2.7.1.2) COLUNA ATMOSFÉRICA

Após o processo de dessalgação, o petróleo é submetido a uma rede de trocadores de calor para pré-aquecimento antes de alimentar o forno e em seguida, a Coluna Atmosférica. Caso, a Unidade de Destilação possua pré-fracionamento, o petróleo é processado em coluna pré-fracionadora ou torre pré-flash, obtendo-se nafta instável produto de topo. O produto de fundo obtido através do pré-fracionamento é aquecido novamente por uma rede de trocadores de calor e em seguida, um forno. Finalmente, após este aquecimento, o produto de fundo é processado na Coluna Atmosférica.

Geralmente, em processos de destilação do petróleo, a alimentação de coluna atmosférica é aquecida em temperaturas em torno de 340°-370°C. A máxima temperatura possível para a corrente de alimentação é em torno de 377°C, segundo Nelson (1969). Acima desta temperatura, o petróleo começa a sofrer degradação térmica, levando à

formação de coque. Isto pode causar falha no funcionamento da unidade devido ao depósito de coque na tubulação e na coluna.

Devido à própria complexidade do petróleo (que pode ser considerada como mistura de uma série de componentes), a Coluna Atmosférica, denominada também como Torre Atmosférica, torna-se extremamente complexa. Esta não é uma coluna de destilação convencional. Segundo Bagajewicz et al. (2001), quando comparada a uma destilação convencional, a destilação do petróleo tem características específicas como: grande quantidade de processamento, grande variação de temperatura ao longo da coluna e ausência de refervedor. Produtos de destilação de misturas complexas são misturas complexas em si (Perry, 1997). De fato, todos os produtos originários da destilação do petróleo na Coluna Atmosférica são misturas de vários componentes (hidrocarbonetos), especificadas em termos de suas temperaturas de destilação dentro de normas estabelecidas (ensaio de destilação ASTM D86). Além dos produtos principais, a Coluna Atmosférica gera como produto de fundo, o Resíduo Atmosférico.

Duas seções fazem parte da Coluna Atmosférica: esgotamento e retificação. A seção de esgotamento localiza-se abaixo da alimentação, enquanto que a de retificação, acima. A corrente de alimentação parcialmente vaporizada entra na zona de expansão, onde ocorre a separação de vapor e líquido. O fluxo líquido desce abaixo da zona de expansão e entra em contato com o fluxo de vapor do fundo da coluna. Os componentes mais leves do fluxo líquido são removidos pelo vapor de água que é injetado no fundo da coluna e passam a ser incorporados no fluxo de vapor.

Em geral, uma quantidade a mais da corrente de alimentação é vaporizada pelo forno. Esta vaporização extra da alimentação da coluna atmosférica é denominada de sobrevaporizado (overflash). Segundo Bagajewicz (1996), o sobrevaporizado é definido como a razão entre a vazão volumétrica proveniente do primeiro estágio acima da zona de expansão e a vazão de alimentação da coluna atmosférica.

Supondo que a lei de Dalton fosse válida, a equação para a pressão parcial dos hidrocarbonetos em um sistema é: P n n n p vapor água HC HC HC − + = (2.5)

pHC é a pressão parcial dos hidrocarbonetos, P é a pressão do sistema, nHC é a

vazão molar de hidrocarbonetos na fase vapor e nágua-vapor é a vazão molar de vapor de água

(assumindo que toda a água esteja na fase vapor). De acordo com a equação acima, se a vazão de vapor aumentar, a pressão parcial dos hidrocarbonetos diminui. A existência de vapor de água no sistema faz com que a pressão parcial dos hidrocarbonetos seja menor em comparação a um sistema composto somente de hidrocarbonetos, considerando como válida a Lei de Dalton.

De uma maneira simplificada, se a lei de Raoult for válida para as equações de equilíbrio do sistema em questão, tem-se:

sat i i iP x P y = (2.6) sat i i i P P y x = (2.7)

yi é a composição do hidrocarboneto na fase vapor, xi é a composição do

hidrocarboneto na fase líquida e sat i

P é a pressão de saturação do hidrocarboneto.

Se a pressão parcial dos hidrocarbonetos na mistura é reduzida quando se introduz vapor de água, a pressão de saturação também deve ser reduzida para se obter uma fixa composição dos hidrocarbonetos na fase líquida e, a lei de Raoult seja válida. Se a pressão de saturação diminui, por conseqüência, a temperatura de vaporização diminui. Desta forma, pode-se observar que a presença do vapor de água reduz a pressão parcial dos hidrocarbonetos e, portanto, reduz a temperatura de vaporização da mistura (Gary e Handwerk, 1994). A energia para a vaporização é obtida, não do vapor de água, mas do líquido a ser vaporizado (fluxo de líquido que desce abaixo da zona de expansão), segundo Liebmann et al (1998). Por isso, a temperatura nos estágios abaixo da zona de expansão diminui ao longo da seção de esgotamento. O vapor de água do fundo da Coluna Atmosférica não arrasta os componentes mais leves do resíduo. Se isto ocorresse, estes componentes do resíduo estariam presentes na corrente de topo, ou seja, no destilado. E é exatamente o que não ocorre porque a nafta (produto de topo) é composta principalmente por componentes mais leves do petróleo.

A Coluna Atmosférica opera com condensador. O vapor do topo da coluna é condensado e enviado a um tanque onde nafta (produto de topo) e água são separadas. Parte da nafta é retirada e outra parte retorna à coluna como refluxo interno. Além disso, as correntes laterais são enviadas para colunas de stripping. Os componentes mais leves das correntes laterais são removidos pelo vapor de água do fundo desta coluna e retornam à coluna principal em estágios acima da corrente lateral. Os produtos são retirados na corrente de fundo das colunas de stripping.

O uso de refervedor não é aconselhável, principalmente, devido às altas temperaturas que a região abaixo da alimentação pode alcançar. Geralmente, as Colunas Atmosféricas não apresentam refervedor. Os principais motivos da ausência de refervedor para Colunas Atmosféricas em geral são:

• A alta temperatura em que os estágios da seção de esgotamento podem alcançar. Com o refervedor, a temperatura destes estágios facilmente pode ultrapassar a temperatura de formação de coque que não deve ocorrer de forma alguma. Segundo Liebmann et al. (1998), a qualidade do produto pode estar comprometida quando um refervedor é utilizado devido à formação de coque e decomposição do produto.

• Refervedor tem um custo extremamente alto de instalação no caso da destilação do petróleo.

• A fração da alimentação vaporizada utilizando vapor quente no refervedor é menor se comparada ao uso de vapor de água diretamente na coluna. Isto é válido somente para uma pequena faixa de vazão de vapor de água. Conforme comparação apresentada no trabalho de Liebmann et al. (1998), o uso de vapor de água é mais eficiente que o de refervedor quando uma pequena fração de alimentação vaporizada é requerida.

Segundo Watkins (1979), há três tipos de Coluna Atmosférica: tipo U, tipo A e tipo R. A Coluna do tipo U opera sem pump-back e pump-around. A Coluna do tipo A opera com pump-around, enquanto ao do tipo R opera com pump-back.

Pump-around (refluxo circulante) consiste na retirada e no resfriamento de uma corrente líquida de pontos da coluna. Neste caso, a corrente líquida retorna em estágios acima da retirada. Já, pump-back consiste na retirada e resfriamento de uma corrente líquida da coluna. Em seguida, esta corrente retorna estágios abaixo da retirada.