Modelagem matemática e simulação computacional do reator de conversão de diolefinas e do reator de hidrotratamento de nafta

Com a crescente exigência dos mercados e da sociedade por produtos derivados do petróleo cada vez mais livres de contaminantes que prejudicam o meio ambiente e a qualidade dos mesmos, os parques de refino de petróleo vêm investindo cada vez mais em tecnologias que permitam uma produção mais limpa, rentável e econômica. Desse modo, O hidrotratamento tem assumido um papel cada vez mais importante dentro das refinarias, sendo aplicado em diversos cortes do petróleo, desde os mais leves até os mais pesados. O hidrotratamento consiste na adição de hidrogênio na carga a ser hidrotratada com o propósito de, através de reações de hidrogenação, reduzir ou eliminar os componentes contaminantes presentes na carga, como o enxofre, nitrogênio, oxigênio, olefinas, diolefinas e metais. A adição de hidrogênio é feita em cocorrente descendente, onde a carga e o hidrogênio entram misturados e pré aquecidos no topo do reator a uma razão pré-definida (Razão H2/Carga), sendo esta forma a mais utilizada em escala industrial devido aos seus inúmeros benefícios. O foco da unidade de HDT é o reator, pois é nele que os contaminantes são removidos da carga. O tipo de reator mais utilizado é o de leito fixo (Trickle Bed Reactor - TBR). A nafta é a principal matéria prima do setor petroquímico nacional, de modo que todas as unidades instaladas são baseadas nela. A partir dela são produzidos os componentes da primeira geração do setor petroquímico. O HDT de nafta ainda é um tema pouco explorado mas que vem recebendo maior importância nos últimos anos. Por isso, este trabalho foi desenvolvido sobre esse tema, construindo e simulando modelos dinâmicos de reatores de leito fixo, com alimentação em cocorrente de uma unidade reacional de HDT de nafta, composta por um reator trifásico de conversão de diolefinas, utilizado para o pré-tratamento da nafta de coqueamento retardado e dois reatores bifásicos (G-S) de HDT de nafta, dispostos em série com resfriamento por quenchs independentes entre os leitos dos reatores e entre os reatores, para a redução de teores de enxofre, nitrogênio e olefinas presentes na nafta através das reações de hidrodessulfurização, hidrodesnitrogenação e saturação de olefinas. Foram construídos dois programas em ambiente MATLAB®, um para simular o reator trifásico de conversão diolefinas e outro para os reatores bifásicos de HDT de nafta, ambos simularam correntes de alimentação de nafta com diferentes níveis de contaminação, para que fossem avaliados os efeitos. Os programas simularam os perfis dinâmicos das temperaturas das fases envolvidas e das concentrações dos contaminantes e hidrogênio. Os resultados obtidos para o reator de conversão de diolefinas e os reatores de HDT de nafta se mostraram bem coerentes com relação aos fenômenos envolvidos. O reator de conversão de diolefinas atingiu o estado estacionário aos 80 minutos e os reatores de HDT de nafta aos 2 minutos, com os teores de contaminantes próximos de zero na saída do reator. Os resultados das simulações realizadas para os dois tipos de nafta apresentaram perfis dinâmicos semelhantes diferindo apenas quanto à temperatura mais elevada atingida no início do primeiro reator de HDT de nafta no caso da nafta com maior teor de contaminação.With the growing demand of markets and society by oil products increasingly free of contaminants that harm the environment and their quality, oil refining plants have been increasingly investing in technologies to cleaner production, profitable and economical. Thus, the hydrotreating has assumed an increasingly important role in the refinery and is used in many petroleum cuts, from the lightest to the heaviest. The hydrotreating is the addition of hydrogen in the load to be hydrotreated in order to, via hydrogenation reactions, reduce or eliminate the contaminating components present in the load, such as sulfur, nitrogen, oxygen, olefins, diolefins and metals. The addition of hydrogen is done in descending current, where load and hydrogen enter mixed and pre heated at the top of the reactor to a pre-defined (ratio H2/Oil), and this way the most used at industrial scale due to its numerous benefits. The focus of the HDT unit is the reactor, because that is where the contaminants are removed from the load. The most used type of reactor is the fixed bed (Trickle Bed Reactor - TBR). Naphtha is the main raw material of the national petrochemical industry, so that all installed units are based on it. From there, the components of the first generation of the petrochemical industry are produced. The naphtha HDT is still a subject little explored but it's getting more important in recent years. Therefore, this study was conducted on this issue, building and simulating dynamic models of fixed bed reactors with feed in cocurrente of a reactional unit of HDT naphtha, consisting of a three-phase reactor diolefins conversion, used for pretreatment naphtha delayed coking and two dual-phase reactors (G-S) naphtha HDT arranged in series with cooling by independent quenchs between beds of the reactor and between the reactors to reduce contents of sulfur, nitrogen and olefins present in the naphtha through reactions of hydrodesulfurization, hidrodesnitrogenação and saturation of olefins. Were built two programs in MATLAB®, one to simulate the three-phase reactor diolefins conversion and one for the dual-phase reactors naphtha HDT, both simulated currents naphtha feed with different levels of contamination, so that the effects are assessed. The simulated programs dynamic profiles of the temperatures of the phases involved and the concentrations of contaminants and hydrogen. The results obtained for diolefins conversion reactor and the reactors of naphtha HDT were well consistent with relation to the phenomena involved. The diolefins conversion reactor reached steady state at 80 minutes and the HDT reactors naphtha after 2 minutes, with near zero contaminant levels in the reactor output. The results of simulation performed for the two types of naphtha showed similar dynamic profiles differing only as to the highest temperature reached at the beginning of the first naphtha HDT reactor in the case of naphtha higher contamination level