APOSTILA PETRÓLEO (ATUAL

Prévia do material em texto

FUNDAÇÃO TÉCNICO-EDUCACIONAL SOUZA MARQUES
FACULDADE DE ENGENHARIA SOUZA MARQUES
 PROSPECÇÃO DE PETRÓLEO E GÁS
CÓDIGO 50332
 PROFESSOR PAULO ASSIS BONAN
Especialista em Metodologia do Ensino Superior
RIO DE JANEIRO/2018
SUMÁRIO
	1.
	OPERAÇÕES BÁSICAS DE UMA REFINARIA.
	3
	2.
	PETRÓLEO: Composição e Classificação.
	5
	3.
	CLASSIFICAÇÃO DOS PETRÓLEOS
	9
	4.
	TRANSFORMAÇÃO DO PETRÓLEO EM PRODUTOS.
	12
	
	REFERÊNCIAS.
	17
	
	ANEXO 1 – EXERCÍCIOS.
	18
	
	
	
1. OPERAÇÕES BÁSICAS DE UMA REFINARIA
1.1. Pré-aquecimento e Dessalinização
O processo de destilação tem início com o bombeamento contínuo do petróleo frio através de vários trocadores de calor, onde o óleo é progressivamente aquecido ao mesmo tempo em que resfria os produtos acabados que deixam a unidade. O conjunto de permutadores de calor dessa seção é conhecido como bateria de pré-aquecimento.
O sistema de pré-aquecimento permite uma economia operacional bastante elevada, pois oferece a vantagem de aquecer a carga com frações que se deseja resfriar, economizando o excesso de combustível que se faria necessário para o aquecimento total da carga, além de oferecer um menor dimensionamento dos fornos.
Antes de o petróleo ser enviado à seção de fracionamento, deverá passar pela dessalgadora (ou dessalinizadora) para a remoção de sais, água e suspensões de partículas sólidas, permitindo uma maior flexibilidade operacional em relação aos tipos de petróleos processados. Essas impurezas causam sérios danos à unidade de destilação, se não forem removidos do cru, limitando o tempo de campanha (tipo de petróleo processado), e provocando operação ineficiente da unidade. Os principais efeitos resultantes de presença desses contaminantes no petróleo são:
· Os sais de cloro (principalmente o MgCl2) liberam HCl, o que pode causar corrosão acentuada nas torres de fracionamento e linhas (principalmente na região do topo).
· Os sais e sólidos depositam-se em trocadores de calor e tubos de fornos, causando entupimentos, baixa eficiência de troca térmica e “superaquecimentos localizados” em tubos de fornos.
· Sais e sedimentos atuam como catalisadores para a deposição do coque no interior dos tubos de fornos e linhas de transferência, provocando também entupimentos e diminuição da transferência de calor nos equipamentos.
O processo de dessalinização consiste basicamente no seguinte:
O óleo cru pré-aquecido recebe uma corrente de água de processo para misturar com a água residual, sais e sólidos presentes no cru.
Uma válvula misturadora provoca a íntimo contato entre a água injetada e os sais e sedimentos.
A seguir a mistura de petróleo, água e impurezas penetram no vaso de dessalgação, caminhando através de um campo elétrico de alta voltagem, mantido entre pares de eletrodos metálicos. As forças elétricas do campo assim criado, provocam a coalescência das gotículas de água, formando muitas gotas grandes, que, por terem maior densidade, caem através do cru para o fundo da dessalgadora, carregando dissolvidos os sais e sedimentos.
O petróleo dessalgado flui pelo topo do tambor, e continua seu fluxo dentro da unidade, enquanto que a salmoura formada (água, sais e sedimentos) é contínua e automaticamente descartada do vaso de dessalgação.
É importante o controle do nível da interface petróleo/salmoura, porque, caso haja arraste de água na corrente do petróleo, sua súbita vaporização, que ocorrerá nas torres, poderá provocar variações de pressão, podendo danificar as bandejas de fracionamento.
O petróleo, após ser dessalinizado, passa numa 2ª bateria de pré-aquecimento, onde a sua temperatura é elevada ao máximo valor possível conseguida por troca térmica com as correntes quentes que deixam o processo. Quanto mais alta for a temperatura atingida no pré-aquecimento, menor será a quantidade de combustível gasta nos fornos para o aquecimento final do óleo.
2. PETRÓLEO: Composição e Classificação
2.1. COMPOSIÇÃO
O petróleo cru é uma mistura de varias centenas de compostos orgânicos, predominando os que são constituídos apenas de carbono e hidrogênio (hidrocarbonetos). Dentre estes predominam, em geral, os líquidos que mantêm gases e sólidos em dissolução. Encontram-se, ainda em pequenas proporções, compostos orgânicos contento enxofre, nitrogênio e oxigênio, bem como traços de metais e outros elementos.
Contêm como impurezas: água, argila, areia e sais minerais os quais terão que ser eliminados antes da refinação propriamente dita.
Os gases trazidos em dissolução incluem: metano, etano, propano, butano normal e isobutano.
Devido a constituição tão complexa, pode-se dizer que não existem dois petróleos crus que possuam as mesmas características físicas, havendo casos de campos petrolíferos, na mesma área de produção, fornecerem petróleos diferentes, o mesmo acontecendo com os produtos de poços diferentes que se presume oriundos da mesma formação geológica. 
Essa ampla variedade de composição se reflete, por exemplo, na cor, na viscosidade, na fluidez, na densidade, etc. podendo-se encontrar petróleos quase tão fluidos como gasolina, passando por todos os graus de fluidez e oleosidade, até os de consistência semi-solida ou sólida. 
A aparência do petróleo pode variar de líquidos completamente fluidos de cor amarelo-palha até material pastoso ou semi-sólidos de cor preta.
Normalmente os hc’s encontrados no petróleo pertencem à série dos alcanos lineares, dos alcanos cíclicos e dos aromáticos ou são chamados hidrocarbonetos mistos, que possuem em suas configurações a combinação de uma ou mais dessas séries. 
Nas frações mais pesadas do petróleo encontram-se compostos formados com 2, 3 e 4 anéis benzênicos, como o naftaleno e o antraceno.
2.1.1. Compostos de Enxofre
O teor dos compostos sulfurados no petróleo pode variar de 0,1 a 7% em peso de enxofre. Os compostos mais comumente encontrados no petróleo são das classes dos tiolalcanos, tioalcanos, ditioalcanos, tiofênicos e benzotiofênicos. 
- Classe dos Tiolalcanos (mercaptans) 
Caracterizam-se pela fórmula estrutural R – SH. 
Exemplo: metil-mercaptan (H3C – SH).
- Classe dos Tio-alcanos (sulfetos)
Sua fórmula estrutural básica é R – S – R. 
Exemplo: H3C – S – CH3.
- Classe dos Ditio-alcanos
Caracterizado pela fórmula geral R – S – S – R.
Exemplo: H3C – S – S – CH3.
- Classe dos Tiofênicos (sulfetos cíclicos)
Até a temperatura de destilação de 150 ºC, os tios são compostos sulfurados que aparecem em maior concentração: têm odor forte e desagradável, sendo muito corrosivo. Entre 150 ºC e 250 ºC aumentam os teores derivados do tiofeno. Às temperaturas mais altas, predominam os benzotiofênicos e outros complexos de enxofre.
2.1.2. Compostos Oxigenados
A composição dos compostos oxigenados no petróleo situa-se na faixa de 0,06 a 0,4% em peso de oxigênio. Os compostos mais comuns encontrados são os ácidos derivados dos alcanos e cicloalcanos, mais conhecidos como ácidos naftênicos, e em menores quantidades aparecem os fenóis, cetonas, éteres, etc..
O teor de oxigênio nos petróleos aumenta com o ponto de ebulição, sendo que a maior concentração de compostos oxigenados encontra-se nas frações com ponto de ebulição acima de 400 ºC e na fração residual do petróleo. 
Alguns petróleos conhecidos como ácidos podem apresentam até 3% em peso de ácidos naftênicos, que se encontram principalmente nas faixas de destilação de querosene e diesel.
2.1.3. Propriedades Físicas
As seguintes propriedades físicas de um petróleo são fortes indicadores da sua qualidade e consequentemente do seu preço. As mais importantes são: 
· Densidade: É expressa em densidade relativa medida a 20 ºC em relação a água a 4 ºC.
· Equipamentos: Densímetros, balança, picnômetro. 
Usa-se, também, internacionalmente uma unidade empírica desenvolvida pelo Instituto Americano de Petróleo (American Petroleum Institute), que se relaciona com a densidade corrigida pela fórmula:
 141,5
ºAPI = ______________________ − 131,15
 Dens. Rel. a 15,5 ºC
A escala ºAPI variainversamente com a densidade relativa, isto é, quanto maior a densidade relativa, menor o ºAPI.
Petróleos contendo muitos produtos leves podem ter densidades na faixa de 35 a 45 ºAPI e petróleos extremamente pesados têm densidades na faixa de 6 a 10 ºAPI. Na escala API a água tem a densidade de 10. 
· Viscosidade: É geralmente medida em viscosímetros do tipo Saybolt ou cinemático, cst (centistoke). Existem petróleos muito viscosos com 500 cp (centipoise), e outros bastantes fluídos, com viscosidade em torno de 0,3 cp.
· Pressão a Vapor: É uma propriedade indicativa da presença de compostos voláteis, assim, um petróleo rico em compostos leves tem pressão de vapor elevada. Essa propriedade é medida por um método desenvolvido pela ASTM denominado Reid. A pressão de vapor Reid é inferior a pressão de vapor verdadeira em cerca de 5 a 9%.
· Ponto de Fluidez: É uma propriedade indicativa do teor de parafinas que se solidificam na temperatura determinada nas condições preconizadas pelo teste. Essa temperatura é também uma indicação aproximada de facilidade de escoamento do petróleo, em função das condições ambientes.
ASTM: American Society for Testing and Materials. 
3. CLASSIFICAÇÃO DOS PETRÓLEOS
Devido às características diferentes dos petróleos foi sentida a necessidade de um método de caracterizá-lo em função do teor e dos tipos de hidrocarbonetos que os compõem. Isso, naturalmente, influencia a qualidade e quantidade de produtos obtidos nas unidades de processamento. Utiliza-se a seguinte expressão:
UOP K = 
 S
CONVERSÕES DE TEMPERATURA
180
492
100
273
180
32
100
0
0
0
-
=
-
=
-
=
R
K
F
C
TB = ponto de ebulição médio molar em ºRankaine.
S = densidade relativa a 15,6 ºC.
Em função dos valores determinados os petróleos podem ser classificados em:
· Parafínicos: K > 12,0
· Intermediários: 12,0 > K > 11,8
· Naftênicos: K < 11,8
De um modo geral os petróleos parafínicos produzem Q.I, óleo diesel e lubrificantes de boa qualidade.
- Petróleos Naftênicos: Produzem excelentes asfaltos, dão lubrificantes de boa qualidade.
- Intermediários: Gasolina de boa octanagem.
O petróleo cru, conforme é extraído dos poços pode conter certa quantidade de água, livre ou emulsionada, usualmente contendo sais minerais em solução (água salgada), que podem causar corrosão de tanques, linhas e outros equipamentos. 
Processo de Decantação
 Dessalinização Aquecimento
Desidratação Produtos químicos 
3.1. Produtos de Processamento de Petróleo
Os tipos de produtos obtidos do processamento do petróleo podem ser agrupados da seguinte maneira:
· Gases – gás residual de refinaria, gás liquefeito (GLP), hidrocarbonetos para usos específicos (propano – butano).
· Destilados leves – gasolina, solventes, naftas para usos diversos (inclusive petroquímica).
· Destilados médios – querosene (iluminação e aviação) e óleo diesel.
· Destilados pesados – gasóleos, óleos lubrificantes, óleos para queima em equipamentos especiais, etc..
· Parafinas e graxas – parafinas de vários tipos, vaselinas, graxas, etc..
· Resíduos – óleos combustíveis, asfaltos, coque, negro-de-fumo.
· Especiarias – hidrocarbonetos puros (benzeno, toluenos, xilenos, parafinas normais), inseticidas, fertilizantes, plásticos, etc..
3.2. Processos Básicos de uma Refinaria
Os processos básicos de uma refinaria são:
· Destilação Fracionada – envolve a separação dos hidrocarbonetos em corte com diferentes faixas de destilação (grupos de moléculas com diferentes pesos moleculares).
· Conversão de Estrutura – alterações de tamanho ou estrutura molecular das moléculas originais para aumentar o rendimento e valor comercial de certas frações: craqueamento, reformação (aromatização), isomerização, alcoilação, hidrogenação.
· Tratamentos Químicos ou Físicos (Purificação) – aplicado às frações obtidas pelos processos anteriores para remoção de impurezas ou substâncias indesejáveis, prejudiciais à qualidade dos produtos finais (extração com solventes seletivos, absorção, ataque químico, filtração, etc.) a fim de enquadrá-lo nas respectivas especificações. 
· Destilação Primária – Pressão Atmosférica
Atualmente o petróleo cru é destilado em colunas de fracionamento altamente eficientes, em processo continuo, para as quais o petróleo é bombeado passando primeiramente através dos fornos tubulares a certa velocidade, onde é aquecido a cerca de 350 ºC, atingindo a câmara de “flash” da torre de destilação como uma mistura de líquidos e gases, isto é, parcialmente vaporizado.
4. TRANSFORMAÇÃO DO PETRÓLEO EM PRODUTO
4.1. Produtos da Refinação
Gasolina Automotiva
Dentre os produtos de petróleo, a gasolina é, sem duvida, o mais importante e de maior utilização nesta civilização mecanizada. Seu consumo é de tal ordem que o único líquido que supera em volume é a água.
A gasolina automotiva é uma mistura complexa de hidrocarbonetos variando de quatro a doze átomos de carbono e tendo pontos de ebulição entre 35 º a 220 ºC.
Sob o ponto de vista da aplicação pode-se definir gasolina como um combustível apropriado para utilização em motores de combustão interna que possuem ignição por centelha. 
Uma gasolina para consumo é constituída pela mistura de dois, três ou mais componentes obtidos nesses diferentes processos de refinação, podendo ainda receber a adição de outros componentes como o benzeno, álcoois como o metanol ou etanol.
 CTE (Chumbo Tetra Etíla)
Derivados de PB 
 CTM (Chumbo Tetra Metila)
4.2. Tipos de Processo
· Destilação 
O petróleo aquecido a 350 ºC – 400 ºC é bombeado para uma torre de fracionamento onde, à pressão atmosférica é separado em varias frações; gasolina de destilação direta ou primária, querosene, O.D, gasóleo e cru reduzido. Tanto a quantidade como a composição de Hc’s da gasolina primária dependem do tipo de petróleo destilado.
As gasolinas diferem bastante em suas propriedades, como densidade, características de vaporização, poder antidetonante, etc..
· Gasolina Natural
O gás natural proveniente dos poços petrolíferos arrasta uma certa quantidade de hidrocarbonetos na faixa da gasolina. Estes hidrocarbonetos constituem a gasolina natural que pode ser recuperada por vários processos, como compressão seguida de resfriamento e condensação ou absorção em frações mais pesadas chamadas óleos de absorção, que depois de enriquecidas de gasolina natural são submetidas a uma destilação usando-se vapor de arraste para secar a gasolina do óleo de absorção.
A gasolina natural é altamente volátil por ser constituída de He’s muito leves e o seu poder antidetonante não é dos melhores já que contém grandes quantidades de He’s parafínicos de cadeia linear. Por estes motivos sua inclusão na gasolina final é feita em quantidades limitadas.
· Craqueamento (“craking”)
Este processo consiste em provocar a “ruptura” ou “quebra” das moléculas de Hc’s de alto ponto de ebulição para produzir outros de menor ponto de ebulição na faixa da gasolina. Pode-se utilizar o processo térmico ou catalítico.
As frações mais pesadas são submetidas a temperaturas elevadas, sob pressão e durante um determinado tempo. São empregadas temperaturas até 538 ºC e pressões da ordem de 24,5 a 70 Kg/cm2. No processo de craqueamento também se formam gases leves e coque. 
O craqueamento catalítico, usado modernamente, permite o uso de pressões mais baixas. Os catalisadores empregados são vários, como argilas naturais ou compostos sintéticos contendo sílica.
O depósito de carbono formado na superfície do catalisador durante o craqueamento é queimado, regenerando-se desta forma o catalisador. Deste modo a operação é contínua. 
Os Hc’s parafínicos e naftênicos da carga de alimentação, de baixa octanagem, são convertidos em sua maioria em olefinas e aromáticos de alto índice de octano. Assim, ocraqueamento, além de aumentar a produção de gasolina, serve como processo para melhorar a octanagem da mesma.
IOM: 92 a 94, antes da adição de antidetonantes. 
4.3. Características e Requisitos de Desempenho
Os principais requisitos a que deve atender uma gasolina, para assegurar um desempenho satisfatório no motor, são os seguintes:
· Partida rápida e fácil em qualquer clima. Facilidade de partida a frio.
· Aquecimento rápido do motor.
· Boas características de aceleração.
· Menor tendência a causar tamponamento (Vapor Lock) em tempo quente.
As características acima se relacionam com os ensaios de destilação e pressão de vapor.
· Ausência de frações pesadas, a fim de evitar diluição do óleo do carter, características relacionadas com o ensaio de destilação, e em alguns casos, com o ensaio de goma.
· Boas características antidetonantes, o que proporciona um máximo de potência com um mínimo de consumo propriedades relacionada com o índice de octano e teor de CTE.
· Ausência de compostos corrosivos de enxofre – características relacionadas com os ensaios de corrosividade e teor de enxofre.
4.4. Especificações e seu Significado 
· Controle de qualidade.
· Ensaios apropriados.
· Desempenhos satisfatórios.
· Especificações. 
 - Cor: indicar a presença de compostos antidetonantes, como atrativos de venda e para identificar vários tipos de gasolina.
As gasolinas incolores indicam ausência de aditivos antidetonantes tóxicos. Como medida de segurança, todas as gasolinas etiladas devem ser coloridas. 
- Destilação: indica a volatilidade das proporções relativas de todos os Hidrocarbonetos (Hc’s) componentes de uma gasolina.
10% evaporado – indica partida rápida e fácil (Tamponamento por vapor – vapor Lock).
50% evaporado – indica uma mistura adequada de combustível durante o período de aquecimento, particularmente durante as acelerações (aquecimento rápido).
90% evaporado e Ponto Final de Ebulição(PFE) – indica a quantidade de componentes da gasolina que possuem Ponto de Ebulição (PE) relativamente elevados. Propicia a diluição do óleo Carter.
Além dos inconvenientes citados, uma temperatura de 90% evaporados, muito alta, provocará depósitos excessivos na câmara de combustão, formação de vernizes e goma.
- Pressão de Vapor: indica a volatilidade do produto (líquido). É a força por unidade de área, exercida sobre as paredes de um recipiente fechado (Kgf/cm2).
- Teor de enxofre: estes componentes são indesejáveis por várias razões: 
· Podem dar odores desagradáveis em alguns produtos.
· Alguns tipos são corrosivos, atacando os equipamentos de refinação, os tanques de armazenagem e os motores.
· São venenos para certos catalisadores usados nos processos de refinação.
· Pela combustão formam óxidos de enxofre que vão se constituir em poluentes da atmosfera.
Entre os componentes mais prejudicais encontrados nas gasolinas estão os sulfetos (mono e dissulfetos) e os mercaptans.
Um teor de enxofre na gasolina é sempre indesejável, também porque os óxidos de enxofre podem levar a formação dos ácidos sulforosos e sulfúrico, devido a condensação de umidade, o que provocará a corrosão no silencioso e tubulação de escapamento dos gases de exaustão do motor.
- Índice de Octanagem: é a medida da capacidade de detonação. É determinada em um motor padrão. O I.O de um combustível é o teor em volume de iso – octano (2,2,4 – trimetil – pentano) que se deve misturar com n – heptano para obter a mesma intensidade de detonação da gasolina em questão. O iso – octano tem valor 100% em volume e o heptano tem valor zero .
- Teor de Goma: 5 mg/100mL.
Presença de olefinas.
- Período de indução: 180 min 
Verificar a formação de gomas durante a armazenagem.
REFERÊNCIAS
CORRÊA, O. L. S. Noções sobre exploração, perfuração, produção e microbiologia. São Paulo: Addison Wesley. 2003.
FARAH, MARCO ANTÔNIO. Petróleo e Seus Derivados. Rio de Janeiro: LTC, 2013.
INDIO DO BRASIL, NILO et al. Processamento de Petróleo e Gás. Rio de Janeiro: LTC 2012.
ROSA, A.J et al. Engenharia de reservatórios de petróleo.1.ed. Rio de Janeiro: Interciência. 2006.
ROSA, A. J.; CARVALHO, R. S. Previsão de Comportamento de Reservatórios de Petróleo. 1.ed. Rio de Janeiro: Interciência. 2002.
SKZLO, A.; ULLER, V. C. Fundamentos do Refino de Petróleo - Tecnologia e economia. 2.ed. Rio de Janeiro: Interciência. 2008.
THOMÁS, J. E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. 2.ed. Rio de Janeiro: Interciência. 2004.
ANEXO 1 - EXERCÍCIOS
1) Quais são as principais impurezas no petróleo?
2) Que tipos de compostos são considerados como contaminantes no petróleo?
3) Quais as características físicas que diferem do petróleo bruto?
4) Como podem ser classificados os petróleos brutos?
5) Defina petróleo.
6) Quais os principais processos necessários a obtenção do derivado do petróleo?
7) Quais os produtos de petróleo considerados como:
a) Destilados leves;
b) Destilados intermediários;
c) Destilados pesados.
8) Defina ponto de fluidez.
9) Quais os compostos de oxigênio mais comumente encontrados no petróleo? Dê exemplo.
10) Que tipo de composto oxigenado é responsável pela corrosão naftênica?
11) Explique por que o petróleo é insolúvel na água. 
12) Explique, de forma sucinta, de maneira objetiva, por que os compostos de enxofre são indesejáveis nos derivados de petróleo bruto.
13) Dê a classe dos compostos de enxofre, de acordo com a fórmula estrutural ou molecular.
a) R – S – S – R 
b) CH3SH ou H3CSH
c) R – SH
 d)
14) Qual o objetivo do processo da desparafinação do óleo lubrificante? 
15) Qual o objetivo da hidrogenação das parafinas? Dê exemplo do uso desse produto.
16) Explique o processo de desaromatização do óleo lubrificante.
17) Qual o objetivo do processo de desasfaltação?
18) Explique o objetivo da seção de pré-flash.
19) Um petróleo bruto apresenta densidade relativa d60/60ºF = 0,9780. Qual a densidade ºAPI desse petróleo?
20) Um derivado de petróleo tem ºAPI igual a 15,3, qual a sua densidade a 20/4ºC?
_1556266251.unknown