Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4
ÁREA: Química Tecnológica
TÍTULO: Modelagem de sistema de eletrólitos: um estudo das unidades de tratamento de águas ácidas de refinaria
AUTORES: Silva, I.S. (UFPE) ; Alencar, J.R.B. (PETROBRÁS) ; Danielski, L. (UFPE)
RESUMO: As correntes de águas ácidas são águas de processo, sendo assim, águas de alto
custo para uma refinaria. No processamento de petróleo essas correntes são
preocupantes devido à sua composição, contendo em maior quantidade gás
sulfídrico (H2S) e amônia, com pequenas quantidades de outros ânions presentes
como cianetos e traços de CO2. As unidades de tratamento de águas
ácidas têm sua importância elevada devido ao impacto ambiental, pois além de
remoção de contaminantes, a água tratada é reutilizada dentro da refinaria. Para
o estudo da unidade de processo foi utilizado o software de uso comercial Aspen
Plus®, que consegue modelar a coluna das unidades de tratamento de águas
ácidas de refinaria.
PALAVRAS CHAVES: águas ácidas; Aspen Plus®; refinaria
INTRODUÇÃO: As correntes de águas ácidas são geradas, nas unidades de processamento do
petróleo, através do contato das correntes de água ou de vapor d’água com
hidrocarbonetos contendo H2S (KENSELL & QUINLAN, 1996) e com a amônia gerada no
circuito de fracionamento do óleo cru (HATCHER & WEILAND, 2012). Além de algumas
unidades de refinaria injetar água para absorver compostos ou sais corrosivos
(KENSELL & QUINLAN, 1996) que geram também correntes de águas ácidas.
Após passagem das correntes nas unidades da refinaria e formação de águas
ácidas, as correntes chegam a Unidade de Tratamento de Águas Ácidas (UTAA), onde
em sua composição contém em maior quantidade gás sulfídrico (H2S) e amônia,
junto com pequenas quantidades de íons cianeto, fenol, ácidos naftênicos e
alifáticos (CAHN et al., 1978) e traços de CO2(HATCHER & WEILAND, 2012).
Em uma refinaria de petróleo as unidades de águas ácidas tem sua importância
aumentada, pois tem relação direta, a tocante da legislação brasileira, com
controle da qualidade de emissões dos efluentes de acordo com a Resolução CONAMA
Nº 357 de 17 de março de 2005 (BRASIL, 2005a), e com o reuso de água proposto
pela Resolução CONAMA Nº 54 de 28 de novembro de 2005 (BRASIL, 2005b), já que a
geração típica de volume de água ácida em grandes refinarias é em torno de 0,2 a
0,5 m3/ton de óleo cru processado (COELHO et al., 2006).
As correntes de águas ácidas de refinaria de petróleo é uma mistura de água e
eletrólitos, ou seja, é uma mistura multicomponente de difícil previsão já que o
seu comportamento desvia da idealidade, tornando assim o processo de separação
formado por um complexo equilíbrio de fases líquido-vapor, na qual o software
Aspen Plus® consegue modelar o sistema da UTAA muito bem.
MATERIAL E MÉTODOS: O software Aspen Plus® será utilizado para simulação da unidade de tratamento de
águas ácidas de refinaria de petróleo, onde para a modelagem do processo da
unidade será utilizado módulo RADFRAC do Aspen Plus® que é um rigoroso modelo
para todos os tipos de fracionamento multiestágio do equilíbrio líquido-vapor. O
cálculo do coeficiente de atividade das propriedades na fase líquida foi feito
pelo modelo NRTL para eletrólitos, ELECNRTL, e para o cálculo das propriedades
da fase vapor pela equação de estado Redlich-Kwong A torre será alimentada por
duas correntes, uma contendo a água ácida (água, amônia, sulfeto de hidrogênio e
o dióxido de carbono) e outra corrente de vapor para remover os componentes CO2,
H2S, e NH3 da corrente de água ácida, saindo assim a corrente de topo, chamada
de Gás Ácido, e a de fundo, chamada de Água Tratada. Foi utilizada a abordagem
para sistemas de eletrólitos no Aspen Plus® junto com as definições da corrente
de alimentação e utilizando as propriedades de solução.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Para a simulação inicial foram adicionados os dados de alimentação no Aspen
Plus®, que foram simulados a partir dos dados de uma refinaria de LEE et
al(2002). Segue, na Figura 1, os dados da alimentação inicial.
Um dos parâmetros mais importantes na modelagem de sistemas de águas ácidas é a
relação de alimentação de vapor e e da corrente de águas ácidas. Com os dados de
alimentação da tabela 1, variou-se a razão de vazões mássicas de vapor por vazão
mássica de água ácida, para assim obter razões ótimas de operação. O parâmetro
de operação para observação de eficiência da unidade de tratamento de águas
ácidas é o fator de remoção de contaminantes, que é definido pela equação a
seguir: 1- (wsaída,i/wáguaácida,1). Onde wsaída,i é a vazão mássica em
quilogramas por hora (kg/hr) do componente i na corrente de saída do fundo da
torre e wáguaácida,i é a vazão mássica em kg por hora (kg/hr) do componente i
na corrente de de água ácida na entrada da torre; o fator de remoção é dado por
componente.
Na figura 2, é percebido que uma remoção de contaminantes ótima é necessário uma
razão vapor/água ácida de 0,3, logo, quanto maior for a quantidade de
contaminantes presentes, mais difícil será em removê-los e maior terá que ser a
razão vapor/água ácida para a obtenção de uma remoção de contaminantes ótima. Um
parâmetro que foi bastante influenciado com a presença de todos contaminantes
foi a remoção do HCN, pois é o contaminante mais difícil de se remover.
Figura 1
Dados de alimentação na coluna da UTAA
Figura 2
Remoção de contaminantes por razão entre vapor e
água ácida com alimentação de 13000 ppm de NH3, 2500
ppm de H2S, 100 ppm HCN e 8000 ppm de CO2
CONCLUSÕES: As correntes de águas ácidas são águas de processo, sendo assim, águas de alto
custo para uma refinaria, logo o seu tratamento e remoção de seus contaminantes é
de real importância. Foi observado um importante parâmetros de processo,
utilizando o software Aspen Plus®, que é a remoção de contaminantes, onde obtendo
uma razão ótima de alimentação vapor/água ácida, é obtido valores importantes do
sistema de remoção. O simulador de processos tem sua importância elevada, pois por
meio dele, é possível obter parâmetros de importância no processo real.
AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem ao PRH-28/Petrobrás da UFPE pela concessão da bolsa de
mestrado e ao Laboratório de Combustíveis (LAC) pela licença do software.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: LEE,D.,LEE,J.M.,LEE,S.Y. LEE, I.-B., “Dynamic Simulation of the Sour Water Stripping Process and Modified Structure for Effective Pressure Control”, Chemical Engineering Research and Design, Volume 80, Issue 2, 167-177, March, 2002.
KENSELL, W.M, QUINLAN, M.P, Chapter 11.1 The M.W. Kellogg Company Refinery Sulfur Management, Part 11 Sulfur Compound Extraction and Sweetening, Handbook of Petroleum Refining Processes, 2nd edition, 1996.
COELHO, A., CASTRO, A.V., DEZOTTI, M., SANT’ANNA JR., G.L., Treatment of petroleum refinery sourwater by advanced oxidation processes. J. Hazard. Mater. 137, 178–184. 2006.
BRASIL, MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE - MMA, Resolução CONAMA Nº 357, de 17 de março de 2005. Brasília, MMA, 2005a.
BRASIL, MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE – MMA, Resolução CONAMA Nº 54, de 28 de novembro de 2005. Brasília, MMA, 2005b.
CAHN, R.P., LI, N.N., MINDAY,R.M., Removal of ammonium sulfide from wastewater by liquid membrane process, Environ. Sci. Technol. 12 (9) 1051–1056. 1978.
HATCHER, N., WEILAND, R., Reliable design of sour water strippers: A simulation model aims to raise confidence in the reliability of sour water stripper design, Petroleum Technology Quarterly, v 17, n 4, p 83-91, July-August-September. 2012.