Development of a supercritical extraction pilot plant for upgrading of heavy oils and study of the asphaltene aggregation process

Os asfaltenos são macromoleculas aromáticas complexas, que apresentam estrutura que varia de acordo com o local de extração do óleo. Esta fração tem sido muito estudada pela indústria de petróleo, não apenas por sua contribuição às propriedades do óleo cru, mas também pelos problemas associados a sua agregação e precipitação. Com isso, foram desenvolvidos novos processos para valoração de petróleos pesados, que recuperam os asfaltenos, obtendo também óleo lubrificante. Neste trabalho foi estudado um dos processos para valoração de petróleos pesados, que utiliza fluidos supercríticos para a desasfaltação e produção de óleo lubrificante. Este processo foi estudado a partir de duas abordagens. A primeira abordagem foi o desenvolvimento de uma planta piloto de desasfaltação supercrítica, no qual o projeto de uma planta piloto construída foi adequado para o uso com petróleo. Este comissionamento foi assistido por simulações do processo realizadas em um software de simulação, no qual as variáveis de processo foram avaliadas em termos de sua influência no desempenho. Diversos testes foram feitos na planta piloto com frações pesadas de petróleos brasileiros, onde as condições operacionais foram avaliadas para a constatação das modificações de projeto necessárias. Uma vez concluída a primeira etapa, foi feita uma segunda abordagem para o processo, que representou o estudo do mecanismo de agregação e precipitação dos asfaltenos, que corresponde à primeira etapa do processo de desasfaltação. Este mecanismo foi avaliado com experimentos utilizando espalhamento de luz dinâmica, para quantificar a variação do tamanho das partículas de asfalteno com o tempo, em amostras preparadas com solventes orgânicos. Como complementação para este estudo, foi utilizada a Espectroscopia Raman Anti-Stokes Coerente para obter imagens das partículas de asfalteno no processo de agregação. Estes dados são de extrema importância, uma vez que ajudam a entender melhor o mecanismo de agregação dos asfaltenos, que ainda permanece como um grande problema sem solução na industria de petróleo e permitem o estudo e avaliação do processo de extração supercrítica para o melhor aproveitamento dos petróleos brasileiros na indústria.Alphaltenes are complex aromatic macro-cycle molecules, with a molecular structure that varies depending on the origin of the crude oil. Apart from heir contribution to the properties of petroleum, the study of the asphaltic fraction asbecome more important, due to the problems encountered during petroleum Pro cessing caused by asphaltene precipitation, which causes pipe clogging and catalyst deactivation. Associated with the problems related to the presence of asphalthenes, the petroleum industry developed new processes for upgrading of heavy oils and residues, designed for recovering asphaltenes and lube oil from that mixture. The Residuum Oil Supercritical Extraction (ROSE¿) process is the premier deasphalting technology available in industry. This process extracts high-quality deasphalted oil (DAO) and asphaltenes from atmospheric or vacuum residues and other heavier feedstocks. In this work the extraction of asphaltenes from oil was assessed using two different approaches. The first one was the installation and commissioning of a supercritical deasphalting pilot plant, assisted by simulations using a process simulation software and a thermodynamic study of the system comprised of deasphalted oil, asphaltenes and the solvent. The second approach was the use optical strategies to analyze and model asphaltene aggregation, which is the first step of the supercritical dealphalting process. The first optical technique used was dynamic light scattering (DLS), which gave information such as to study and describe the kinetics of asphaltene aggregation in aromatic solvents, at different temperatures. Associated with the DLS results, CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) images were acquired with different solvents, and allowed an evaluation of the behavior of asphaltenes while they aggregate. These results are very important, once they provide insightful information on the asphaltene aggregation mechanism that still remains as a great unsolved problem in the petroleum industry, allowing it to be controlled in order to reduce problems related with asphaltene precipitation in oil transport and processing and improving the performance of heavy oils upgrading processes