UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Implementação de um Sistema Integrado para Cadastro dos Dados e Automatização dos Balanços de Massa e Energia dos Testes Realizados em uma Unidade Multipropósito de FCC Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511 Projeto de Fim de Curso Roberto Oenning Florianópolis, Setembro de 2005

2 Implementação de um Sistema Integrado para Cadastro dos Dados e Automatização dos Balanços de Massa e Energia dos Testes Realizados em uma Unidade Multipropósito de FCC Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511: Projeto de Fim de Curso Roberto Oenning Florianópolis, setembro de

3 Implementação de um Sistema Integrado para Cadastro dos Dados e Automatização dos Balanços de Massa e Energia dos Testes Realizados em uma Unidade Multipropósito de FCC Roberto Oenning Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial Banca Examinadora: Eng Alberto Jamhour Orientador Empresa Prof. Daniel Juan Pagano Orientador do Curso Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina Prof. Nestor Roqueiro, Avaliador Rodrigo Szpak, Debatedor Rafael May Taouil, Debatedor 3

4 Agradecimentos Agradeço à minha família, amigos e colegas de curso, em especial a meus pais, que me deram todo o apoio necessário para que eu chegasse até aqui. Ao engenheiro e orientador Alberto Jamhour, pela oportunidade oferecida, pelo conhecimento repassado e pela confiança depositada em mim e no meu trabalho. Ao professor e orientador Daniel Juan Pagano e ao doutorando Agustinho Plucenio, por tudo o que me ensinaram ao longo do curso e da minha participação no programa PRH 34. Aos engenheiros Samia Kamal Genena, Alex Scheuer e Fabiano Luis Bernardi, ex-estagiários do curso de Engenharia de Controle e Automação da UFSC, que realizaram excelentes trabalhos na UN-SIX, possibilitando a viabilização deste estágio e futuramente de muitos outros. A todos os colegas de trabalho no estágio realizado na SIX e no programa PRH 34, pelo respeito, amizade e bom humor, que fizeram com que o ambiente de trabalho se tornasse prazeroso, saudoso e inesquecível. À Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC - e aos professores do curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial, responsáveis pela minha formação. Agradeço à PETROBRAS/UN-SIX pela estrutura e pelo aprendizado oferecidos e a toda a força de trabalho da UN-SIX que teve participação, direta ou indiretamente, no meu estágio. Agradeço ao apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo - ANP, e da Financiadora de Estudos e Projetos - FINEP, por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo e Gás - PRH nº 34 - ANP/MCT. Finalmente, agradeço aos funcionários do Hotel São Mateus, onde residi no período de estágio, e aos demais estagiários da PETROBRAS/UN-SIX que compartilharam o período de estágio comigo, pela diversão, respeito, amizade e companheirismo. i

5 Resumo As unidades de pesquisa da PETROBRAS/UN-SIX são unidades de testes que visam reproduzir condições operacionais reais. Desta forma, frequentemente estas unidades realizam séries de testes, obtendo dados que são estudados pelos engenheiros e pesquisadores da SIX e do Centro de Pesquisas da PETROBRAS (CENPES), no Rio de Janeiro. A análise dos dados dos testes é uma atividade muito trabalhosa e que demanda muito tempo, dados o elevado número de variáveis e a complexidade dos cálculos envolvidos. Assim sendo, foi desenvolvido na UN-SIX há alguns anos um conjunto de aplicações (denominadas UMProcess OPER, UMProcess DATALAB e UMProcess BME), que visam a auxiliar os técnicos, analistas, engenheiros da unidade Multipropósito de FCC (U-144) e pesquisadores do CENPES na tarefa de analisar os resultados dos testes realizados na U-144. Estes softwares funcionavam satisfatoriamente e reduziam para alguns segundos o trabalho de horas de cálculos, porém ainda havia muitas idéias de melhorias para aumentar a praticidade e a automatização do processo de análise que não haviam sido implementadas. O Projeto de Fim de Curso relatado a seguir consistiu em desenvolver um novo sistema, que integrou e acrescentou novas funcionalidades aos três softwares citados acima, além de implementar outros aplicativos menores para cadastros de outras informações sobre a U-144. As atividades desenvolvidas na PETROBRAS/UN-SIX que serão abordadas neste relatório estiveram relacionadas ao estudo do sistema a ser modificado, ao projeto de um novo banco de dados unificado e à migração da base de dados antiga, além da criação do novo sistema, desenvolvido totalmente em linguagem JAVA, o que o tornou portável a várias plataformas. ii

6 Abstract The PETROBRAS/UN-SIX research units are units of tests with the objective of to reproduce real operational conditions. On this way, these units frequently carry through series of tests, getting data that will be studied by engineers and researchers of the SIX and the PETROBRAS Research Center (CENPES), in Rio De Janeiro. The analysis of the tests data is a very hard activity and demand much time, given to the raised number of variables and the complexity of the involved calculations. Thus, it was developed in the UN-SIX at some years ago a set of applications (called UMProcess OPER, UMProcess DATALAB and UMProcess BME), to assist the technician, analysts, engineers of the Multipurpose FCC Unit (U- 144) and researchers of the CENPES in the task to analyze the results of the tests carried through in the U-144. These softwares functioned satisfactorily and reduced for some seconds the work of hours of calculations, however there were many ideas of improvements to increase the practicity and the automatization of the analysis process that had not been implemented. The End of Course Project as follow was consisted of developing a new system, that integrated and added new functionalities to three softwares cited above, besides implementing other small applications for register of other informations on the U-144. The activities developed in the PETROBRAS/UN-SIX that will be boarded in this report had been related to the study of the system to be modified, to the project of a new unified database and to the migration of the old database, beyond the creation of the new system, developed total in Java language, what became it portable to some platforms. iii

7 Sumário AGRADECIMENTOS... I RESUMO...II ABSTRACT... III SUMÁRIO...IV CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO...1 CAPÍTULO 2: PETROBRAS PETRÓLEO BRASILEIRO S/A : A PETROBRAS HOJE : Abastecimento : Exploração e Produção : Gás e Energia : Internacional : UNIDADE DE INDUSTRIALIZAÇÃO DO XISTO SIX : O Xisto Pirobituminoso : A Exploração de Xisto : O Processo PETROSIX Tirando Óleo De Pedra : O Parque Tecnológico da SIX : Unidade Multipropósito de FCC (U-144) : Descrição Geral : O Processo de Craqueamento Catalítico Fluidizado - FCC : Produtos do Craqueamento : Gás Combustível : Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) : Nafta de Craqueamento : Óleo Leve de Craqueamento (LCO) : Óleo Decantado : Gás Ácido (H2S)...24 iv

8 : Catalisadores para FCC : Carga para Craqueamento : Variáveis Operacionais : Fluxo de Catalisador : Fluxo de Carga : Fluxo de Ar : Fluxo de Vapor : Fluido de Selagem : Amostrador de Topo e Sistemas de Condensação...28 CAPÍTULO 3: O CONJUNTO DE APLICATIVOS UMPROCESS : FUNCIONAMENTO DOS APLICATIVOS UMPROCESS : UMProcess OPER : UMProcess DATALAB : UMProcess BME...32 CAPÍTULO 4: ETAPAS DO TRABALHO DESENVOLVIDO : PROJETO DO NOVO SISTEMA : ETAPAS DA CONSTRUÇÃO DO NOVO SISTEMA : Estudo do Sistema Antigo : Construção do Novo Banco de Dados : Programação do Sistema : APRESENTAÇÃO DO NOVO SISTEMA : Tela Inicial : UMProcess OPER : UMProcess DATALAB : UMProcess BME : Relatórios da U : Cadastros da U : Gerenciamento do Sistema : MIGRAÇÃO DOS DADOS DA ANTIGA PARA A NOVA BASE DE DADOS...53 CAPÍTULO 5: RESULTADOS, CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS...55 BIBLIOGRAFIA:...57 v

9 Capítulo 1: Introdução O assunto a ser abordado no decorrer deste relatório foi desenvolvido durante a execução do Projeto de Fim de Curso, realizado durante período de estágio na empresa PETROBRAS/UN-SIX, onde se trabalhou junto à Gerência de Pesquisa com o então Software (agora Sistema) UMProcess. Sendo o UMProcess um sistema concebido para integrar e automatizar o cadastro, armazenamento, apresentação de informações e realização dos balanços de massa e energia de uma unidade inteira de pesquisa da UN/SIX, esse Projeto de Fim de Curso está completamente inserido no contexto do curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial. Constavam, entre os objetivos do trabalho a ser realizado, a migração dos softwares que compunham o pacote UMProcess e de toda a base de dados existente para um único novo sistema, multiplataforma, de modo a eliminar a dependência dos mesmos ao ambiente Microsoft Windows, além de promover as melhorias necessárias de forma a facilitar o uso do sistema pelos operadores, analistas e engenheiros da Unidade Multipropósito de FCC. A metodologia adotada foi baseada no aprendizado e no conhecimento adquiridos progressivamente sobre o funcionamento do software através do estudo do código-fonte original em linguagem Visual Basic, aliado a pesquisas na internet e a conversas com engenheiros, operadores e analistas de laboratório, que são os maiores conhecedores de todo o processo englobado pelo sistema. No decorrer deste relatório será possível acompanhar as etapas de desenvolvimento do trabalho realizado. No capítulo 2, é feita uma apresentação da empresa onde o estágio foi realizado, composta de um breve relato sobre sua história e áreas de atuação. Neste mesmo capítulo é feita uma descrição do processo de craqueamento catalítico fluidizado, a título de informação para os leitores, e de sua implementação na Unidade de Industrialização do Xisto SIX. 1

10 No capítulo 3 descreve-se o funcionamento do conjunto de softwares do pacote UMProcess, enquanto que no quarto capítulo são descritas as atividades desenvolvidas durante o estágio. Finalmente, no quinto e último capítulo, é apresentada uma discussão dos resultados, junto com conclusões e perspectivas sobre o projeto, onde se faz uma análise crítica das tarefas realizadas e das dificuldades encontradas durante o período. 2

11 Capítulo 2: PETROBRAS Petróleo Brasileiro S/A Em outubro de 1953, através da Lei nº , a PETROBRAS era criada para executar as atividades do setor de petróleo no Brasil em nome da União. Ao longo de cinco décadas, tornou-se líder em distribuição de derivados no país, colocandose entre as vinte maiores empresas petrolíferas na avaliação internacional. A PETROBRAS foi a pioneira na indústria do petróleo no Brasil, e por isso enfrentou dificuldades pela falta de infra-estrutura e de tecnologias adequadas. Nos anos 50 e 60, com o início das atividades no setor petróleo no país, a empresa precisou construir suas primeiras refinarias. A indústria nacional era, então, acanhada, e a PETROBRAS contribuiu, assim, para estimular seu crescimento. Naquela época, com a necessidade de dotar o Brasil de uma infra-estrutura adequada, o Governo brasileiro optou pela substituição de importações e pelo incentivo à instalação de empresas estrangeiras no Brasil. No início da década de 80 este modelo foi substituído, na PETROBRAS, pelo Sistema de Nacionalização. Além da substituição da importação de itens prioritários, este sistema passou a buscar fornecedores alternativos e uma maior autonomia de decisão da empresa nos aspectos tecnológicos e industriais. A demanda por materiais altamente sofisticados era crescente, principalmente pela necessidade de viabilizar a extração do óleo e do gás em águas cada vez mais profundas, situação em que, muitas vezes, não havia, no mundo, tecnologias disponíveis para este propósito. No final da mesma década, com a legislação que previa a modernização e o aumento da competitividade do parque industrial no Brasil, foram criados mecanismos de estímulo ao desenvolvimento tecnológico. O mercado interno, a esta altura, já atendia a 94% das necessidades da PETROBRAS. Em 1997 o Brasil ingressou no seleto grupo de 16 países que produz mais de um milhão de barris de óleo por dia, e neste mesmo ano foi criada a Lei nº , que abriu as atividades da indústria petrolífera à iniciativa privada. Com a lei, foram criados a Agência Nacional do Petróleo (ANP), encarregada de regular, contratar e fiscalizar as atividades do setor, e o Conselho Nacional de Política Energética, um órgão formulador da política pública de energia. Em sintonia com a mudança do 3

12 cenário, a PETROBRAS seguiu preparada para a livre competição, ampliando novas perspectivas de negócios e tendo maior autonomia empresarial. Noventa e três plataformas de produção, mais de dez refinarias, quase dezesseis mil quilômetros em dutos e mais de sete mil postos de combustíveis são números da PETROBRAS, que evidenciam sua forte presença no Brasil. Além de estar presente em diversos países, a PETROBRAS conta ainda com o apoio de seus escritórios no exterior, como em Nova Iorque e no Japão. Além disso, há o CENPES, o Centro de Pesquisas da PETROBRAS, que possui uma das mais avançadas tecnologias do mundo e é reconhecido internacionalmente pela sua competência. 2.1: A PETROBRAS Hoje Com sede na cidade do Rio de Janeiro, a PETROBRAS possui escritórios e gerências de administração em importantes cidades brasileiras, como Salvador, Brasília e São Paulo. Devido à alta competitividade do novo cenário da indústria de energia, a PETROBRAS reposicionou-se em relação ao futuro, utilizando os mais modernos instrumentos de gestão. Uma nova estrutura, forte e bem posicionada, está fazendo com que a empresa alcance suas metas estratégicas de expansão, internacionalização, rentabilidade e produtividade. A PETROBRAS atua em várias áreas do setor de energia. Desde a exploração de gás e petróleo até a distribuição, passando pelo refino e abastecimento, as atividades da companhia estão divididas em: Exploração e Produção, Gás e Energia, Abastecimento, e Internacional : Abastecimento A PETROBRAS abastece quase toda a demanda do mercado brasileiro por derivados de petróleo cerca de 1,7 milhões de barris/dia -, mercado este composto por 140 milhões de consumidores. Além do objetivo de aumentar sua capacidade de produção, de modo a atender a crescente demanda por derivados, a PETROBRAS precisa enfrentar outro desafio: adaptar suas refinarias de modo a aumentar a taxa de conversão de 4

13 diferentes tipos de óleo, dentro da já existente estrutura de processamento, eliminando, assim, a dependência da importação. De acordo com a Petroleum Intelligence Weekly, a PETROBRAS é a nona maior companhia no setor downstream - refino, transporte e comercialização. O termo downstream, na PETROBRAS, está ligado a boa parte da estrutura operacional da companhia: suas onze refinarias, duas fábricas de fertilizantes, bases, dutos, terminais e navios : Exploração e Produção O órgão de Exploração e Produção (E&P) da PETROBRAS é responsável pela pesquisa, localização, identificação, desenvolvimento, produção e incorporação de reservas de óleo e gás natural dentro do território nacional. Impulsionado pelo fato de grande parte das reservas brasileiras se encontrarem em bacias marítimas a grandes profundidades, o E&P, em parceria com outras áreas da Companhia, tem alçado a PETROBRAS à excelência mundial em desenvolvimento e aplicação de tecnologia de exploração e produção em águas profundas. Este esforço foi reconhecido internacionalmente através do recebimento, pela segunda vez, no ano 2001, do prêmio mais importante da indústria mundial de petróleo, o Distinguished Achievement Award, oferecido na Offshore Technology Conference (OTC) : Gás e Energia A área de negócios de Gás & Energia é responsável pela comercialização do gás natural nacional e importado e pela implantação de projetos, em parceria com o setor privado, que irão garantir a oferta deste combustível em todo o país. Elevar a participação do gás natural na matriz energética do país dos atuais 3% para 10% é um dos principais objetivos da companhia. Para isto, a PETROBRAS dedica esforço permanente junto às distribuidoras de gás e seus clientes, buscando alternativas técnicas e econômicas que ampliem o uso do gás nos segmentos industriais, automotivos e na geração e co-geração de energia. A área de Gás & Energia da PETROBRAS é responsável por grande parte da estrutura de transporte e comercialização, atuando sempre de maneira segura e ambientalmente correta. 5

14 Entre todos os combustíveis atualmente disponíveis em larga escala, o gás natural é aquele que se destaca como o mais versátil, econômico e limpo : Internacional A PETROBRAS desenvolve também diversas atividades no exterior e mantém uma consistente atividade internacional, como: exploração; compra e venda de petróleo, tecnologias, equipamentos, materiais e serviços; acompanhamento do desenvolvimento da economia americana e européia; operação financeira com bancos e bolsa de valores; recrutamento de pessoal especializado; afretamento de navios; apoio em eventos internacionais, entre outros. Ainda assim, a Companhia está associada às maiores empresas de petróleo do mundo, fazendo-se presente em Angola, Argentina, Bolívia, Colômbia, Cazaquistão, Estados Unidos, Guiné Equatorial, Nigéria e Trinidad & Tobago. 6

15 2.2: Unidade de Industrialização do Xisto SIX Figura 1: Complexo Industrial de São Mateus do Sul A Unidade de Negócio da Industrialização do Xisto (UN-SIX) foi constituída em 1º de junho de 1954, com a missão de estudar as potencialidades do xisto betuminoso e a viabilidade econômica de sua transformação industrial. Ela incorporou o acervo da extinta Comissão de Industrialização do Xisto Betuminoso (CIXB), órgão do Governo Federal que tinha sido repassado à PETROBRAS no ato da sua criação, em 3 de outubro de A sede, incluindo a mina e a área industrial, está localizada no município de São Mateus do Sul - PR, onde se encontra parte da formação geológica de Irati. O xisto da formação Irati com baixo teor de umidade pode ser processado com uma menor quantidade de calor, ou seja, com menor custo. 7

16 A atividade econômica do município de São Mateus do Sul baseia-se na agricultura, na pecuária, na produção e industrialização da erva mate e no Pólo Industrial-Tecnológico do Xisto, composto pela usina do xisto, incubadora tecnológica e a fábrica de pisos Incepa. Figura 2: Mapa demonstrativo da localização da Jazida de xisto - formação de Irati. A UN-SIX conta hoje com 265 empregados próprios e cerca de 580 contratados. Em suas atividades, mantém harmoniosa convivência com a comunidade, procurando respeitar o interesse comum não só no município onde está inserida, como também naqueles situados em suas proximidades. O objetivo da UN-SIX é promover o aproveitamento do xisto e desenvolver tecnologias úteis à sociedade de forma segura e rentável, sendo um referencial de excelência no aproveitamento do xisto e desenvolvimento de tecnologias com foco na rentabilidade e responsabilidade social. Em função da capacidade tecnológica desenvolvida na exploração do xisto, a PETROBRAS resolveu transformar a planta industrial do xisto também num centro avançado de pesquisa na área de refino. Hoje, vários projetos estão sendo desenvolvidos em conjunto com universidades e centros de pesquisas. Além disso, a SIX confere atenção especial à preservação dos ecossistemas, promove e apóia os órgãos públicos de defesa do meio ambiente e entidades ambientalistas. 8

17 Figura 3: Foto aérea da UN-SIX 1- Entrada da SIX; 2- Módulo Industrial Processo Petrosix; 3- Unidades de Pesquisa; 4- Lago Sul Área Reabilitada pós-mineração; 5- Mina Escavada (~10 km da entrada da SIX); 2.2.1: O Xisto Pirobituminoso Xisto é um termo geologicamente impróprio, mas de uso generalizado para designar uma rocha sedimentar que contém querogênio disseminado em sua matriz mineral. As rochas oleígenas originam-se pela deposição conjunta de sedimentos e matéria orgânica em ambiente anaeróbico, de águas estagnadas. Isto ocorre devido à existência de abundante fauna que consome o oxigênio dissolvidos nas águas. A matéria orgânica é convertida por processos bacterianos e químicos, durante o soterramento das camadas, num polímero complexo, o querogênio, que contém pequena quantidade de nitrogênio e oxigênio. Os principais ambientes de deposição de xistos são grandes lagos, mares de águas rasas, lagunas e pântanos. 9

18 O querogênio não pode ser extraído pelos solventes comuns do petróleo, mas pode ser transformado em óleo e gás quando a rocha é submetida a temperaturas relativamente elevadas. A fração mineral da rocha pode incluir argila, minerais, carbonados e sílica, dependendo do ambiente de deposição. Figura 4: Pedra de Xisto ou Folhelho Pirobituminoso Pelo fato de se tratar de rochas sedimentares e estas necessitarem de aquecimento para liberação da matéria orgânica, a nomenclatura mais correta para o caso dos xistos conhecidos no Brasil seria folhelho pirobituminoso. A referência é valida porque ambos os termos são comumente utilizados na literatura para designar este tipo de rocha oleígena. No Brasil existem ocorrências de xisto de diferentes idades geológicas em quase todos os estados, sendo eles São Paulo, Paraná, Santa Catarina, Rio Grande do Sul, Goiás e Mato Grosso do Sul, Bahia, Alagoas, Ceará, Maranhão, Pará, Amazonas e território do Amapá. Entretanto, o que deve ser realmente considerado não é o recurso total de óleo de xisto existente no nosso território, mas sim as reservas recuperáveis, com características favoráveis para industrialização em larga escala e com resultados econômicos aceitáveis. Isto implica no desenvolvimento de um trabalho intenso de geologia, baseado em fatores técnicos e econômicos. Esta orientação vem sendo 10

19 seguida pala PETROBRAS, cujos trabalhos desenvolvem-se mais profundamente nas formações do Vale do Paraíba e do Irati. A formação de Irati constitui parte integrante da coluna de sedimentos paleozóicos de idade Permiana da Bacia do Paraná. Das ocorrências de xisto no Brasil é a que apresenta as condições mais favoráveis ao aproveitamento econômico dos seus recursos em óleo, daí a intensificação dos trabalhos de pesquisa da PETROBRAS, principalmente na jazida de São Mateus do Sul, no estado do Paraná. Na jazida de São Mateus do Sul ocorrem duas camadas de folhelho pirobituminoso, separadas por uma camada de material estéril que, quando combinadas, fornecem espessuras da ordem de dez metros e teores em torno de 8,5 % em óleo. São rochas de coloração negra acastanhada, finamente laminadas, com elevado teor de matéria orgânica. Figura 5: Duas camadas xisto 2.2.2: A Exploração de Xisto A maior parte do xisto localizado em território nacional pertence à formação Irati, que abrange os Estados de São Paulo, Paraná, Santa Catarina, Rio Grande do Sul, Mato Grosso do Sul e Goiás. A PETROBRAS concentrou suas operações na jazida de São Mateus do Sul, onde o minério é encontrado em duas camadas: a camada superior de xisto com 6,4 metros de espessura e teor de óleo de 6,4%, e a camada inferior com 3,2 metros de espessura e teor de óleo de 9,1%. 11

20 SOLO VEGETAL ARGILA ROCHA CAMADA SUPERIOR DE XISTO CAMADA INTERMEDIÁRIA CAMADA INFERIOR DE XISTO Figura 6: Camadas do xisto na mina de São Mateus do Sul Em 1972, entrou em operação a Usina Protótipo do Irati (UPI), que comprovou a viabilidade técnica do processo PETROSIX, testou equipamentos e levantou dados básicos para projetos de usinas industriais. Figura 7: Unidade protótipo de Irati Retorta (torre maior) O processo de consolidação da tecnologia PETROSIX se completou em dezembro de 1991, quando entrou em operação o Módulo Industrial (MI), em plena 12

21 escala. Hoje a SIX processa diariamente toneladas de xisto betuminoso, que geram barris de óleo de xisto, 120 toneladas de gás combustível, 45 toneladas de gás liquefeito de xisto e 75 toneladas de enxofre : O Processo PETROSIX Tirando Óleo De Pedra A principal característica da tecnologia desenvolvida pela PETROBRAS é a simplicidade operacional do processo petrosix, descrito na figura 8. Figura 8: Esquema do processo PETROSIX tradicional Depois de minerado a céu aberto, o xisto vai para um britador, que reduz as pedras a tamanhos que variam de 6 a 70 milímetros. A partir daí estas pedras são levadas a uma retorta reator cilíndrico vertical onde são pirolisadas (cozidas) a uma temperatura de aproximadamente 500ºC, liberando a matéria orgânica nelas contida sob a forma de óleo e gás. 13

22 O calor para a pirólise é fornecido por uma corrente gasosa de elevada temperatura, que entra na zona de retortagem e se mistura com uma segunda corrente, injetada pela base da retorta, para recuperar o calor do xisto já processado. Nas zonas de aquecimento e secagem, a massa gasosa ascendente cede calor ao xisto e se resfria, resultando na condensação dos vapores de óleo sob a forma de gotículas, transportadas para fora da retorta pelos gases. Estes, com as gotículas, de óleo passam por dois outros equipamentos ciclone e precipitador onde são coletados o óleo pesado e as partículas sólidas arrastadas na etapa anterior. O gás limpo de neblina de óleo ou seja, das gotículas de óleo pesado condensadas durante a retortagem passa por um compressor e se divide em três correntes: uma retorna para o fundo da retorta, outra também volta à retorta após ser aquecida em um forno, e a terceira, denominada gás produto, vai para um condensador onde o óleo leve é recuperado. Depois de retirado o óleo leve, o gás é encaminhado à unidade de tratamento de gás para a produção de gás combustível de xisto e para a recuperação do GLX (gás liquefeito de xisto) e do enxofre. Terminado o processo de retirada do óleo e gás da rocha, o xisto, agora dito retortado, é devolvido à área minerada que será reabilitada. O óleo produzido é vendido diretamente para as indústrias e também é enviado à Refinaria da PETROBRAS REPAR, em Araucária - PR. A nafta é toda transferida e processada na REPAR, produzindo gasolina. O GLX e o enxofre são vendidos diretamente para terceiros, e o gás combustível é consumido no próprio processo sob a forma de combustível para os fornos e incineradores, além de abastecer a empresa de revestimentos cerâmicos Incepa por meio de um gasoduto, o gasoduto SIX-Incepa. 14

23 Figura 9: Aplicações dos Produtos e Subprodutos do Processo PETROSIX 2.2.4: O Parque Tecnológico da SIX O Parque Tecnológico da SIX é um conjunto de 13 plantas protótipo, destinadas a desenvolver tecnologias na área de refino, podendo executar trabalhos de pesquisa e desenvolvimento na área de energia de um modo geral. A GEPES (Gerência de Pesquisa) e o CENPES (Centro de Pesquisas da PETROBRAS) trabalham atualmente em 16 projetos prioritários dos Programas de Tecnologia e Meio Ambiente da PETROBRAS, com ênfase no processamento de petróleo nacional. Poucas empresas do setor de petróleo possuem um conjunto de plantas protótipo similar a este, que é o maior parque dessa natureza da América Latina e um dos maiores do mundo. 15

24 Figura 10: As unidades de pesquisa instaladas na SIX As 13 plantas Piloto são: Unidade Multipropósito de FCC (U-144) ; Unidade de Nebulizadores ou Dispersores de Carga de FCC (U-112); Unidade a Frio de Ciclones (U-111); Unidade de Recirculação de Catalisador (U-153); Unidade de Destilação Atmosférica (U-2110); Unidade de Hidroconversão Catalítica de Resíduos (U-104); Unidade de Desasfaltação (U-2325); Unidade de Destilação a Vácuo (U-2112); Unidade de Tratamento Ácido de Gasóleo e Emulsões (U-102); Unidade de Combustão (U-150); Unidade de Avaliação de Distribuidores Líquido-Gás (U-152); Unidade de Medição de Partículas a Laser (U-112); Laboratórios; O Parque Tecnológico tem por objetivo desenvolver os principais equipamentos das plantas industriais, testando-os em escala protótipo, reduzindo 16

25 assim a margem de incerteza na sua implementação, proporcionando maior segurança no scale-up e, ainda, desenvolver tecnologias, novas e existentes, nas áreas de refino, petróleo, energia e tratamento de efluentes da produção industrial. Figura 11: Foto noturna das unidades de pesquisa 2.2.5: Unidade Multipropósito de FCC (U-144) Plantas multipropósito são unidades de testes que visam reproduzir condições operacionais reais. Estas unidades, de porte intermediário entre uma unidade piloto e protótipo, buscam representar os fenômenos de um processo, sendo adequadas para estudos de otimização de processos e equipamentos. Entre os objetivos de uma unidade multipropósito podemos citar: Aquisição de dados experimentais para desenvolvimento de modelagem matemática e simulação do processo; Desenvolvimento de equipamentos e sistemas; Estudo de processos em novas condições operacionais, como por exemplo alteração das vazões processadas e de catalisadores. 17

26 : Descrição Geral A unidade de FCC visa o aproveitamento de certas frações de petróleo, transformando-as em frações nobres, como GLP e Gasolina. A unidade multipropósito estuda o comportamento do processo, considerando variáveis como: temperatura, pressão, tipo de catalisador, tempo de contato, etc. As principais características da planta são: Carga entre 60 e 300 kg/h; Temperatura de reação entre 460 e 580 ºC; Temperatura de carga entre 100 e 350 ºC; Pressão do reator entre 1,0 e 2,5 kgf/cm2 man; Temperatura de regeneração entre 600 e 730 ºC. A planta é monitorada por um SDCD Sistema Digital de Controle Distribuído, que conta com inúmeros indicadores de pressão, temperatura e diferenciais de pressão com grandes facilidades de acompanhamento. Figura 12: Unidade de Craqueamento Catalítico Fluidizado - FCC (U-144) 18

27 : O Processo de Craqueamento Catalítico Fluidizado - FCC O processo de Craqueamento Catalítico Fluidizado FCC (Fluid Catalytic Cracking) nasceu em 1942 e, apesar de quase 60 anos de amadurecimento, continua sendo uma tecnologia em evolução, sendo atualmente o principal processo de conversão das frações pesadas de petróleo para produtos leves das refinarias modernas. Até 1913, toda a gasolina produzida era obtida por destilação direta do petróleo, portanto tanto a qualidade como a quantidade dependiam unicamente do tipo de cru refinado. Como havia grande variedade de petróleos, havia também uma grande variação no rendimento e na qualidade das gasolinas. Em média, entretanto, o rendimento situava-se em torno de 20% em volume. A partir da segunda década do século XX começaram a surgir processos comerciais de craqueamento, objetivando suprir as necessidades da indústria automobilística. Iniciando com o craqueamento térmico, o processo mais tarde passou a utilizar a versão catalítica, em leitos fixo, móvel ou fluidizado, desenvolvendo-se de forma notável esta última concepção, até atingir o estágio em que hoje nos encontramos, onde o craqueamento catalítico fluido é praticamente um processo imprescindível às modernas refinarias. O craqueamento catalítico é um processo de refino que visa aumentar a produção de gasolina e de gás liquefeito de petróleo GLP, através da conversão de cortes pesados provenientes da destilação do petróleo (gasóleo e resíduos), em frações mais leves. É um processo largamente utilizado em todo o mundo, uma vez que a demanda de gasolina em vários países é superior a dos óleos combustíveis. O craqueamento catalítico corrige a produção de gasolina e GLP, suplementando a diferença entre a quantidade obtida diretamente do petróleo e a requerida pela refinaria de modo a atender ao mercado. O FCC emprega catalisador na forma de um pó muito fino, cujas partículas comportam-se como um líquido quando fluidizadas com vapor d água ou ar. A técnica tradicional consiste em alimentar a mistura íntima de catalisador na forma de suspensão quente com a carga de hidrocarbonetos atomizada em 19

28 pequenas gotículas, em um reator tubular de fluxo ascendente riser -, onde ocorrem as reações de craqueamento. No final do riser ocorre a rápida separação das partículas de catalisador coqueado da suspensão de hidrocarbonetos craqueados. A suspensão de catalisador e hidrocarbonetos craqueados proveniente do riser é direcionada para o interior de um vaso separador, geralmente na forma de um jato descendente, onde ocorre a separação da maior parte do catalisador pela ação gravitacional. Hidrocarbonetos coqueados e fluido de retificação arrastando algum catalisador escoam pela parte superior do vaso separador. O riser é o reator propriamente dito, por onde a carga vaporizada e o catalisador fluem em direção ascendente. O stripper possui um sistema de ciclones para separar o catalisador dos gases. Além disso, neste equipamento é injetado vapor para que ocorra a separação de substâncias voláteis que ainda estejam aderidas ao catalisador. Em seguida, o catalisador que se acumula no stripper é enviado para um reator secundário. No Regenerador o catalisador coqueado recebe ar, por meio de um distribuidor, para que ocorra a queima do material orgânico. Contudo, em virtude do limite de temperatura que o catalisador pode atingir sem sinterizar, a queima do coque é realizada apenas parcialmente. Nessa combustão é produzido apenas monóxido de carbono, que é levado a uma caldeira de queima de monóxido, para gerar energia. Assim, a unidade multipropósito de FCC tem como objetivo testar condições operacionais, catalisadores, cargas e equipamentos de uma unidade de craqueamento catalítico fluidizado através da quebra de resíduos atmosféricos (RAT), resíduos de vácuo (RV) e gás-óleo pesado (GOP). 20

29 Figura 13: Esquema básico de uma unidade de FCC Figura 14: Diagrama de Blocos do Craqueamento Catalítico 21

30 : Produtos do Craqueamento : Gás Combustível É composto basicamente de hidrogênio, metano, etano e eteno. Além destes, podemos encontrar também, em menores proporções, outros gases, como o propano, propeno, n-butano, iso-butano, n-buteno, iso-buteno, CO, CO2, N2. Os três últimos compostos citados são provenientes do arraste de gás de combustão pelo catalisador regenerado. Há também uma proporção variável de H2S, gerado pelas reações de craqueamento dos compostos sulfurados presentes na carga. Este gás, porém, é removido da mistura gasosa pelo tratamento DEA, de tal modo que o gás combustível sai praticamente isento de H2S. O H2S, conhecido como gás ácido, é enviado à unidade de recuperação de enxofre (URE), onde este elemento é produzido. Devido ao seu alto poder calorífico, sua facilidade de queima, seu caráter antipoluente (em virtude do baixo teor de enxofre) e sobretudo porque caso não seja utilizado será queimado na tocha, o gás combustível é largamente consumido em fornos e caldeiras das diversas unidades da refinaria : Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) O GLP de Craqueamento é basicamente composto de propano, propeno, butanos e butenos. Em menores proporções ocorre também a presença de etanos e pentanos. De forma similar ao gás combustível, também há ocorrência de H2S, que é eliminado pelo tratamento DEA. Outros compostos de enxofre também podem estar presentes, tendo seus teores reduzidos através do tratamento Merox. A Unidade de FCC é a principal responsável pela geração do gás liquefeito nas refinarias. Especificamente no Brasil isto é de extrema importância, devido ao grande consumo deste derivado no país. 22

31 : Nafta de Craqueamento A nafta produzida no FCC, devido à sua composição, é um excelente componente para a produção de gasolina. Ela é rica em olefinas, isoparafinas e aromáticos, sendo pobre em naftênicos e n-parafinas. Esta proporção de hidrocarbonetos conduz a uma gasolina de bom índice de octanagem, bastante superior aos valores de naftas de destilação e de processos térmicos de conversão. O teor de enxofre de nafta de craqueamento é alto, necessitando submetê-la ao tratamento Merox, que reduz o teor daquele elemento, além de diminuir e enquadrar-se devidamente à corrosividade. O elevado teor de enxofre é devido ao alto teor deste elemento presente na carga. Quando se craqueia cargas com resíduos, o problema tende a se agravar devido à maior quantidade de enxofre de natureza aromática que o tratamento Merox não consegue remover. O rendimento da gasolina no craqueamento varia de 50 a 65% do volume : Óleo Leve de Craqueamento (LCO) O Óleo Leve de Craqueamento (Light Cycle Oil LCO) é uma fração cuja faixa de destilação é aproximadamente a do óleo diesel. Ele é constituído de uma elevada concentração de aromáticos bi e tri nucleados com ramificações, além de grandes quantidades de olefinas e diolefinas de longas cadeias. Em função desta composição, seu número de cetano é baixo, não sendo aproveitado como óleo diesel : Óleo Decantado O Óleo Decantado, também conhecido como Óleo Clarificado (ClO), Óleo Combustível de FCC e Resíduo de Craqueamento é, como o último nome indica, o produto líquido mais pesado das reações de craqueamento. Este produto é riquíssimo em hidrocarbonetos aromáticos polinucleados, com algumas ramificações e olefinas pesadas também ramificadas. Seu maior uso em refinarias é, à semelhança do LCO, servir como diluente do resíduo de vácuo para a produção de óleos combustíveis. O Óleo Clarificado, embora bastante denso, é muito menos viscoso que os resíduos de vácuo. Devido à elevada aromaticidade, ele tem também uma alta relação carbono/hidrogênio. Por isso, conforme sua característica, ele pode 23

32 ser enquadrado como Resíduo Aromático (RARO), produto este que pode ser vendido às indústrias petroquímicas especializadas em produção de negro de fumo (carbono coloidal finamente dividido). O negro de fumo é utilizado como carga para produção de pneus, plásticos, pigmentos pretos, etc : Gás Ácido (H2S) A corrente de gás ácido é proveniente do tratamento de gás combustível e do GLP pela Unidade de Tratamento DEA. Sendo rica em H2S, ela é enviada para ser processado numa URE. O rendimento de gás ácido é bastante variável em função do tipo de carga processada e das condições de severidade das reações de craqueamento : Catalisadores para FCC O catalisador de craqueamento em leito fluidizado desempenha três funções principais no processo: Promotor das reações de craqueamento: Esta é a principal função do catalisador no processo. Ele promove a ocorrência de reações de quebra em condições bem mais suaves do que aquelas requeridas ao craqueamento térmico. Além disso, a quantidade e a qualidade dos produtos são bastante superiores às dos processos realizados na ausência de catalisador. Agente de transporte de coque: O carbono depositado na superfície do catalisador é transportado do reator para o regenerador, onde é queimado, produzindo energia, sendo esta a principal fonte de calor do processo. Este efeito é muito importante, pois, caso não houvesse o catalisador, o coque formado tenderia a se depositar no interior dos vasos de reação, acabando por provocar entupimentos, reduzindo, em consequência, o tempo de operação contínua da unidade. Isto se observa constantemente no craqueamento térmico. Agente de transferência de calor: O calor gerado pela queima do coque no regenerador é parcialmente utilizado no aquecimento do catalisador, elevando sua temperatura em 100 a 350 C. A circulação do catalisador retira 24

33 esta energia do regenerador e a utiliza para aquecer e vaporizar a carga, de modo a possibilitar e manter as reações de craqueamento : Carga para Craqueamento A carga enviada a uma unidade de craqueamento constitui-se em uma das mais relevantes variáveis deste processo. Suas características influenciam diretamente na conversão e, em consequência, na qualidade e quantidade dos produtos obtidos pela quebra das moléculas. A qualidade da carga é determinada pelos vários tipos e quantidades de hidrocarbonetos que a constitui, assim como as impurezas que nela estão presentes. A composição da carga, por sua vez, é influenciada pelas características do petróleo original e do seu refino. A carga é constituída de hidrocarbonetos parafínicos, olefínicos, naftênicos e aromáticos, nas suas diversas formas e arranjos, além de outros compostos de caráter orgânico ou não, classificados como impurezas. Dentro deste último grupo, encontram-se os compostos orgânicos de nitrogênio, oxigênio e enxofre, juntamente com pequenas quantidades de metais pesados (níquel, cobre, ferro e vanádio) e alcalinos (sódio, potássio e cálcio) : Variáveis Operacionais O FCC é um processo no qual devem existir três equilíbrios simultâneos em sua operação: Equilíbrio de calor: O excesso de geração de energia causa elevadas temperaturas, causando danos ao equipamento e ao catalisador. A baixa geração de energia causa temperaturas insuficientes do catalisador, fazendo com que as reações não ocorram corretamente. Equilíbrio de pressões: É fundamental para que o catalisador circule corretamente e não ocorra inversão do fluxo. Equilíbrio químico: Também chamado de equilíbrio de coque ou balanço de carbono, consiste na queima do coque gerado na reação. A insuficiência da queima de coque causa um acúmulo deste no catalisador, o que afeta as 25

34 conversões. Por outro lado, a insuficiência na geração de coque afeta o balanço térmico. Assim, o Craqueamento Catalítico é um processo bastante complexo devido à quantidade de variáveis que estão envolvidas. Pode-se classificar as variáveis operacionais em dois grandes grupos: variáveis independentes (ou de ação direta), nas quais se atua através de um controlador e variáveis dependentes (ou de ação indireta), que são alteradas em consequência da mudança de alguma variável independente. Pode-se citar como variáveis independentes: vazão de carga fresca, qualidade da carga fresca, atividade do inventário de catalisador, temperatura do reator, etc. Como variáveis dependentes pode-se citar: conversão, rendimento dos produtos, razão catalisador/óleo, circulação de catalisador, tempo de contato, temperatura da fase densa do regenerador, vazão de ar para combustão, etc. O riser apresenta quatro pontos de injeção da carga, permitindo variar o tempo de contato entre 0,5 e 3 segundos com qualquer tipo de carga : Fluxo de Catalisador O catalisador percorre um circuito fechado dentro do conversor. O escoamento se torna possível pelo fato de toda a massa estar em estado fluidizado, o que se consegue com ar, hidrocarbonetos vaporizados e vapor de água. O catalisador regenerado e aquecido escoa do regenerador para a base do riser. Ao entrar em contato com a carga fornece calor, vaporizando-a, sendo então arrastado pelos vapores de hidrocarbonetos e vapor de água, através do riser, onde ocorrem as reações de transformação da carga, agregando-se o coque ao catalisador. Na saída do riser o fluxo passa por ciclones onde há a separação catalisador/produtos. O catalisador escoa pelas pernas dos ciclones e deposita-se no stripper, onde passa por um processo que utiliza vapor de água para a retirada dos hidrocarbonetos que podem estar presentes no catalisador. Do stripper o catalisador escoa por uma tubulação para o regenerador, onde em contato com o ar queima o coque agregado durante as reações, completando o ciclo. 26

35 : Fluxo de Carga A carga é pré-aquecida a uma certa temperatura. Em seguida é enviada para os bicos dispersores, entrando no riser e vaporizando em contato com o catalisador. Após a passagem pelo riser e pelos ciclones, o gás separado do catalisador passa para a primeira etapa de condensação. A seguir passa por um segundo permutador de calor, onde o óleo condensado é armazenado nos tanques e a corrente gasosa mais os hidrocarbonetos leves passam por um condensador a freon. O fluxo segue então para os tanques de selagem e em seguida para o flare, onde os gases são queimados. A carga pode ser injetada no riser em quatro pontos distintos, com o objetivo de alterar o tempo de contato com o catalisador, como já citado. Os produtos armazenados durante o teste são amostrados e transferidos para o tanque de produtos : Fluxo de Ar Passando por um aquecedor, o fluxo é aquecido e direcionado para a base do regenerador, onde, através de uma placa distribuidora, entra no equipamento promovendo a fluidização e queima do coque no catalisador, regenerando-o. Os gases formados no regenerador passam por ciclones para a separação de partículas arrastadas do leito, que são devolvidas ao regenerador. O fluxo isento de sólidos é lançado na atmosfera : Fluxo de Vapor Vapor de Lift: É o vapor utilizado para acelerar o catalisador na base do riser. O vapor é condensado por um sistema de condensação, sendo posteriormente separado do óleo. Vapor de dispersão: É o vapor utilizado para atomizar a carga. Entra no riser pelos bicos dispersores, seguindo também com os produtos para o sistema de condensação sendo posteriormente separado. Vapor de estripagem : É utilizado para remover os hidrocarbonetos presentes no catalisador, sendo que estes e o vapor saem pelo topo do 27

36 stripper somando-se ao fluxo de produtos, seguindo então para o sistema de condensação : Fluido de Selagem Ar e gás inerte servem como fluidos de selagem para o processo em linhas e válvulas. O gás inerte é pressurizado e armazenado em um vaso pulmão, onde um compressor garante sua pressão na saída : Amostrador de Topo e Sistemas de Condensação Após o craqueamento, sai do riser uma mistura contendo vapores de hidrocarbonetos, vapor de água, gases e catalisador gasto (com coque). Esta mistura segue para dois ciclones em série, nos quais o catalisador gasto é separado. A corrente que segue ao topo da unidade é então composta apenas de vapores e gases, sendo que uma parte desta segue para o sistema de condensação e outra parte é desviada para o Amostrador de Topo ou RMS (Reactor Mixer Sampler Amostrador da Mistura de Produtos do Reator). No amostrador de topo, a corrente passa por um permutador a ar, condensando parte do óleo, que é coletado em um tanque. O restante da corrente passa por um permutador a água, condensando uma fração menos pesada de óleo, também coletado em um tanque. Finalmente, a mistura não condensada segue para uma torre de recheio, na qual a neblina restante, que passou com esta corrente, é retida. O último permutador utiliza freon, sendo condensada a parte mais leve do óleo. O gás resultante é coletado e levado para a análise cromatográfica. O óleo (composto de todas as frações condensadas) também é encaminhado ao laboratório para a destilação simulada. Para medir a quantidade de gás que passa pelo amostrador de topo, existe um medidor MGU (Medidor de Gás Úmido). A outra parte da corrente que sai do ciclone e que não foi desviada ao RMS, passa por um sistema de condensação semelhante ao do Amostrador de Topo, porém com os dois primeiros permutadores a água. A vazão de gás é indicada pelo SDCD, tem sua amostra coletada para análise cromatográfica e é depois queimada no flare. O óleo condensado é coletado em um tanque e depois de separado de grande parte da água, sendo então levado ao laboratório para análise de destilação simulada. 28

37 Capítulo 3: O Conjunto de Aplicativos UMProcess Por se tratar de uma unidade de pesquisa, a U-144 realiza frequentemente várias baterias de testes sob demanda, de modo a obter dados que serão estudados posteriormente. Entre os testes de cada bateria há a variação de um ou mais parâmetros, dependendo do objetivo dos mesmos. Ao final de uma bateria de testes, as amostras recolhidas durante os mesmos são enviadas ao laboratório para a análise, e os dados dos testes são analisados na forma de balanços de massa e energia. Por exemplo, em uma bateria de testes em que o objetivo é melhorar a produção de gasolina, cada teste é realizado variando-se alguns parâmetros (temperatura e tipo do catalisador, pressão da carga, etc). Ao final a bateria estudase os resultados das análises de laboratório (como qualidade do produto, por exemplo), em conjunto com algumas variáveis obtidas através dos balanços de massa e energia dos testes (quantidade de produto produzido, rendimento, etc), verificando quais testes obtiveram os melhores resultados em função do objetivo almejado e quais os parâmetros utilizados nestes testes. Um problema frequente do passado era a realização dos balanços de massa e energia dos testes, pois a realização manual dos balanços de cada teste chegava a levar várias horas e, como o número de testes realizados estava aumentando cada vez mais, esta prática estava começando a tornar-se inviável. Devido a este problema, foram desenvolvidas as aplicações UMProcess OPER, UMProcess DATALAB e UMProcess BME, em linguagem Visual Basic em conjunto com bancos de dados MS ACESS. Estes softwares foram desenvolvidos na UN-SIX pelo engº Alberto Jamhour, com o propósito de automatizar o processo de análise dos testes da U-144, auxiliando os analistas, técnicos, engenheiros e pesquisadores. O trabalho, que anteriormente demandava várias horas, com o auxílio do UMProcess passou a ser realizado em alguns segundos. O UMProcess OPER é responsável por fornecer uma interface para a entrada dos dados provenientes da operação, tais como tipo de catalisador, carga utilizada, resultados de coletas de produtos, etc. O UMProcess DATALAB fornece uma interface para a entrada dos dados provenientes do laboratório da pesquisa, onde 29

38 são analisadas as amostras de diferentes produtos retirados de diversos pontos de amostragem da unidade em cada teste. Entre os dados inseridos no UMProcess DATALAB pode-se citar os resultados das análises cromatográficas de cada amostra, contendo as frações molares de cada composto presente, a área cromatográfica de cada composto, etc. Cada um destes softwares armazena os dados em um banco de dados próprio. Finalmente, o UMProcess BME é responsável por coletar os dados inseridos pela operação e pelo laboratório, acrescentar os dados provenientes do SDCD, calcular os balanços de massa e de energia da unidade e gerar relatórios (padrão e/ou personalizados, de acordo com a necessidade de cada usuário) com os resultados dos balanços. Os dados de saída do UMProcess BME são armazenados em um banco de dados diferente para cada série de testes analisada. A figura 15 mostra um esquema desta configuração. 30