISER”, uma 
tubulação vertical de grande diâmetro, por onde sobe a 
mistura de catalisador e vapores de hidrocarbonetos e ocorre 
a maior parte das reações de craqueamento. 
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Processo: 
O gasóleo é misturado a uma grande quantidade de 
catalisador à alta temperatura (≈ 700ºC), o que provoca sua 
instantânea vaporização, fluidizando o catalisador. 
No REATOR, colocado imediatamente após o “RISER”, 
completam-se as reações do craqueamento. Por diminuir a 
velocidade dos vapores, o REATOR propicia a separação 
inicial do catalisador. 
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Processo: 
O efluente gasoso do reator, constituído de hidrocarbonetos 
craqueados e não craqueados, gases inertes e vapor d’água), 
é enviado então à seção de fracionamento. 
 
No “REGENERADOR”, o coque que se depositou na 
superfície do catalisador é queimado com ar, gerando uma 
grande quantidade de calor 
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Processo: 
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Processo: 
Seção de Fracionamento: 
 
Os gases de craqueamento, efluentes do reator, são enviados 
à seção de fracionamento, onde os produtos são separados 
pelas suas faixas de ebulição, em uma torre de destilação. 
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Processo: 
 
O produto de topo contém as frações mais leves produzidas 
(nafta de craqueamento, GLP e gás combustível),que após 
serem resfriadas, são coletadas no tambor de acúmulo. 
Os óleos de reciclo (leve e pesado) são os produtos laterais 
da fracionadora. Esses dois cortes são constituídos de 
moléculas médias e pesadas que foram parcialmente 
craqueadas. 
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Processo: 
Seção de Recuperação de Gases: 
 
O gás proveniente do tambor de acúmulo da fracionadora, é 
succionado por um compressor, e tem sua pressão bastante 
elevada. Em seguida, passa por resfriadores e vai a um 
tambor de acúmulo de alta pressão. 
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Processo: 
O gás combustível do topo da absorvedora primária pode 
arrastar consigo um pouco de nafta de absorção o gás 
combustível vai à absorvedora secundária. Nessa torre, o 
fluido absorvedor é o refluxo circulante frio de óleo leve de 
reciclo, que, após a absorção, retoma à torre fracionadora. 
O gás combustível, depois desta operação, vai à seção de 
tratamento (DEA), onde o H2S é retirado da mistura. 
 
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Processo: 
 
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Embora as unidades de craqueamento sejam bastante 
flexíveis para processarem grandes variedades de cargas, 
existem algumas limitações: 
 
• Faixa de destilação – o limite inferior situa-se em torno de 
320ºC. A faixa de destilação usualmente empregada varia 
de 340ºC a 570ºC; 
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• Resíduo de carbono – O resíduo de carbono deve ser 
baixo, para minimizar-se a formação de coque. De um 
modo geral deve ser menor que 1,5% em massa; 
 
• Fator de Caracterização (KUOP): Determina o teor de 
parafinas da carga. Quanto mais parafínica for a carga, 
mais facilmente ela será craqueada, de forma que quanto 
maior o KUOP (recomenda-se KUOP >11,5), menos 
severas serão as condições de operação da unidade. 
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• Teor de Metais: Para que a atividade e a seletividade do 
catalisador não sejam afetadas, o teor de metais da carga 
deve obedecer à seguinte recomendação: 
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Características do Catalisador de Craqueamento 
 
O catalisador empregado nas reações de “cracking” é um pó 
granular, finíssimo, de alta área superficial, à base de sílica 
(SiO2) e alumina (Al2O3). Este pó, quando atravessado por 
uma corrente gasosa, comporta-se de modo semelhante a um 
fluido. 
 
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Características do Catalisador de Craqueamento 
 
 - Existem três formas diferentes de catalisador: 
• baixa alumina (11-13% Al2O3) 
• alta alumina (25% Al2O3) 
• tipo zeolítico (cristalino) 
 
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O catalisador de craqueamento tem as seguintes funções: 
 
– promover as reações do craqueamento em condições de 
pressão e temperatura muito mais baixas do que as 
requeridas no craqueamento térmico; 
 
– transportar o coque depositado na sua superfície para o 
regenerador, onde será queimado, gerando calor; 
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– atuar como agente de transferência de calor, retirando-o da 
zona de combustão e utilizando-o para aquecer e vaporizar a 
carga, elevando sua temperatura para possibilitar e manter as 
reações de craqueamento. 
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Principais reações do processo 
• Craqueamento de parafinas: 
CnH2n+2 → CmH2m + CpH2p+2 
 
• Craqueamento de olefinas: 
CnH2n → CmH2m + CpH2p 
 
• Craqueamento de naftênicos: 
CnH2n → CmH2m + CppH2p 
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Principais reações do processo 
 
• Craqueamento de aromáticos: 
Ar-CnH2n+1 → Ar-H + CppH2p 
Ar-CnH2n+1 → Ar-CmH2m+1 + CpH2p+2 
 
(Com n = m + p) 
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De acordo com o perfil de produtos que se pretende obter, é 
possível atuar no processo, controlando as variáveis 
operacionais. 
 
 Processo complexo, onde existem as variáveis 
independentes (controladas através de um controlador) e 
dependentes (se alteram em consequência de uma alteração 
em uma das variáveis independentes). 
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- Varáveis independentes: 
 
• Temperatura de reação - É medida no final do raiser; 
• Vazão de carga fresca - É quantidade de matéria prima a 
ser craqueada; 
• Vazão de reciclos - É quantidade de produto craqueado 
que retorna ao riser, atualmente em desuso; 
• Temperatura da carga - É temperatura da carga ao entrar 
no riser; 
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- Varáveis independentes: 
 
• Velocidade espacial - É relação entre vazão de carga 
total e a massa de catalisador que entra em contato com a 
carga; 
• Atividade do inventário - É medida da capacidade do 
inventário de catalisador em converter uma determinada 
carga em determinados produtos. 
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- Varáveis dependentes: 
 
• Relação Cat/Óleo - É relação em peso entre a circulação 
de catalisador e vazão de carga total; 
• Temperatura de regeneração - É temperatura do 
catalisador durante a queima de coque no regenerador; 
• Vazão de ar para regeneração - É vazão de ar necessário 
para manter a combustão de coque depositado no 
catalisador; 
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- Varáveis dependentes: 
 
• Conversão – É o percentual em volume da carga fresca 
transformada em produtos nobres (gasolina e leves), 
calculado por: 
 
Onde: 
CF = Carga Fresca 
LCO = Light Cycle Oil (conhecido como óleo diesel) 
OD = Óleo Decantado 
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 A relação Cat/Óleo é a medida da severidade de 
reação, ou seja, quanto maior for essa relação maior será a 
severidade de craqueamento. 
 
 Ela indica que uma maior quantidade de catalisador 
entrou em contato com uma certa quantidade de carga, 
resultando em maior produção de leves. 
 
 Quando se deseja uma maior produção de GLP deve-
se trabalhar com uma maior relação Cat/Óleo. 
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A relação Cat/Óleo se altera com qualquer variação nas 
variáveis independentes, o que significa dizer que quando se 
atua numa variável independente, a relação Cat/Óleo varia, 
levando o sistema para outro ponto de equilíbrio térmico. 
 
 
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 Para se aumentar a relação Cat/Óleo devemos fazer as 
seguintes alterações: 
 
• Aumentar a temperatura de reação; 
• Reduzir a temperatura da carga; 
• Reduzir a velocidade espacial; 
• Reduzir a atividade do inventário de catalisador. 
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 Atuando nessas variáveis pode-se então controlar o 
processo de FCC, de maneira a obter um determinado perfil 
de produtos, maximizando GLP ou maximizando gasolina. 
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 Existem diversos tipos de unidades de craqueamento 
espalhados pelo Brasil, unidades essas desenvolvidas por 
diversas firmas de engenharia diferentes: 
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As tendências recentes no desenvolvimento e operação de 
processos de craqueamento catalítico em refinarias envolve 
os aspectos químico e mecânico. 
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- Aspecto Químico: as pesquisas com os catalisadores 
contemplam a manipulação de matrizes (caulim ou zeólitas) a 
fim de melhorar sua atividade e seletividade, como na 
obtenção de gasolina de melhor qualidade. Em função da 
presença crescente de contaminantes, também se busca a 
síntese de catalisadores cada vez mais resistentes; 
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Professora Helga Bodstein, D.Sc. 
Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Craq. Catalítico 
 
 
- Aspecto Mecânico: procura-se dar atenção às mudanças na 
engenharia e projeto das unidades, em função das propostas 
feitas pelo setor químico. Nesse caso, pode-se citar o uso de 
regeneradores distintos que trabalhem de acordo com o nível 
de contaminantes da carga, a realização da etapa de 
regeneração a baixa temperatura e a aceleração do processo 
de separação de catalisador e produtos. 
Refino do Petróleo 
Professora Helga Bodstein, D.Sc. 
Refino do Petróleo - Unidades de Refino – Craq. Catalítico 
 
 
Refino do Petróleo 
Professora Helga Bodstein, D.Sc.