Plataformas semi-submersíveis

As plataformas semi-submersíveis são compostas de uma estrutura de um ou mais conveses, apoiada por colunas em flutuadores submersos. Uma unidade flutuante sofre movimentações devido à ação das ondas, correntes e ventos, com possibilidade de danificar os equipamentos a serem descidos no poço. Por isso, torna-se necessário que ela fique posicionada na superfície do mar, dentro de um círculo com raio de tolerância ditado pelos equipamentos de subsuperfície, operação esta a ser realizada em lamina d`água. Dois tipos de sistema são responsáveis pelo posicionamento da unidade flutuante: o sistema de ancoragem e o sistema de posicionamento dinâmico.

No sistema de posicionamento dinâmico, não existe ligação física da plataforma com o fundo do mar, exceto a dos equipamentos de perfuração. Sensores acústicos determinam a deriva, e propulsores no casco acionados por computador restauram a posição da plataforma.

As plataformas semi-submersíveis podem ou não ter propulsão própria. De qualquer forma, apresentam grande mobilidade, sendo as preferidas para a perfuração de poços exploratórios.

Figura 3.5 – Plataforma semi-submersível

3.4.2. Navio sondas

Navio-sonda é um navio projetado para a perfuração de poços submarinos. Sua torre de perfuração localiza-se no centro do navio, onde uma abertura no casco permite a passagem da coluna de perfuração. O sistema de posicionamento do navio-sonda, composto por sensores acústicos, propulsores e computadores, anula os efeitos do vento, ondas e correntes que tendem a deslocar o navio de sua posição.

Os movimentos de uma sonda são considerados em um sistema de eixos XYZ e divididas em seis categorias, sendo três de rotação e três de translação, como mostrado na Figura 3.6.

Figura 3.7 – Movimentos de uma sonda

a) Movimentos na horizontal

- Avanço ou Surge, que é a translação na direção X. - Deriva ou Sway, translação na direção Y.

- Guinada ou Yaw, rotação em torno do eixo Z. b) Movimentos na vertical

- Afundamento ou Heave, translação na direção Z. - Jogo ou Roll, rotação em torno do eixo X.

- Arfagem ou Pitch, rotação em torno do eixo Y.

3.4.3. Plataformas tipo FPSO

As plataformas do tipo FPSOs (Floating, Production, Storage and Offloading), ilustrada na Figura 3.8, são navios com capacidade para processar e armazenar o petróleo, e prover a transferência do petróleo e/ou gás natural. No convés do navio, é instalada uma planta de processo para separar e tratar os fluidos produzidos pelos poços. Depois de separado da água e do gás, o petróleo é armazenado nos tanques do próprio navio, sendo transferido para um navio aliviador de tempos em tempos.

O navio aliviador é um petroleiro que atraca na popa da FPSO para receber petróleo que foi armazenado em seus tanques e transportá-lo para terra. O gás comprimido é enviado para terra através de gasodutos e/ou reinjetado no reservatório. Os maiores FPSOs têm sua capacidade de processo em torno de 200 mil barris de petróleo por dia, com produção associada de gás de

Figura 3.8 – Plataforma PFSO (P50 – Petrobras)

3.5. Plataformas de pernas atirantadas (tension leg)

As plataformas de Pernas Atirantadas (Tension-Leg Plataform - TLP) são unidades flutuantes utilizadas para a produção de petróleo. Sua estrutura é bastante semelhante à da plataforma semi- submersível, como ilustra a Figura 3.9. Porém, sua ancoragem ao fundo mar é diferente: as TLPs são ancoradas por estruturas tubulares, com os tendões fixos ao fundo do mar por estacas e mantidos esticados pelo excesso de flutuação da plataforma, o que reduz severamente os movimentos da mesma. Desta forma, as operações de perfuração e de completação são iguais às das plataformas fixas.

3.6. Processamento primário do petróleo

Um reservatório de petróleo não apresenta apenas o óleo bruto, pronto para ser extraído. Normalmente se verifica a presença de muitos sedimentos, partículas inorgânicas, gás (principalmente metano, associado ou não) e sais. Estas substâncias prejudicam o transporte do petróleo até as refinarias, além de serem consideradas nocivas aos equipamentos de processo, de tal sorte que se faz necessário um tratamento "in loco", logo após a extração.

Os problemas com transporte via dutos são reduzidos com a retirada de sais, água e sedimentos, que ocasionam corrosão e acumulação de sólidos nas tubulações; o gás também contém substâncias corrosivas, além de ser inflamável e explosivo, devendo ser separado o quanto possível.

Assim, nos próprios campos de produção é realizado um tratamento primário que consiste na separação óleo-gás-água, através de decantação e desidratação. A decantação é simples, ocorrendo a separação de fases de acordo com a diferença de densidades. A desidratação consiste na adição de uma substância química desemulsificante que agrega as moléculas de água, desta forma permitindo retirar o máximo da água emulsionada no óleo durante a produção.

Somente após este processamento primário o petróleo pode ser enviado à refinaria, dentro das especificações exigidas, isto é, no máximo 1% de água e sedimentos (BSW – basic sediments

UNIDADE IV

Refino de petróleo

O petróleo bruto é uma complexa mistura de hidrocarbonetos que apresenta contaminações variadas de enxofre, nitrogênio, oxigênio e metais. A composição exata dessa mistura varia significativamente em função do seu reservatório de origem.

No seu estado bruto, o petróleo tem pouquíssimas aplicações, servindo quase que somente como óleo combustível. Para que o potencial energético do petróleo seja aproveitado ao máximo, ele deve ser submetido a uma série de processos, a fim de se desdobrar nos seus diversos derivados.

O refino do petróleo consiste na série de beneficiamentos pelos quais passa o mineral bruto para a obtenção desses derivados, estes sim, produtos de grande interesse comercial. Esses beneficiamentos englobam etapas físicas, e químicas de separação, que originam as grandes frações de destilação. Estas frações são então processadas através de uma outra série de etapas de separação e conversão que fornecem os derivados finais do petróleo. Refinar petróleo é, portanto, separar as frações desejadas, processá-las e lhes dar acabamento, de modo a se obterem produtos vendáveis.

Refino de petróleo constitui a separação deste insumo, via processos físico-químicos, em frações de derivados, que são processados em unidades de separação e conversão até os produtos finais.

Os produtos finais dividem-se em 3 categorias:

• Combustíveis (gasolina, diesel, óleo combustível, GLP, QAV, querosene, coque de petróleo, óleos residuais) - cerca de 90% dos produtos de refino no mundo.

• Produtos acabados não combustíveis (solventes, lubrificantes, graxas, asfalto e coque).

• Intermediários da indústria química (nafta, etano, propano, butano, etileno, propíleno, butilenos, butadieno, BTX).

4.1. Refinarias

Refinarias de petróleo são um complexo sistema de operações múltiplas; as operações que são usadas em uma dada refinaria dependem das propriedades do petróleo que será refinado, assim como dos produtos desejados. Por esta razão, "não existem duas refinarias iguais no mundo".

As etapas do processamento de refino de óleo cru são basicamente três: separação, conversão e tratamento. O esquema da Figura 4.1 mostra de forma simplificada as etapas de processo.

Em cada etapa existem outras configurações de processo, utilizadas conforme a necessidade, por exemplo, de acordo com o tipo de petróleo, a produção de determinado produto que se visa maximizar etc.

As etapas do processo de refino podem ser classificadas em: 1- Processos de separação a. Destilação atmosférica b. Destilação a vácuo c. Estabilização de naftas d. Extração de aromáticos e. Desasfaltação a propano f. Desaromatização a furfural g. Desparafinação a solvente h. Desoleificação a solvente i. Adsorção de N-parafinas 2- Processos de conversão a. Craqueamento térmico b. Craqueamento catalítico c. Visco-redução d. Coqueamento retardado e. Hidrocraqueamento f. Reforma catalítica g. Isomerização catalítica h. Alquilação catalítica i. Polimerização catalítica 3- Processos de tratamento a. Hidrotratamento b. Tratamento cáustico c. Tratamento DEA/MEA d. Tratamento MEROX e. Tratamento BENDER f. Dessalgação eletrostática

Figura 4.1 – Etapas do processo de refino

Para a realizam destes processos as refinarias utilizam diversos equipamentos, tais como: • Vasos • Torres de destilação • Reatores • Fornos • Trocadores de calor • Bombas • Bombas de vácuo • Caldeiras • Torres de resfriamento

Possuem também um complexo sistema de tubulações, instrumentação e controle, além do sistema de geração e distribuição de energia elétrica.

Uma refinaria de petróleo é ilustrada na Figura 4.2.

Na Figura 4.3 é apresentado um fluxograma mostrando vários processos existentes em uma refinaria, desde o recebimento do petróleo cru até a obtenção de seus derivados.

Figura 4.3 – Fluxograma típico do refino de petróleo

A tabela 4.1 mostra, em linhas gerais, os principais produtos das unidades de conversão (unidades downstream). Note-se, porém, que vários produtos podem ser obtidos de diferentes unidades, assim como diferentes unidades podem produzir diferentes produtos (com diferentes qualidades associadas). Isto mostra o grau de complexidade técnica da construção do desenho de uma refinaria. Mostra também que não há como otimizar uma refinaria para um único produto apenas.

Tabela 4.1 – Frações ou cortes iniciais

Gás combustível (C1 – C2) Combustível de refinaria, matéria-prima para

etileno

GLP (C3 – C4) Combustível doméstico e industrial, matéria-

prima para petroquímica, obtenção de gasolina de aviação, veiculo propelente para aerossóis Nafta (20 – 220 °C) Gasolina automotiva e de aviação, matéria-prima

para petroquímica (principal), produção de solventes

Querosene (150 – 300 °C) Querosene de aviação, querosene industrial, produção de detergentes.

Gasóleo atmosférico (70 – 400 °C) Diesel, combustível doméstico e industrial (heating oil) e matéria-prima para petroquímica (gasóleo petroquímico)

Gasóleo de vácuo (400 – 750 °C) Carga para craqueamento (gasolina, GLP), produção de lubrificantes (subproduto parafinas), matéria-prima para petroquímica

Resíduos de vácuo (acima 570 °C) Óleo combustível, asfalto, lubrificantes de alta viscosidade, coque de petróleo

De um modo geral, uma refinaria, ao ser planejada e construída, pode se destinar a dois objetivos básicos:

• produção de produtos energéticos (combustíveis e gases em geral);

• produção de produtos não-energéticos (parafinas, lubrificantes, etc.) e petroquímicos.

O primeiro objetivo constitui a maior parte dos casos, pois a demanda por combustíveis é deveras maior do que a demanda por outros produtos. Nesse caso, a produção destina-se à obtenção de GLP, gasolina, Diesel, querosene e óleo combustível, entre outros.

O segundo grupo, não tão expressivo, é constituído de um grupo minoritário, onde o principal objetivo é a maximização da produção de frações básicas lubrificantes, parafinas e matérias-primas para a indústria petroquímica. Estes produtos possuem valores agregados muito superiores ao dos combustíveis, o que confere aos refinadores altas rentabilidades, embora os investimentos envolvidos sejam também muito mais altos do que os necessários para o caso anterior.

4.2. Processos de separação

Busca-se, nesta seção, apresentar sucintamente algumas unidades de refino, em princípio, na ordem do processamento do petróleo: da entrada do cru na refinaria a saída de produtos finais – salvo para processos concomitantes, complementares ou substitutos, dentro da refinaria.

Os Esquemas de Refino variam significativamente de uma refinaria para outra, não apenas pelas razões acima, mas também pelo fato de que mesmo os mercados de uma dada região estão sempre modificando-se com passar do tempo. Além disso, os avanços na tecnologia dos processos propiciam o surgimento de novas técnicas de refino de alta eficiência e rentabilidade, que ocupam o espaço dos processos mais antigos, de menores eficiências e maiores custos operacionais, que assim sendo, entram em obsolescência. Além desses fatores, atualmente também existem as crescentes exigências ambientais por parte dos governos, sob a forma de legislações e regulamentações, e por parte dos próprios mercados, que demandam cada vez mais, produtos oriundos de processos ditos "limpos", e que, desta forma, forçam a indústria do refino de petróleo a implementar melhorias contínuas. Se observados nos contextos de médio e longo prazos, os processos de refino não podem ser considerados estáticos, mas sim dinâmicos na sua constante evolução.

4.2.1. Dessalgação

Antes da separação em frações na refinaria, o petróleo cru precisa ser tratado para a remoção de sais corrosivos. Isto é feito através de um processo denominado dessalinização. O processo de dessalinização também remove alguns metais e os sólidos em suspensão que podem:

• causar danos às unidades de destilação ou reduzirem a sua eficiência; • provocar corrosão nos equipamentos;

• se depositar nas paredes dos trocadores de calor, causando entupimentos e reduzindo a sua eficiência, além de catalisarem a formação de coque nas tubulações;

• danificar os catalisadores que serão usados nas posteriores etapas de processamento.

A dessalinização compreende a mistura do petróleo cru aquecido com cerca de 3% a 10% de seu volume em água, e esta, então, dissolve os sais indesejáveis. A água então é separada do petróleo em um vaso de separação através da adição de desemulsificadores que ajudam na quebra da estabilidade da emulsão e/ou, mais habitualmente, pela aplicação de um alto potencial elétrico (de 15 kV a 35 kV) através do vaso para coalescer as gotículas de água salgada, que são polares. O processo de dessalinização do óleo cru gera uma lama oleosa, bem como uma corrente de água salgada residual, de alta temperatura, que normalmente é adicionada a outras correntes aquosas

na dessalinização é frequentemente a água não tratada ou apenas parcialmente tratada proveniente de outras etapas do refino.

4.2.2. Destilação atmosférica

A destilação atmosférica é o primeiro processo de refino em qualquer refinaria. Consiste na separação do petróleo em frações mais leves, de acordo com os diferentes pontos de ebulição de cada fração, como mostrado de forma esquemática na Figura 4.4.

Figura 4.4 – Fluxograma da destilação atmosférica

Antes de ser encaminhado para a torre de destilação (também conhecida como torre de pratos), o petróleo é aquecido em um alto forno, por onde passa dentro de serpentinas, para posterior admissão na torre, com temperatura em torno de 400°C. Na torre de destilação, mantido o sistema de aquecimento, o petróleo bruto começa a desprender vapores, que se elevam para o alto da mesma. A torre de destilação também é conhecida, no jargão da área, como torre de pratos, porque em seu interior existe uma série de pratos com borbulhadores dispostos horizontalmente em toda a altura, como ilustrado na Figura 4.5. Logicamente, os pratos mais próximos à base da torre são mais quentes, enquanto os do alto são mais frios. À medida que os vapores se elevam, condensam-se nos pratos correspondentes à temperatura de condensação. Deste modo, obtêm-se as frações de derivados, ficando depositados, nas partes mais altas, frações de gás, nafta e gasolina; nas intermediárias, querosene e óleo diesel; e no fundo da torre, as frações de ponto de ebulição mais elevado, como óleo combustível ou cru reduzido.

Figura 4.5 – Torre de destilação atmosférica

E importante frisar que estas frações obtidas ainda não estão dentro das especificações exigidas. Algumas, dependendo do tipo do petróleo e teor de contaminantes, podem ser consideradas como produto final (naftas, gás combustível, GLP, querosene), mas, a rigor, a maioria das frações tem que passar por outras etapas do processo. A destilação atmosférica visa a um fracionamento do petróleo, obtendo-se faixas de hidrocarbonetos que servirão como carga em outras unidades ou misturadas com produtos resultantes de outros processos.

Na Figura 4.6 é mostrado um fluxograma do processo de destilação atmosférica, desde o tanque de armazenamento até ser transformado nas frações desejadas, o petróleo é pré-aquecido em uma série de trocadores de calor, aproveitando o calor das correntes que deixam a torre de destilação, e desta forma, economizando energia para seu aquecimento.

Os principais equipamentos da instalação são: • Torre atmosférica • Forno atmosférico • Dessalgadora • Vasos separadores • Trocadores de calor • Bombas

d’água, ar comprimido e energia elétrica, bem como o sistema de proteção contra incêndio. O conhecimento do fluxograma do processo é fundamental para o planejamento de um projeto de construção de uma unidade de destilação.

4.2.3. Destilação a vácuo

O resíduo da destilação atmosférica serve de carga para a unidade de destilação a vácuo, mostrada esquematicamente na Figura 4.7. Semelhante à atmosférica, na destilação a vácuo a torre é submetida a uma pressão negativa, e o objetivo deste processo é produzir, a partir do resíduo, frações de diesel e gasóleo. O gasóleo é uma fração do petróleo destinado à produção de lubrificantes, podendo ser direcionado para processos mais complexos, como o craqueamento catalítico, onde é transformado em óleo diesel, gasolina e GLP.

Já o produto residual da destilação a vácuo pode ser utilizado como asfalto ou utilizado para a produção de óleo combustível.

Na Figura 4.8 é mostrado um fluxograma do processo de destilação a vácuo, onde são mostrados os equipamentos integrantes da planta. O conhecimento do fluxograma do processo é fundamental para o planejamento de um projeto de construção de uma unidade de destilação.

Figura 4.8 – Processo de destilação a vácuo

Os outros processos de separação existentes integram esquemas mais complexos de refino, presentes nas etapas de conversão/tratamento de derivados. Embora não sejam objeto de estudo no presente trabalho, cita-se como exemplo a desasfaltação a propano, desaromatização a furfural, extração de aromáticos, desparafinação a solvente, entre outros.

4.3. Processos de conversão

Uma série de unidades de processo, ditas de conversão destina-se a transformar frações pesadas de petróleo em produtos mais leves. Todos os processos de conversão têm natureza química, cada um objetivando determinado propósito/adequação. Como exemplo podemos citar: craqueamento (térmico ou catalítico), visco-redução, alquilação, coqueamento, etc.

Os processos de conversão normalmente possuem alta rentabilidade, porque transformam produtos de baixo valor comercial, como gasóleos e resíduos de destilação, em outras frações de maiores valores de mercado.

O processamento de conversão na refinaria implica na alteração da estrutura molecular dos hidrocarbonetos, seja por quebra em moléculas menores, seja por combinação em moléculas maiores, seja na produção de moléculas de maior qualidade, como por exemplo, para obter gasolina com maior índice de octanas, através de rearranjo molecular. Isto implica no uso de técnicas mais complexas.

Existem, basicamente, dois processos de craqueamento de hidrocarbonetos pesados: o processo térmico (termo-craqueamento, visco-redução, coqueamento) e o processo catalítico (FCC, RCC, HCC). Os últimos normalmente fornecem derivados de maior qualidade do que os primeiros.