Refino de crudes de oportunidade pesados e com alto teor de enxofre: desempenho do dessalador e impactos na unidade de vácuo

Os crudes de oportunidade parecem atraentes devido ao diferencial de preço, mas transferem o problema para a frente da planta. Crudes mais pesados, com maior teor de enxofre e maior acidez são viscosos e carregam mais sal, sólidos e metais. Eles também estão mais próximos do limite da estabilidade de asfaltenos. O dessalador é geralmente a primeira unidade a demonstrar isso: salmoura infiltrando-se no crude, uma camada de interface espessa ou uma taxa de dessalinização que não para de cair. As consequências então viajam para jusante. Uma dessalinização deficiente alimenta cloretos e sólidos na coluna de crude e no sistema de topo, e uma mistura marginal pode sujar os permutadores de pré-aquecimento e o aquecedor de vácuo. Uma unidade de vácuo que opera com falta de óleo de lavagem ou cujas serpentinas entopem precocemente pode limitar toda a refinaria. O caso económico para uma mudança na carga de crude deve, portanto, incluir a capacidade do dessalador, os limites da unidade de vácuo e a tolerância downstream para a qualidade do resíduo e do gasóleo resultantes.

Contexto de normas e requisitos

Nenhuma norma única rege as mudanças na carga de crude. Estes são los pontos de referência que uma equipa de processo e integridade normalmente consultaria:

• O API RP 571 descreve mecanismos de danos que afetam equipamentos fixos no refino, incluindo corrosão por ácido nafténico, sulfetação e ataque por cloreto de amónio. Uma carga mais pesada, ácida e com maior teor de enxofre tende a acelerar estes processos.
• O API RP 939-C fornece diretrizes para evitar falhas por corrosão sulfídica em refinarias de petróleo. Utilize-o quando o enxofre do crude e a temperatura operacional mudarem em conjunto.
• O ASTM D3230 abrange sais no petróleo bruto pelo método eletrométrico. É uma verificação rápida na entrada e saída do dessalador, mas não substitui o trabalho laboratorial de cloretos e sólidos.
• O ASTM D664 determina o índice de acidez por titulação potenciométrica, a base habitual para a triagem do risco de ácido nafténico.
• O ASTM D7157 determina a estabilidade intrínseca de resíduos contendo asfaltenos, óleos combustíveis pesados e petróleos brutos por separação de fases com n-heptano com deteção ótica. É utilizado para comparar misturas e julgar margens de compatibilidade.

A gestão de mudança, uma análise de perigos da nova carga (incluindo H₂S nos sistemas de amostragem e drenagem) e planos de monitoramento de corrosão revistos são necessários, independentemente do ensaio do crude.

Por que crudes de oportunidade pesados e ácidos se comportam de forma diferente

Crudes pesados e ácidos são altamente viscosos e contêm alto teor de enxofre, sal e metais. Cada propriedade atinge uma parte diferente da planta:

• Viscosidade e densidade: Gotículas de água decantam através do óleo sob a gravidade. À medida que o óleo se torna mais denso e viscoso, a diferença de densidade diminui e a decantação abranda, pelo que um dessalador concebido para uma carga mais leve perde capacidade.
• Sal e sólidos: Mais sal e mais sólidos finos significam mais material para remover. Os sólidos estabilizam as emulsões e acumulam-se na interface.
• Enxofre e ácido: Estes impulsionam a corrosão nos fornos, linhas de transferência e internos da coluna de vácuo, e alteram a metalurgia necessária.
• Metais e teor de resíduo: Metais e resíduos concentram-se nos fundos de vácuo e no gasóleo pesado, que é onde as unidades de catalisador downstream sentem a mudança.

A mesma lógica aplica-se às unidades existentes. Uma unidade concebida para uma carga mais leve carrega pressupostos implícitos sobre decantação, tempo de residência na serpentina do aquecedor e comportamento da zona de lavagem, e alimentações mais pesadas testarão cada um deles.

Desempenho do dessalgador em cargas pesadas

O que normalmente corre mal

Raramente existe uma causa única.

Alavancas práticas

1. Temperatura. Uma temperatura mais elevada reduz a viscosidade e melhora a decantação, mas é limitada pela pressão de vapor do petróleo à pressão do dessalgador e pelas condições elétricas no vaso. Verifique a margem de pressão antes de aumentar a temperatura numa mistura com componentes mais leves.
2. Energia de mistura. Os petróleos pesados precisam de mistura suficiente para colocar a água de lavagem em contacto com as gotículas de salmoura. No entanto, o excesso gera uma emulsão apertada que o campo elétrico não consegue quebrar. Ajuste a válvula de mistura em função do sal de saída e da qualidade da salmoura, e não de um diferencial fixo.
3. Água de lavagem. Tanto a qualidade como o caudal são importantes. Água de lavagem de má qualidade, especialmente com elevada dureza ou aminas transportadas em correntes de reciclagem, pode comprometer o programa químico.
4. Programa químico. Reveja a seleção do desemulsificante para cada mudança importante na dieta de petróleos. Um produto que funcionou na mistura anterior pode falhar num petróleo com características de sólidos ou asfaltenos diferentes. Testes de garrafa em misturas representativas são um ponto de partida, mas confirme os resultados na unidade.
5. Gestão de interface. Trate o perfil da interface como um sinal de desempenho primário, não secundário. A acumulação da camada de emulsão indica que o dessalgador está a perder capacidade antes de o sal de saída se alterar.

Dion e Perez destacam especificamente as aminas contaminantes. Podem entrar através de slops ou cargas contaminadas e, em seguida, reportar downstream como salinização por cloretos no topo. Suspeite delas quando os indicadores de corrosão no topo piorarem enquanto o sal de saída do dessalgador parece aceitável.

Consequências nas águas residuais

A salmoura do dessalgador de petróleos pesados pode transportar mais óleo, sólidos e orgânicos para a estação de tratamento de efluentes. Uma mudança na química do desemulsificante, ou um maior arrasto da interface, pode atingir a fase de tratamento biológico. Envolva a equipa de tratamento de efluentes nas revisões de mudança de dieta de petróleos.

Estabilidade de asfaltenos e mistura

Os asfaltenos permanecem no petróleo enquanto o óleo circundante os mantiver peptizados. Misture um petróleo parafínico ou leve com um asfaltenico pesado e a mistura pode precipitar, mesmo quando cada petróleo é estável por si só. Os asfaltenos precipitados atuam como material de sujidade e como estabilizadores de emulsão. Manifestam-se na interface do dessalgador e, novamente, nos permutadores de pré-aquecimento, tubos do forno e manuseamento de resíduo de vácuo.

Consequências práticas:

• A ordem e a proporção da mistura importam. Uma mistura que é estável na proporção final pode passar por uma composição instável enquanto os tanques ou pipelines estão a encher. Reveja a transição, não apenas o estado final.
• Os testes de estabilidade devem ser específicos para a mistura. Utilize um método como ASTM D7157 em misturas reais ou representativas, e acompanhe a margem à medida que as proporções mudam, em vez de confiar em ensaios de petróleos individuais.
• Trate a compatibilidade como um limite a par do sal e da acidez. O planeamento de petróleos deve incluir uma restrição de estabilidade da mesma forma que inclui uma restrição de enxofre ou TAN.
• Atenção aos sinais downstream. O aumento das taxas de sujidade no pré-aquecimento, a queda de pressão mais rápida nos passes do forno e os sólidos na interface do dessalgador podem apontar para uma estabilidade marginal, mesmo quando cada unidade parece tolerável por si só.

Impactos na unidade de vácuo

É aqui que os desafios do petróleo pesado se concentram. A carga é uma fração maior do petróleo, mais pesada, com maior teor de metais e enxofre, e mais propensa ao craqueamento térmico.

Forno e linha de transferência

O resíduo atmosférico mais pesado necessita de uma temperatura mais alta para uma determinada vaporização, e a temperatura de película na parede do tubo atinge a região de coqueamento mais cedo. O coque encurta o tempo de campanha e cria pontos quentes. A injeção de vapor e a velocidade na serpentina são as principais ferramentas para gerenciar o tempo de residência, e ambas são limitadas por restrições hidráulicas e de carga de vapor da coluna. Monitore as temperaturas de pele, o balanço de passes e as tendências de queda de pressão da serpentina em relação à linha de base limpa.

Zona de lavagem e qualidade do gasóleo pesado de vácuo

Se a zona de lavagem estiver submolhada ou mal distribuída, o arraste leva metais e material formador de carbono para o gasóleo pesado de vácuo. Esse gasóleo é geralmente a carga para uma unidade de hidrocraqueamento ou FCC, portanto, os contaminantes afetam diretamente a vida útil do catalisador. Petróleos pesados tornam o gerenciamento do óleo de lavagem e o projeto do recheio ou grade mais críticos. O ponto mencionado no artigo de projeto de CDU/VDU, de que a prática convencional de projeto leva a tempos de campanha curtos e baixo rendimento e qualidade, aplica-se fortemente aqui.

Corrosão e metalurgia

O maior teor de enxofre e ácido aumenta a sulfetação e a corrosão por ácido naftênico na coluna de vácuo, linha de transferência e circuito de fundos. Use API RP 939-C e API RP 571 como base para revisar materiais e escopo de inspeção. Em seguida, confirme se as seleções de ligas existentes cobrem a nova combinação de enxofre e ácido nas temperaturas de operação que você realmente observa.

Ejetores e topo

Uma carga mais pesada que craqueia mais no forno gera mais leves e não condensáveis, e isso sobrecarrega o sistema de vácuo. Verifique a capacidade do ejetor e do condensador em relação à nova carga de gás craqueado, não apenas o caso de projeto.

Impactos em cascata no downstream

• Hidrotratadores e hidrocraqueadores: Mais enxofre, nitrogênio e metais no gasóleo de vácuo elevam o consumo de hidrogênio, reduzem a vida útil do catalisador e estreitam a margem no controle de corrosão do efluente do reator.
• FCC: Maiores teores de metais e materiais formadores de carbono na carga alteram a reposição de catalisador e a carga do regenerador.
• Coqueamento e manuseio de resíduos: Mais resíduo de vácuo significa maior demanda no coqueamento ou outras saídas de fundos, e o caráter dos asfaltenos afeta o comportamento e manuseio do coque.
• Sistemas de topo: Uma dessalgação deficiente manifesta-se como deposição de sais de cloreto e amônio e corrosão por água ácida no topo da coluna de petróleo.

Cenário ilustrativo

Este cenário é ilustrativo e não é extraído de uma refinaria específica.

Uma refinaria que processa uma dieta de óleo ácido médio está considerando uma carga pesada e com alto teor de enxofre para sua mistura. O ensaio mostra que a carga é estável isoladamente e possui salinidade moderada. O planejamento propõe elevar a fração pesada em etapas ao longo de sucessivas rotações de tanques.

Uma revisão robusta seria assim:

1. Realizar testes de estabilidade nas proporções de mistura intermediárias, não apenas na final, e encontrar o ponto de menor margem.
2. Solicitar testes de frasco do desemulsificante existente na mistura mais pesada e pedir ao fornecedor de produtos químicos para verificar cálcio, aminas e sólidos transportados pela carga.
3. Aumentar a frequência de amostragem da interface da dessalgadora durante as primeiras rotações de tanques, rastrear a camada de emulsão (rag layer) e o conteúdo de óleo na salmoura, e informar a planta de efluentes com antecedência.
4. Revisar as temperaturas de pele do forno de vácuo, o balanço de passes e o desempenho da zona de lavagem em relação à linha de base anterior. Acordar um gatilho para reduzir a fração pesada antes que o coqueamento se acelere.
5. Pedir aos responsáveis pelas unidades downstream que confirmem sua tolerância para o gasóleo de vácuo e resíduo mais pesados, incluindo balanço de hidrogênio e monitoramento do catalisador.

A decisão então baseia-se nas tendências observadas em cada etapa, com uma rota de reversão pré-acordada. Não deve basear-se apenas no diferencial de preço da carga. Qualquer amostragem de hidrocarboneto ou salmoura deve usar sistemas de malha fechada com precauções para H2S. Qualquer inspeção interna de dessalgadoras ou colunas de vácuo necessita de isolamento, despressurização, energia zero verificada, bloqueio/etiquetagem (lockout/tagout), detecção de gás, controles de área classificada e ventilação segura antes que alguém entre ou abra o equipamento.

Checklist para avaliar uma mudança para dieta pesada e com alto enxofre

• Confirmar se os ensaios de petróleo incluem sal, sólidos, cálcio, número de acidez, enxofre, metais e teor de asfaltenos, e verificá-los em relação aos recebimentos.
• Realizar testes de estabilidade da mistura em todas as proporções intermediárias, não apenas na mistura alvo.
• Verificar a temperatura da dessalgadora, margem de pressão, faixa da válvula misturadora e capacidade de água de lavagem em relação à viscosidade da carga mais pesada.
• Testar o desemulsificante na mistura real e perguntar ao fornecedor sobre cálcio, aminas e compatibilidade.
• Definir o perfil da interface e o conteúdo de óleo na salmoura como indicadores de desempenho monitorados.
• Notificar a equipe de tratamento de efluentes antes que a primeira carga pesada seja processada.
• Revisar a velocidade da serpentina do forno de vácuo, injeção de vapor, margem de temperatura de pele e tendências de queda de pressão da serpentina.
• Verificar a taxa de líquido e a distribuição da zona de lavagem de vácuo em relação à carga mais pesada.
• Revisar a metalurgia e o escopo de inspeção em relação ao risco de sulfetação e ácido naftênico.
• Verificar a capacidade do ejetor e do condensador para a carga de gás craqueado.
• Obter confirmação das unidades downstream para a qualidade do gasóleo de vácuo e do resíduo.
• Estabelecer um gatilho de reversão e um caminho de comunicação antes do início do teste.

Conclusão

Petróleos de oportunidade pesados e com alto teor de enxofre são manejáveis quando a dessalgadora, a unidade de vácuo e as unidades downstream são avaliadas em conjunto. A falha comum é otimizar uma unidade enquanto a seguinte absorve a penalidade. Comece com testes de estabilidade específicos para a mistura e uma revisão química e de mistura da dessalgadora. Em seguida, verifique as margens do aquecedor de vácuo e da zona de lavagem, e a tolerância das unidades downstream para gasóleo mais pesado e resíduo. Teste a dieta de carga em etapas com critérios definidos de monitoramento e reversão, e envolva especialistas em integridade, tratamento de efluentes e fornecedores de produtos químicos antes da chegada da primeira carga.