MODELAGEM FLUIDODINÂMICA E REACIONAL COM AVALIAÇÃO AMBIENTAL DO PROCESSO DE HIDROCONVERSÃO DE RESÍDUOS DE PETRÓLEO

Orientador(es): Reginaldo Guirardello

Biblioteca Depositária: Biblioteca Digital da UNICAMP

Fonte: http://cutter.unicamp.br/document/?code=vtls000317501

Banca Examinadora: Reginaldo Guirardello, Asher Kiperstok, Waldir Martignoni, Antonio Carlos Luz Lisbôa, Edson Tomaz.

Idioma(s): Português

Dependência administrativa: Estadual

Palavras-chave: Reator em coluna de bolhas. Slurry bubble column. Fluidodinâmica. CFD. Modelagem. Indicador ambiental. Avaliação ambiental. Tecnologia limpa. Design for the environment. Craqueamento. Hidroconversão. Resíduo de vácuo. Refino de petróleo.

Resumo: Esta tese apresenta desenvolvimentos nas áreas de modelagem matemática, simulação e avaliação ambiental de processos químicos, aplicados à hidroconversão de resíduos de petróleo. Na hidroconversão ocorrem reações de craqueamento e remoção de heteroátomos (S, N e metais) do resíduo, em presença de catalisador e hidrogênio, gerando destilados de maior valor agregado. A modelagem é desenvolvida para o reator de hidroconversão, que opera em leito fluidizado trifásico (gás-líquido-sólido) tipo slurry bubble column, considerando fenômenos fluidodinâmicos e reacionais. O equacionamento é realizado a partir das equações de conservação da massa e quantidade de movimento médias no tempo, equações constitutivas e cinéticas de craqueamento. Para simulação do reator em escala piloto é proposto o "modelo fluidodinâmico base" e o "modelo fluidodinâmico com dispersão radial". A simulação fornece os perfis radiais de fração volumétrica, viscosidade efetiva e velocidades das fases gás e lama (pseudo-homogênea), assim como a conversão de resíduo, os perfis de concentração no reator e a distribuição de produtos (gás, nafta, diesel e gasóleo). Os resultados são comparados com o comportamento físico esperado, dados da literatura e modelos ideais de reatores, mostrando comportamento consistente. A avaliação ambiental é realizada com o método de Heinzle et al. (1998) modificado, por meio do cálculo de indicadores que permitem destacar os compostos, processos ou situações com maior potencial de gerar problemas ambientais e selecionar os processos mais eficientes. São considerados os aspectos ambientais decorrentes do fornecimento de matérias-primas e insumos e os impactos potenciais dos compostos gerados. O método é aplicado à região de reação do processo de hidroconversão, com o cálculo dos indicadores de massa e ambiental, a discussão da contribuição das frações de petróleo nos indicadores (destacando os resultados de conversão e seletividade) e a avaliação do maior problema ambiental da hidroconversão: o consumo e descarte de catalisador.

Keywords: Slurry bubble column reactor. Fluid dynamics. CFD. Modeling. Environmental index. Environmental evaluation. Design for the environment. Cracking. Hydroconversion. Vacuum residue. Petroleum refining.

Abstract: This work contributes to the development of process modeling, simulation and environmental evaluation applied to the hydroconversion of petroleum residues. The hydroconversion of residues in the presence of hydrogen and catalyst, under severe temperature and pressure conditions, produces lighter and more valuable products, such as naphtha, diesel and gasoil. The modeling of the hydroconversion reactor, which operates in a slurry bubble column mode, is developed considering both fluid dynamics and residue cracking reactions. The model is based on mass and momentum balance time-averaged equations, constitutive equations and kinetic models for the cracking reactions, leading to the development of two models: the "base fluid dynamic model" and the "radial dispersion fluid dynamic model". The simulation of the reactor, in pilot scale, gives the radial distribution of gas and slurry (pseudo-homogeneous phase) for the holdup, effective viscosity (dispersion) and velocity, as long as, the residue conversion, the concentration profiles and the distribution of products. The results show good agreement to the expected physical behavior and to the experimental data obtained in literature. The method of Heinzle et al. (1998) is selected for the environmental assessment of processes. It consists on the determination of indices based on mass balances and a classification approach that accounts for the environmental aspects of raw materials synthesis and the release of effluents (products, used materials, etc) to the environment. These indices help in the identification of major environmental problems and in the selection of more environmentally friendly process alternatives. Some modifications are proposed and implemented in the selected method. The Heinzle et al. modified method is then applied for the environmental evaluation of the reaction region of the hydroconversion process, showing the great influence of petroleum fractions in the indices (highlighting the results of conversion and selectivity) and showing the most important environmental problem in the hydroconversion process: the consumption and disposal of catalyst.