PRH NO 14 RELATÓRIO DE PLANO DE TRABALHO DE PESQUISA

PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA ANP
PARA O SETOR PETRÓLEO E GÁS - PRH-ANP
PRH NO 14
RELATÓRIO DE PLANO DE
TRABALHO DE PESQUISA
1 – IDENTIFICAÇÃO
Nome do Bolsista
MARCÍLIO DE MELO BAYER
Título do Programa
ENGENHARIA DE PROCESSOS EM PLANTAS DE PETRÓLEO E GÁS NATURAL
Título do Curso / Especialização
ENGENHARIA QUÍMICA / MESTRADO
Instituição
Sigla
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
Nome do Orientador (1)
UFRN
Nome do Orientador (2)
PAGANDAI V. PANNIR SELVAM
2 – TÍTULO
MODELAGEM COMPUTACIONAL E OTIMIZAÇÃO DO PROCESSAMENTO DE GÁS NATURAL EM COMBUSTÍVEL
LÍQUIDO VIA PROGRAMAÇÃO EVOLUCIONÁRIA
3 – INTRODUÇÃO
O metano, principal componente do gás natural, é geralmente utilizado em processos de aquecimento industrial e
residencial, assim como na geração de energia elétrica. Em muitas aplicações, metano é o combustível recomendado para
esse propósito porque é satisfatoriamente aproveitável em grandes centros urbanos, possui uma facilidade de purificação
para remoção de compostos sulfurosos, quando comparados com outros combustíveis fosseis, e, pelo fato de estar em
uma mistura de hidrocarbonetos, tem um alto calor de combustão em relação à quantidade de CO2 formado. Por outro
lado, o gás natural é uma reserva ainda muito sub utilizada, principalmente em nosso Estado (RN), pois o mesmo pode ser
mais valorizado quando utilizado como combustível líquido ou como matéria-prima na indústria petroquímica.
No intuito de agregar valor ao gás natural e, conseqüentemente, viabilizar sua exploração e comercialização,
surgiu a tecnologia GTL (Gás To Liquid) que é a transformação do gás em produtos químicos de alto valor agregado e/ou
combustível sintético líquido, solucionando problemas de estocagem e transporte do gás natural sem necessitar da infraestrutura de um gasoduto (offshore).
Uma das rotas químicas bem sucedidas para aplicação da tecnologia GTL é a síntese de Fischer-Tropsch (FT), a
qual, por ser um surpreendente fenômeno em catálise heterogênea, atrai o interesse de especialistas do mundo inteiro: os
gases CO e H2 alimentam um reator e o produto é um hidrocarboneto líquido de composição ordenada. O atual interesse
na síntese de FT tem crescido em conseqüência da demanda ambiental, desenvolvimento de tecnologias e mudança nas
reservas de combustíveis fósseis líquidos.
O processo GTL envolve três etapas principais: (1) conversão do gás natural em gás de síntese (CO+H2)
utilizando, por exemplo, oxidação catalítica parcial; (2) conversão do gás de síntese em hidrocarbonetos, geralmente
parafinas em uma faixa de C5 até C100 , utilizando a síntese de FT; e, (3) hidrocraqueamento de parafinas em frações
menos pesadas.
Apesar deste processo estar em fase de rápido desenvolvimento tecnológico, tanto no âmbito acadêmico quanto
no âmbito industrial (EUA, África do Sul, Finlândia), os problemas de otimização que englobam estas três etapas, visando o
aproveitamento das energias térmica e elétrica, reutilização da água produzida e diminuição do custo de capital, ele
apresenta uma problemática: necessita de modernas ferramentas e métodos computacionais.
4 – OBJETIVO
O presente trabalho tem como objetivo primordial realizar o estudo detalhado de síntese, análise e otimização
global de um processo GTL utilizando modernas ferramentas computacionais, visando a valorização do gás natural tanto
para energia como para produção de combustível líquido limpo.
5 – RELEVÂNCIA DO TEMA
A conversão catalítica do metano para usos químicos e como combustível se apresenta como um desafio para o
século XXI, despertando o interesse de diversos países, inclusive o Brasil. Para estudar a tecnologia GTL, o Rio de Janeiro
participa com dez, dos 59 projetos da Redegás-Energia, rede de excelência formada pela Petrobras, transportadoras e
distribuidoras de gás natural de todo o país, para desenvolver tecnologias e ampliar o mercado de gás natural no Brasil.
Dos 59 projetos em andamento 25 são na área de tecnologia, sete na de meio ambiente, 18 de assistência ao mercado e 9
nas áreas de sensibilização e marketing. Todos são desenvolvidos em parceria com universidades dos estados e Finep. Ao
todo, a RedeGás -Energia movimenta R$ 50 milhões com os projetos em curso.
Diante deste contexto de investimentos em estudos referentes a esta tecnologia, está sendo implantada uma
Planta Piloto para o processamento de gás através da reação de Fischer-Tropsch nas dependências do Centro de
Tecnologias do Gás/CTGÁS (Natal-RN), uma das únicas no país. Esta Planta terá como finalidade à produção de diesel e
gasolina a partir do gás natural, utilizando duas etapas: (1) geração de gás de síntese e (2) síntese de Fischer-Tropsch.
Nosso es tudo pretende viabilizar a tecnologia GTL através da recuperação de energia via integração energética e
a valorização de sub-produtos via programação linear, tendo em vista a grande disponibilidade de gás natural e sua subutilização no Estado.
A disponibilidade de ferramentas computacionais (HYSYS, SUPERPRO DESIGNER e EVOLVER) e a capacitação
técnica dos recursos humanos através do PRH14/ANP/UFRN, possibilitarão o sucesso do projeto no tempo previsto.
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técnica dos recursos humanos através do PRH14/ANP/UFRN, possibilitarão o sucesso do projeto no tempo previsto.
6 – METODOLOGIA
Inicialmente, serão realizados estudos de balanços de massa e energia, baseando-se nos dados experimentais
obtidos com a Planta Piloto do processo de Fischer-Tropsch e dados da literatura. A partir desses estudos serão realizadas
a simulação, utilizando simuladores comerciais, e a modelagem empírica do processo; para esta etapa serão utilizados os
métodos via computação evolucionária, usando software EVOLVER de algoritmo genético, e o método de regressão nãolinear, utilizando software Multisimplex.
A etapa seguinte é a modelagem do problema de otimização paramétrica dos equipamentos e a otimização global
com objetivo econômico. Serão identificados, nesta etapa, o potencial econômico dos produtos e co-produtos, os custos
operacionais referentes ao processo, as variáveis operacionais, os limites de variação destas variáveis e suas restrições.
Para o desenvolvimento do projeto de processo industrial (estudo de caso) será realizado a ampliação de escala
da planta piloto utilizando os simuladores comerciais HYSYS e SUPERPRO DESIGNER, que possibilitam o desenho do
processo, inserindo novas tecnologias, com a finalidade de comparar a sua viabilidade econômica, bem como a otimização
econômica do projeto desenhado.
Em seguida, serão comparados os resultados econômicos dos diferentes desenhos e a síntese do projeto,
baseado na reforma de gás natural usando vapor e oxigênio puro combinado com reforma térmica.
Estudo de integração energética sobre a demanda de energia térmica com, ou sem, cogeração de energia usando
a metodologia Pinch implementada via HY SYS.
7 – ETAPAS
Revisão bibliográfica sobre estudo de caso real de GTL com cogeração de energia;
Disciplinas obrigatórias;
Visita técnica ao laboratório de catalisadores do CENPES/PETROBRAS;
Montagem e START-UP da Planta Piloto de Fischer-Tropsch, CTGÁS/RN;
Coleta de dados para simulação e acompanhamento de operação da Planta Piloto;
Escolha do simulador de processo e reatores a ser utilizado;
Simulação do processo GTL baseado na Planta Piloto;
Modelagem Empírica do processo de FT e projeto do processo GTL;
Modelagem do problema de otimização e integração energética;
Otimização dos parâmetros do processo utilizando computação evolucionária;
Desenho do processo industrial GTL otimizado para a realidade do RN;
Realização de seminários, desenvolvimentos de Relatórios técnicos (parcial e final);
Redação da dissertação de mestrado.
Qualificação da dissertação de mestrado.
8 – CRONOGRAMA DE TRABALHO
ATIVIDADES
Revisão bibliográfica sobre estudo de caso real de GTL com cogeração de energia;
Disciplinas obrigatórias;
Visita técnica ao laboratório de catalisadores do CENPES/PETROBRAS;
Montagem e START-UP da Planta Piloto de Fischer-Tropsch, CTGÁS/RN;
Coleta de dados para s imulação e acompanhamento de operação da Planta Piloto;
Escolha do simulador de processo e reatores a ser utilizado;
Simulação do processo GTL baseado na Planta Piloto;
Modelagem Empírica do processo de FT e projeto do processo GTL;
Modelagem do problema de otimização e integração energética;
Otimização dos parâmetros do processo utilizando computação evolucionária;
Desenho do processo industrial GTL otimizado para a realidade do RN;
Realização de seminários, desenvolvimentos de Relatórios técnicos (parcial e final);
Redação da dissertação de mestrado;
Defesa da dissertação de mestrado.
9 – DISCIPLINAS DA ESPECIALIZAÇÃO
Fenômenos de Transporte
Reatores Químicos
Métodos Matemáticos em Engenharia Química
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10 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
10.1. O gás natural
O gás natural é uma mistura complexa de hidrocarbonetos onde o CH4 é o componente de maior percentual.
Também se encontram em sua composição, componentes indesejáveis, tais como o H2S, o CO2 e a água. O gás natural é
um combustível inodoro e de queima mais limpa que os demais combustíveis fósseis tradicionais. Apresenta um amp lo
espectro de aplicações, sendo as principais como combustível industrial, comercial, domiciliar e residencial. Como
combustível, participa da geração de eletricidade, seja em usinas termelétricas, unidade industrial, instalações comerciais e
de serviços. O gás natural é a terceira maior fonte de energia primária no mundo, somente superado pelo petróleo e pelo
carvão. Nas indústrias petroquímicas (plásticos, tintas, fibras sintéticas e borrachas) e de fertilizantes (uréia, amônia e seus
derivados) é utilizado como matéria-prima.
Devido sua elevada estabilidade faz-se necessário converter o gás natural (metano) a gás de síntese para com isso
ampliar seu espectro de aplicações.
A produção do gás de síntese apesar de ser economicamente viável, é
energeticamente desfavorável, uma vez que a reação do metano com o oxigênio necessita do fornecimento de uma
quantidade de energia suficientemente alta para o desenvolvimento da reação.
10.2. Geração de Gás de Síntese
Para converter o gás natural em gás de síntese (uma mistura de H2 e CO), pode-se usar as seguintes tecnologias:
Reforma com vapor: onde o gás natural é misturado e pré-aquecido em razões molares de 1,5 a 3 (H2O e CH4)
dependendo do posterior uso do gás de síntese.
Oxidação Parcial não catalítica: Oxigênio e gás natural são pré aquecidos, misturados seguidos de ignição;
Reforma autotérmica catalítica: Este processo é baseado entre o gás natural, vapor e oxigênio, que são inicialmente
pré-aquecidos e em seguida processados em um forno com catalisador de níquel.
Reforma combinada: Tem como principal vantagem a possibilidade do aumento da pressão devido o abaixamento
da temperatura. É um dos principais processos de geração de gás de síntese quando se deseja produzir metanol.
10.3. Reação de Fischer-Tropsch
A reação de Fischer-Tropsch foi descoberta em 1926 pelos químicos Hans Fischer e Franz Tropsch, amplamente
usada na II guerra mundial para a obtenção de combustíveis deixou de ser empregada potencialmente devido os elevados
custos.
O desenvolvimento de novos catalisadores bem como as novas tecnologias usadas para o projeto de reatores
fizeram com que esta reação fosse novamente estudada e aplicada atualmente.
As principais reações para o processamento via Fischer-Tropsch estão representadas a seguir:
(2 n+ 1)H 2 + nCO 
→ Cn H2 n +2 + nH 2 O
2nH 2 + nCO 
→Cn H2 n + nH 2 O
Onde a partir do gás de síntese podemos obter combustíveis, tais como H2, diesel, gasolina dentre outros.
Este processo vem atualmente despertando grandes interesses devido, principalmente, ao incremento das reservas
de gás natural e as pressões de entidades ambientais para a obtenção de combustíveis mais limpos.
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11 – OUTRAS OBSERVAÇÕES PERTINENTES
INFRA-ESTRUTURA: Os trabalhos serão realizados utilizando a infra-estrutura laboratorial do PPGEQ/UFRN, bem como a
infra-estrutura da Planta Piloto do Processo Fischer-Tropsch, Instrumentos analíticos de cromatografia e as dependências
físicas do CTGÁS/RN. Os estudos de simulação e otimização serão realizados em parceria com infra-estrutura das
instituições: UFRN/CENPES/CTGÁS.
Contatos UFRN/EMPRESA:
Pagandai Vathianathan Pannir Selvam – UFRN
José Roberto de Souza – CTGAS
Alcides Romano Balthar – CTGAS
Bibliografia:
DAVIS, H., B., Y. W., Applied Catalysis A, vol. 180, 277, 1999.
DAVIS, H. B., Fuel Processing Technology, vol. 71, 157, 2001.
DRY, M. E., Applied Catalysis A, vol. 189, 185, 1999.
HONG, C. , ADESINA, A. A., Applied Catalysis A, vol. 162, 47, 1997.
JESS, A., POPP, R., HEDDEN, K., Applied Catalysis A, vol. 186, 321, 1999.
LUNSFORD, J. H., Catalysis Today, vol. 63, 165, 2000.
MAITLIS, P. M., TURNER, M. L., Catalysis Today, vol. 65, 91, 2001.
RICE, R. G.; Do, D. D., Applied Mathematics and modeling for chemical engineers, Wiley, 1995.
TSUBAKI, N., et al, Catalysis Comunication, vol. 2, 311, 2000.
VAN DER LAAN, GERARD, BEENACKERS, A. C.M. Catalysis Review – Sci. Eng., vol. 41, 255, 1999.
VOSLOO, A C., Fuel Processing Technology, vol. 71, 149, 2001.
WANG, Y. N., et al, Fuel, vol. 78, 911, 1999.
MANUAL XYTEL – Fischer Tropsch Pilot Plant.
Local
Data
NATAL/RN
30/08/2002