Projetos II Versão Final

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UFBA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
INDÚSTRIA DA GASOLINA: PROCESSO 
E PRODUÇÃO 
 
 
Emilly Barreto 
Paula Farias 
Patrick Meneses 
Pedro Weber 
Vinicius Oliveira 
 
 
 
Salvador, julho de 2018 
2 
 
ESCOLA POLITÉCNICA DA UFBA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
 
 
INDÚSTRIA DA GASOLINA: PROCESSO 
E PRODUÇÃO 
 
 
 
Emilly Barreto 
Paula Farias 
Patrick Meneses 
Pedro Weber 
Vinicius Oliveira 
 
Trabalho proposto pelo docente Reiner 
Requião como atividade avaliativa da 
disciplina Projeto e Planejamento da 
Indústria Química II-A (ENG363). 
 
 
 
 
 
Salvador, julho de 2018 
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ÍNDICE 
 
1 – INTRODUÇÃO 
1.1 – Petróleo e gasolina 
1.2 – Obtenção e tipos de gasolina 
2 – RESUMO DESCRITIVO DO PROCESSO 
3 – ANÁLISE DO GRAU DE LIBERDADE 
4 – OTIMIZAÇÃO 
5 – ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA 
6 – INSTRUMENTAÇÃO E SEGURANÇA 
7 – CONCLUSÃO 
8 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
1 – INTRODUÇÃO 
1.1 Petróleo e Gasolina 
Os petróleos são misturas orgânicas complexas de hidrocarbonetos, com 
quantidades relativamente pequenas de compostos orgânicos sulfurados, 
nitrogenados, oxigenados e organometálicos. Predominam entre os 
hidrocarbonetos, os acíclicos saturados (alcanos ou parafinas) tanto de cadeia 
normal como ramificada, e os cíclicos, da família dos cicloalcanos, além dos 
aromáticos e dos hidrocarbonetos mistos, em que uma mesma molécula 
apresenta radicais de mais de um tipo dos precedentes. 
A gasolina é o produto obtido a partir do refino do petróleo, cuja composição 
depende da destinação de uso (para aviação ou automotiva), da origem e 
processos de refino do petróleo. Ela é uma mistura complexa de hidrocarbonetos 
variando de quatro a doze átomos de carbono e tendo pontos de ebulição entre 
30 e 225ºC. A faixa de destilação da gasolina tem sofrido modificação com a 
evolução da indústria petrolífera e dos motores de combustão interna. No Brasil, 
tipicamente, ela varia de 35 a 220ºC. A gasolina pode ser classificada quanto a 
sua octanagem, que indica a resistência do combustível à detonação, quanto 
maior a octanagem, maior será sua qualidade antidetonante e melhor será a 
gasolina. Uma gasolina que possui 87 octanas significa que a mesma se 
comporta como uma mistura de 87% de isoctano e 13% de heptano (não significa 
que ela possui essa composição, apenas que ela se comporta da mesma 
maneira em relação à resistência à compressão). 
1.2 Obtenção e tipos de gasolinas 
Vários processos podem ser usados para obter a gasolina a partir do petróleo. 
Os processos de refinação sofreram uma contínua evolução simultaneamente 
com o progresso dos motores, pois as técnicas de obtenção de gasolina foram 
aperfeiçoadas a fim de atingir um maior padrão de qualidade. Ao mesmo tempo 
o maior consumo de gasolina levou ao desenvolvimento de processos com 
maiores rendimentos. Os principais processos usados para produção de 
gasolina são a destilação, craqueamento, hidrocraqueamento, reforma catalítica 
e alquilação. O estudo de caso abordado neste trabalho terá como foco a 
produção de gasolina pelo método da alquilação. 
Nesse processo, moléculas mais pesadas são produzidas a partir da 
combinação de hidrocarbonetos mais leves. Dessa forma, gases de refinaria dão 
origem a hidrocarbonetos de cadeias mais longas. A alquilação produz uma 
gasolina de alta octanagem, o que é de grande importância na produção de 
gasolina de aviação. 
 
 
5 
 
2 – RESUMO DESCRITIVO DO PROCESSO 
PRODUÇÃO DE GASOLINA PELO PROCESSO DE ALQUILAÇÃO 
CATALÍTICA 
Neste processo são produzidos hidrocarbonetos de cadeia maior partindo de 
outros menores. É um processo caro, mas o produto alquilado tem excelentes 
características antidetonantes. O produto de alquilação tem índice de octano de 
até 95. 
 O processo se baseia na reação de isobutanos com olefinas, catalisada por um 
ácido forte (H2SO4 ou HF), em ↓T e ↑P. 
Necessidades de mercado: 
 Aumento do número de octanos; 
 Redução de teores de enxofre; 
 Redução de HCs aromáticos e olefínicos nos combustíveis. 
 
Figura 1 – Esquema de sintetização 
 
Figura 2 – FLUXOGRAMA DE PROJETO: Alquilação catalítica 
 
 
CATALISADORES: HF, H2SO4 E ALCl3 
HF = usado como referência no processo 
ENERGIA TÉRMICA ------------- pressão ( 200 a 500 kg/cm2) 
 Temperatura ( aprox. 500°C) 
Catalisador adequado permite:- --------- pressão ( 200 a 500 kg/cm2) 
6 
 
 Temperatura ( aprox. 500°C) 
A figura 3 representa, de forma simplificada, a síntese de um octano. No presente 
trabalho, consideraremos tal reação para os efeitos de cálculo. 
Figura 3 – Reação simplificada para a síntese de um octano 
 
A unidade de alquilação possui duas seções principais: 
 Seção da reação; 
 Seção de recuperação dos reagentes/purificação do catalisador. 
SEÇÃO DE REAÇÃO 
Tratamento da carga de alimentação do reator: 
 Correntes de olefinas e isobutado vasos que tenham 
dessecadores ( silica-gel e alumina ativada) 
 
 Ocorre ajuste da proporção olefinas/isobutano na corrente que alimenta o 
reator VASO DE FUNDO 
O reator possui um sistema de agitação para maior contato dos reagentes com 
o catalisador ( CSTR). 
As reações são exotérmicas ocorrendo um controle da tempetura reacional e um 
sistema de refrigeração no topo do reator. 
PRODUTOS OBTIDOS NO TOPO DO REATOR: 
 Emulsão de hidrocarbonetos/catalisador que passa pelo tambor de 
decantação ( separação do ácido dos hidrocarbonetos); 
 Os hidrocarbonetos são enviados para a seção de recuperação de 
reagente enquanto que o ácido recircula ao reator. 
Obs: no interior do reator é importante que ocorra a reação de dimerização e não 
de polimerização (para evitar a reação de polimerização evita-se o excesso de 
isobutano). 
 Os hidrocarbonetos que deixam o tambor são aquecidos e enviados à 
deisobutanizadora, onde ocorre a remoção do isobutano e moléculas 
mais leves dos hidrocarbonetos alquilados. 
 Após a condensação o isobutano é dividido em duas correntes: uma 
corrente que vai para o reciclo e outra que vai para a depropanizadora. 
+ 
HF 
7 
 
PRODUTO DE FUNDO DA TORRE DEPROPANIZADORA 
 Se junta ao reciclo. 
 
 No topo da depropanizadora retira-se o C3 e o restante é estocado para 
venda como GLP. 
O controle da concentração é realizado desviando parte do catalisado para uma 
torre de purificação do ácido, onde, no topo desta torre, saem vapores de ácido 
puro e, no fundo, fluoretos de alquila por destilação. 
Figura 4 – Fluxograma de processo 
 
 
 
 
8 
 
3 – ANÁLISE DO GRAU DE LIBERDADE 
O reator foi o equipamento chave deste processo para ser discutido nesta seção. 
Abaixo foram listadas as equações e variáveis do volume de controle do reator: 
Velocidade de reação: 
−𝑟𝑎 = 𝑘0𝐶𝐴𝐶𝐵 (1) 
Balanço de Massa: 
𝑉
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑡
= 𝐶𝐴0𝐹 + 𝐶𝐴′𝐹
′ − 𝐶𝐴𝐷 + 𝑟𝑎𝑉 (2) 
 
Balanço de Energia: 
𝜌𝐶𝑃𝑉
𝑑𝑇
𝑑𝑡
= 𝜌𝐶𝑃𝐹(𝑇𝐹 − 𝑇) + 𝜌𝐶𝑃𝑅(𝑇𝑅 − 𝑇) + 𝑟𝑎∆𝐻𝑟 − 𝑈𝐴(𝑇 − 𝑇𝐶) (3) 
Reação: 
𝑟𝑎 = 𝑘0𝐶𝐴exp (
−𝐸
𝑅𝑇⁄ ) (4) 
 
Substituindo (4) em (2) e (3) e considerando TR = T, temos as seguintes 
equações para o balanço de massa e energia no processo: 
𝑉
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑡
= 𝐶𝐴0𝐹 + 𝐶𝐴′𝐹′ − 𝐶𝐴𝐷 + 𝑘0𝐶𝐴exp (
−𝐸
𝑅𝑇⁄ )𝑉 (5) 
 
𝜌𝐶𝑃𝑉
𝑑𝑇
𝑑𝑡
= 𝜌𝐶𝑃𝐹(𝑇𝐹 − 𝑇) + 𝑘0𝐶𝐴exp (
−𝐸
𝑅𝑇⁄ )∆𝐻𝑟 − 𝑈𝐴(𝑇 −𝑇𝐶) (6) 
 
Variáveis do processo: 
Área de troca térmica: [A] = 𝑚2 
Calor de reação: [∆𝐻𝑟] = 
𝐽
𝑚𝑜𝑙⁄ 
Capacidade calorífica da mistura: [𝐶𝑃] = 
𝐽
𝑘𝑔𝐾⁄ 
Coeficiente global de troca de calor: [U] = 𝑊 𝑚2𝐾⁄ 
Concentração de entrada: [𝐶𝐴0] =
𝑚𝑜𝑙
𝑚3⁄ 
9 
 
Concentração de saída: [𝐶𝐴] =
𝑚𝑜𝑙
𝑚3⁄ 
Concentração da corrente de refluxo: [𝐶𝐴′] =
𝑚𝑜𝑙
𝑚3⁄ 
Constante de reação: [𝑘0] = 𝑠
−1 
Constante dos gases: [𝑅] = 𝐽 𝑚𝑜𝑙𝐾⁄ 
Densidade da mistura: [𝜌] =
𝑘𝑔
𝑚3
⁄ 
Energia de ativação: [𝐸] = 𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄ 
Temperatura da camisa: [𝑇𝑐] = 𝐾 
Temperatura de saída: [𝑇] = 𝐾 
Temperatura de entrada: [𝑇𝐹] = 𝐾 
Vazão volumétrica de entrada: [𝐹] = 𝑚
3
𝑠⁄ 
Vazão volumétrica do refluxo: [𝐹′] = 𝑚
3
𝑠⁄ 
Vazão volumétrica de saída: [𝐷] = 𝑚
3
𝑠⁄ 
Volume do reator: [𝑉] = 𝑚3 
 
Grau de liberdade: 
Número de equações (N) = 2 
Número de variáveis (NV) = 18 
Número de variáveis especificadas (Ne) = 14 
G = NV – N – Ne 
G = 18 – 2 – 14 = 2 
 
4 – OTIMIZAÇÃO 
Para otimizar a planta, foi proposta uma integração energetica na qual a saída 
de vapor do trocador é usada no condensador (TAG) antes da primeira coluna 
de separação. 
Todo o calor produzido é reutilizado, logo: 
𝑄 = 𝑘0𝐶𝐴exp (
−𝐸
𝑅𝑇⁄ )∆𝐻𝑟 (7) 
10 
 
Isso diminuiria os custos referente ao aquecimento da corrente que vai para a 
primeira coluna de destilação, utilizando o vapor superaquecido proveniente do 
sistema de arrefecimento do reator. 
 
5 – ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA 
Para calcular o lucro médio por litro de gasolina produzido, é necessário subtrair 
os custos do preço da gasolina vendida. 
𝐿𝑚 = 𝐺𝑎𝑛ℎ𝑜𝑠 − 𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑠 (8) 
A tabela abaixo representa os preços médios dos reagentes, produtos e da 
energia fornecida. 
Insumo Preço 
Etileno (Pe) 0,59 R$/L 
Isobutano (Pi) 2,06 R$/L 
Gasolina (Pg) 2,00 R$/L 
Energia (Pw) 2,27E-3 R$/KJ 
Tabela 1 – Preço dos insumos envolvidos no processo 
Algumas considerações foram feitas nesta etapa do trabalho para fins de cálculo: 
 O preço da olefina foi considerado o mesmo do etileno; 
 os parâmetros usados para o etileno e para a olefina foram os mesmos; 
 os parâmetros do n-octano e da gasolina utilizados foram considerados 
iguais. 
Calculando os ganhos e custos separadamente 
𝐺𝑎𝑛ℎ𝑜𝑠 = 𝐷. 𝐶𝐴. 𝑃𝑔 
𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑠 = 𝐹. 𝐶𝐴. 𝑃𝑒 + 𝐹. 𝑃𝑖 . (1 − 𝐶𝐴) + 𝑃𝑤 . 𝐾0. ∆𝐻𝑟 . exp (−
𝐸
𝑅𝑇⁄ ) 
Logo: 
𝐿𝑚 = 𝐷. 𝐶𝐴. 𝑃𝑔 − 𝐹. 𝐶𝐴0. 𝑃𝑒 − 𝐹. 𝑃𝑖. (1 − 𝐶𝐴0) − 𝑃𝑤 . 𝐾0. ∆𝐻𝑟 . exp (−
𝐸
𝑅𝑇⁄ ) (9) 
11 
 
Utilizando valores arbitrarios de vazão volumetrica e concentração de reagentes, 
obtemos uma concentração de produto na corrente de saída: 
𝐶𝐴 = 0,64 
Assim, o lucro médio por tempo de processo: 
𝐿𝑚 = 104,39 𝑅$/ℎ 
Abaixo, tem-se uma tabela com um custo aproximado dos equipamentos 
necessários para o processo: 
 
Equipamento Custo (R$) 
Reator 37.000 
Bombas 64.000 
Total 101.000 
Tabela 2 – Custo de equipamentos para a reação de alquilação catalítica 
Para esta analise, foram ignorados o custo do catalizador, das tubulações, 
equipamentos de separação e trocadores de calor. 
O lucro anual desta linha de produção é de R$ 914.456. 
Com a otimização, o custo de energia produzido na realçao é reutilizado. 
O ganho por tempo de energia produzido é: 
𝐶𝐸 = 4,03 𝑅$/ℎ 
Ou seja, este representa 3,86% do custo do processo. 
O lucro médio anual, com a otimização, é de R$ 949.759. 
A integração energética será responsável por um lucro anual de R$ 35.303. 
 
 6 – INSTRUMENTAÇÃO E SEGURANÇA 
12 
 
Apesar das diferenças de complexidade e porte entre os sistemas da 
instrumentação a controlar um reator destinado à produção de gasolina e um 
destinado a qualquer outro fim, seus princípios básicos de projeto permanecem 
inalterados, quando analisados quanto aos aspectos do processo ou de 
segurança. 
O sistema de Instrumentação e Controle (SIC) deve abranger todas as funções 
de controle e proteção do reator, ou da planta, bem como fornecer todas as 
informações concernentes aos parâmetros físicos que descrevem e definem as 
condições nas quais o reator é operado (temperatura, pressão, nível e etc.). 
O SIC compreende todos os sensores de parâmetros físicos, transdutores, pré-
amplificadores, cabos, processadores de sinais, controladores, indicadores 
locais e remotos, registradoras, painéis de alarme e sinalização, computadores 
associados ao processo de controle e proteção, elementos terminais de controle 
(como válvulas e aquecedores elétricos), circuitos lógicos de proteção do 
pessoal de operação e do equipamento, etc. No outro extremo, está a 
instrumentação destinada a reatores considerados inerentemente seguros 
(reatores com coeficientes de reatividade negativos e de configuração bem 
conhecida). Neste caso, as circunstâncias permitem que seja utilizado o controle 
automático em quase todas as fases de operação, minimizando a necessidade 
de interferência do operador, e possibilitando maior tempo na supervisão dos 
processos de controle. 
De qualquer maneira, a preocupação com a segurança é comum a todos os 
projetos de SICs para reatores. A característica que mais diferencia este tipo de 
SIC utilizado em usinas térmicas convencionais ou em processos industriais para 
um reator nuclear, é o maior cuidado com a segurança, pois as normas que 
regem o projeto e a instalação de reatores nucleares são as mais rígidas. 
As atribuições do SIC variam de acordo com os tipos e as finalidades dos 
reatores aos quais se destina. Assim sendo, existe uma faixa bastante ampla de 
conceitos diferentes de sistemas de instrumentação. Em um extremo desta faixa 
situa-se a instrumentação destinada a reatores experimentais e protótipos com 
maior potencial de acidentes, cuja característica principal é a ênfase que se dá 
à segurança e que requer maior atenção do operador. 
13 
 
Para definir se uma válvula de controle é FF (Falha Fecha) ou FA (Falha Abre) 
é preciso analisar o processo e decidir a situação mais segura para a válvula agir 
em emergências. No nosso caso de um reator catalítico de um processo de 
alquilação, onde a reação é exotérmica, não fica difícil sugerir essas 
características das válvulas quando temos conhecimento do processo como um 
todo. Em caso de uma emergência qualquer, é crucial que o reator não ofereça 
risco de incêndio ou de explosividade. Para isso, é de suma importância que 
nenhum reagente ou produto esteja dentro do reator. Com essa premissa, 
concluímos que, para as válvulas que atuam nas cargas de reagentes, a válvula 
precisa ser FF, também conhecida como AA (Ar para abrir). Assim, no caso de 
uma emergência, a válvula fecharia imediatamente, cessando o fluxo de 
reagentes para dentro do reator, voltando a abrir apenas com uma força 
pneumática externa. No caso da corrente de produto que sai do reator, a válvula, 
tendo a mesma premissa anterior, seria FA, também conhecida como AF (Ar 
para fechar). Dessa forma, numa emergência, a válvula abriria totalmente, 
expelindo tudo que se encontra dentro do reator e mandando para o sistema de 
emergência da planta, que pode ser um flare. Dessa forma, a válvula evita que 
qualquer material reagente esteja dentro do reator. E no caso da corrente de 
água de resfriamento do reator, a válvula deve ser uma FA ou AF, pois o sistema 
de arrefecimento não pode deixar de funcionar, evitando o superaquecimento do 
equipamento. 
14 
 
Figura 5 – Instrumentação do equipamento chave
 
 
7 – CONCLUSÃO 
A planta de produção de gasolina através daalquilação catalítica mostrou-se 
rentável após a análise de viabilidade econômica aplicada com base na análise 
do grau de liberdade do equipamento chave escolhido, que foi o reator de 
alquilação. Também foi proposta uma otimização do processo, visando um 
melhor aproveitamento do calor liberado pela reação de formação dos 
hidrocarbonetos, dessa forma, a planta torna-se mais eficiente energeticamente 
e mais lucrativa. Durante o desenvolvimento do presente trabalho, houve a 
dificuldade de encontrar dados atuais a respeito dos custos de implantação e 
manutenção, bem como dos equipamentos envolvidos em toda a planta de 
alquilação catalítica, o que tornou a análise de viabilidade econômica menos 
precisa. 
8 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 ACTIVE Thermochemical Tables. Disponível em: 
<https://atct.anl.gov/Thermochemical%20Data/version%201.118/species
/?species_number=437>. Acesso em: 19 jul. 2018. 
15 
 
 FELDER, Richard M.; ROUSSEAU, Ronald W. Princípios elementares 
dos processos químicos . 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005. 579 p. 
 FICHA de informação de produto químico: Octano. Disponível em: 
<http://sistemasinter.cetesb.sp.gov.br/produtos/ficha_completa1.asp?con
sulta=OCTANO>. Acesso em: 19 jul. 2018. 
 FOGLER, H. Scott. Elementos de engenharia das reações químicas. 
3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 892 p. 
 ISOBUTANE and retail gasoline prices jump on strong alkylate. Disponível 
em: 
<https://www.icis.com/resources/news/2011/11/08/9506547/isobutane-
and-retail-gasoline-prices-jump-on-strong-alkylate/>. Acesso em: 19 jul. 
2018. 
 OLEFINS global prices, markets & analysis. Disponível em: 
<https://www.icis.com/chemicals/olefins/global/?tab=tbc-tab4>. Acesso 
em: 19 jul. 2018. 
 PERLINGEIRO, Carlos Augosto G. Engenharia de processos: Análise, 
simulação, otimização e síntese de processos químicos. 1. ed. São Paulo: 
Edgard Blücher, 2005. 198 p. 
 PERRY, Robert H.; CHILTON, Cecil H.; KIRKPATRICK, Sidney D. 
Chemical engineers' handbook. 4. ed. New York: McGraw‐Hill, 1963. 
1915 p. 
 SMITH, J. M.; VAN NESS, Hendrick C.; ABBOTT, Michael M. Introdução 
à termodinâmica da engenharia química. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 
2000. 697 p. 
 TOP contributors to the provenance of ΔfH° of C8H18 (l). Disponível em: 
<https://atct.anl.gov/Thermochemical%20Data/version%201.118/species
/?species_number=864>. Acesso em: 19 jul. 2018. 
 TOP contributors to the provenance of ΔfH° of CH3CH(CH3)2 (g). 
Disponível em: 
<https://atct.anl.gov/Thermochemical%20Data/version%201.118/species
/?species_number=437>. Acesso em: 19 jul. 2018.