Ajustando os pontos de corte da refinaria e a severidade do hidrocracker para elevar o rendimento de diesel

O problema: o diesel é perdido nas margens

A maioria das refinarias que desejam mais diesel já possui os barris dentro da planta. Eles apenas estão na unidade errada. Moléculas na faixa do diesel acabam na carga da FCC, nos cortes de nafta pesada e querosene, e nos leves do hidrocracker devido ao sobrecraqueamento. Um ponto de corte definido anos atrás para um cenário de margens diferente pode mantê-los lá. Opere um hidrocracker de forma severa para obter produtos na faixa da nafta e ele converterá alegremente precursores de diesel, e às vezes o próprio diesel, em nafta e gás.

Corrigir isso não é apenas uma questão de aumentar a temperatura ou mover um corte. Cada movimento pressiona o suprimento de hidrogênio, a qualidade do produto (escoamento a frio, densidade, cetano) e a vida útil do catalisador. Um reequilíbrio que parece adequado no modelo de planejamento ainda pode falhar por falta de hidrogênio, excesso no ponto de névoa ou um ciclo de catalisador que não alcançará a parada de manutenção. O que se segue aborda como as alavancas interagem e como escolher qual acionar primeiro.

Contexto de normas e requisitos

O rendimento de diesel é limitado pelo que o produto pode ser legal e comercialmente. As especificações e métodos de teste abaixo definem esse limite.

• ASTM D975 (óleos combustíveis diesel) e EN 590 (diesel automotivo) estabelecem a especificação do produto que limita até onde o ponto final e o conteúdo de pesados podem ser levados.
• ASTM D86 (destilação de produtos de petróleo à pressão atmosférica) e ASTM D2887 (distribuição da faixa de ebulição por cromatografia gasosa) são as principais ferramentas para verificar se os pontos de corte da fracionadora entregam a destilação pretendida. A D2887 relata uma destilação simulada, portanto, deve-se reconciliá-la com a D86 quando uma especificação é escrita em termos de D86.
• ASTM D613 (número de cetano) e ASTM D2500 (ponto de névoa) são os critérios de qualidade usuais. Estender o ponto final tende a prejudicar o escoamento a frio primeiro. O cetano é mais frequentemente o problema com correntes craqueadas.
• ASTM D93 (ponto de fulgor por vaso fechado Pensky-Martens) é relevante quando os cortes de querosene e diesel são recombinados.

Qualquer alteração nos pontos de corte, severidade ou roteamento de hidrogênio em uma unidade de hidrogênio de alta pressão passa pelo processo de gestão de mudanças da unidade. Os limites do envelope operacional e do sistema de intertravamento são revisados em relação ao novo caso antes da operação. Uma excursão de temperatura no reator em serviço de hidrocraqueamento é um evento de segurança de processo, não apenas uma perda de rendimento.

Corpo técnico

Onde o diesel é ganho: pontos de corte versus conversão

Existem duas famílias de alavancas, e elas custam coisas diferentes.

Alavancas de destilação movem moléculas entre unidades sem alterar sua química. As refinarias normalmente extraem material diesel da faixa de ebulição de querosene/gasóleo de aproximadamente 150–360°C TBP (equivalente a D86), e podem ir um pouco além com instalações de upgrade (Naphtha to diesel via novel routes, Digital Refining).

Alavancas de conversão alteram as próprias moléculas. Em um hidrocraqueador, as principais são a temperatura do reator, conversão por passe, ponto de corte da reciclagem, seleção do catalisador e pressão parcial de hidrogênio.

Mudanças no ponto de corte upstream do hidrocraqueador

O Q&A da AFPM sobre a extensão dos pontos finais de destilados (Questão 39) e sobre os impactos do ponto de corte da carga da FCC (Questão 66) cobrem quais fluxos de carga priorizar. Eles avaliam o impacto operacional, a vida útil do catalisador e a otimização do ponto de corte entre as unidades de destilados e a FCC. As mesmas questões se aplicam a qualquer site:

• Ponto final do diesel da unidade de cru. Elevá-lo recupera material na faixa do diesel que, de outra forma, iria para a carga de vácuo ou da FCC. O preço é a qualidade do escoamento a frio, além de uma carga mais pesada para o hidrotratador de diesel. Esse hidrotratador ou precisa de mais severidade ou aceita ciclos mais curtos.
• Separação gasóleo/VGO. Puxar a separação para mais leve envia mais material para o pool de destilados e menos para a FCC ou hidrocraqueador. Puxar para mais pesado faz o inverso. Qual direção compensa depende se o hidrotratamento de destilados e a capacidade de hidrogênio podem absorver o material mais pesado.
• Ponto de corte da carga da FCC. A discussão da AFPM sobre o ponto de corte da FCC destaca que mover o corte da carga altera a conversão e os rendimentos da FCC. O material retirado da carga da FCC geralmente vale mais como componente de mistura de diesel do que como óleo de ciclo da FCC, que é aromático e baixo em cetano. A FCC perde um pouco de qualidade e volume de carga, no entanto, e o modelo LP tem que refletir isso.
• Ponto final da carga do hidrocraqueador. Carga mais pesada aumenta o rendimento potencial de destilados. Também aumenta a carga de aromáticos polinucleares e precursores de coque, o que pode levar a uma desativação mais rápida e incrustação no loop de reciclagem. Trate isso como uma decisão de vida útil do catalisador, não apenas uma decisão de rendimento.

Severidade do hidrocraqueador: a janela do diesel

Para um objetivo de máximo diesel, os pontos de corte e a severidade do hidrocraqueador são definidos em conjunto.

• Conversão por passe. Aumentar a severidade aumenta a conversão de carga pesada. Passado um ponto, porém, o produto extra é nafta e gás leve. O rendimento de diesel atinge o pico e depois cai. O pico muda com o tipo de catalisador, qualidade da carga e pontos de corte da fracionadora, então você tem que encontrá-lo nos dados da planta. Não o presuma.
• Pontos de corte da fracionadora. Baixar os cortes nafta/querosene e querosene/diesel move o produto para o diesel. Aumentar o corte diesel/óleo não convertido recupera mais diesel, mas pode levar o escoamento a frio para fora da especificação e colocar material na faixa do diesel de volta na reciclagem. A conversão é definida em relação ao ponto de corte de fundo, então uma mudança ali altera a conversão aparente sem tocar no reator.
• Seleção do catalisador. Catalisadores seletivos para destilados médios são construídos para manter a janela do diesel aberta em conversões mais altas. É por isso que o artigo da Topsoe sobre a otimização da produção de destilados médios enfatiza o design do catalisador e do modo operacional para maximizar os rendimentos. É também por isso que a escolha do catalisador em uma recarga muitas vezes importa mais do que ajustes diários de temperatura.
• Operação de reciclagem. Reciclar óleo não convertido dá conversão total de frações pesadas, mas concentra compostos refratários e aromáticos polinucleares. Esses incrustam trocadores e aceleram a desativação do catalisador. A estratégia de retirada ou purga tem que fazer parte do caso reequilibrado desde o início.

Hidrogênio: a restrição que define o teto

O hidrocraqueamento converte moléculas pesadas por craqueamento e saturação de aromáticos. Mais conversão consome mais hidrogênio. Mais saturação aumenta o cetano e diminui a densidade, mas também custa hidrogênio. Os limites práticos são:

• Disponibilidade de hidrogênio de maquiagem. Se a planta de hidrogênio, o suprimento de subprodutos do reformador ou as importações forem o gargalo, a severidade extra não estará disponível, por melhor que pareça a margem.
• Pureza do gás de reciclagem e pressão parcial. A pressão parcial de hidrogênio no reator impulsiona tanto a saturação quanto a estabilidade do catalisador. Deixar a pureza cair para permanecer dentro do balanço de hidrogênio encurta a vida útil do catalisador.
• Capacidade do compressor. Compressores de maquiagem e reciclagem podem limitar a taxa de gás de tratamento antes que o suprimento o faça. Verifique ambos.
• Consumidores concorrentes. O hidrogênio enviado ao hidrocraqueador não está disponível para o hidrotratador de diesel. Se uma mudança no ponto de corte carregar o hidrotratador com carga mais pesada, a alocação de hidrogênio unidade a unidade tem que ser recalculada junto com ela.

Duração da campanha do catalisador: o custo que chega mais tarde

A severidade e o ponto final da carga são pagos com a vida útil do catalisador. Temperatura mais alta para manter a conversão, carga mais pesada e menor pressão parcial de hidrogênio aceleram a desativação. A duração da campanha é uma meta de projeto que você protege. Não é um subproduto que você aceita. Qualquer que seja o caso de rendimento, o catalisador ainda tem que chegar à parada de manutenção.

Comparação de alavancas

Cenário ilustrativo

Este cenário foi construído para fins ilustrativos e não é um caso relatado.

Uma refinaria opera seu hidrocracker em modo voltado para nafta. O sinal de margem mudou para o diesel. O modelo LP recomenda aumentar a severidade do reator e estender o ponto final do diesel da unidade de cru.

1. Verifique o hidrogênio primeiro. O balanço de hidrogênio mostra capacidade de reposição excedente apenas quando a hidrotratadora de diesel não está operando no limite. Estender o ponto final do diesel de cru carrega mais a hidrotratadora, portanto, os dois movimentos competem. O aumento da severidade aguarda até que a alocação de hidrogênio seja recalculada.
2. Mova a alavanca barata primeiro. Reajuste os cortes do fracionador. Reduza o corte nafta/diesel e, em seguida, use os dados de destilação (D86, com D2887 para a cauda mais pesada) para confirmar que o material na faixa do diesel anteriormente na nafta pesada agora vai para o diesel. O rendimento melhora sem aumentar a temperatura do reator.
3. Teste o escoamento a frio. Mova o ponto final do diesel em etapas e verifique o ponto de névoa (D2500) em cada uma, até que a margem de qualidade se esgote.
4. Aumente a severidade por último, em pequenos passos. Aumente a temperatura do reator gradualmente e acompanhe a geração de leves conforme avança. Quando o ganho incremental de nafta e gás exceder o ganho incremental de diesel, a janela de diesel estará esgotada. Reduza a severidade.
5. Projete o ciclo do catalisador. Compare a taxa de desativação sob o novo caso com a meta do ciclo. Se o catalisador não atingir mais a parada de manutenção, corte a severidade ou recue o ponto final da carga pesada.

O método é simples. A taxa de produção incremental de diesel por etapa é ΔV̇ = Σ(ṁᵢ × Δyieldᵢ), onde ṁᵢ é a vazão mássica de carga para a unidade i e Δyieldᵢ é a mudança na fração de rendimento de diesel, somada em todas as correntes e unidades afetadas. O benefício líquido deve incluir o volume perdido de outras unidades, não apenas o ganho do hidrocracker.

Checklist e orientação para decisão

• Confirme os limites de especificação do diesel (escoamento a frio, cetano, destilação) antes de alterar qualquer ponto final.
• Refaça a linha de base do desempenho do fracionador com D86 e D2887 para que as mudanças no ponto de corte sejam medidas, não presumidas.
• Comece com ajustes nos cortes do fracionador e da unidade de cru antes de tocar na severidade do reator.
• Construa um balanço de hidrogênio combinado cobrindo o hidrocracker, a hidrotratadora de diesel e outros consumidores antes de aprovar um aumento de severidade.
• Verifique a pureza do gás de reciclo e a capacidade do compressor, não apenas o suprimento de hidrogênio de reposição.
• Acompanhe a geração de leves e nafta em relação ao ganho de diesel para encontrar o pico de rendimento. Pare no pico.
• Monitore a tendência de desativação do catalisador em relação à linha de base do comissionamento e do ciclo anterior, e projete o fim do ciclo em relação à data da parada de manutenção.
• Revise as alterações no ponto final da carga pesada quanto ao seu impacto na incrustação do reciclo e aromáticos polinucleares pesados.
• Submeta todas as alterações ao gerenciamento de mudanças, incluindo limites de temperatura do reator e revisão de salvaguardas.
• Na próxima recarga de catalisador, avalie um catalisador seletivo para destilados médios em vez de compensar uma escolha inadequada de catalisador com severidade.
• Verifique novamente a carga da FCC e os efeitos no rendimento sempre que o corte de gasóleo ou VGO mudar.

Conclusão

Elevar o rendimento de diesel é um problema de sequenciamento. Mova os cortes de destilação primeiro, pois são os mais baratos e fáceis de reverter. Aumente a severidade do hidrocracker apenas quando o balanço de hidrogênio e as margens de escoamento a frio forem confirmados. Trate o tempo de campanha do catalisador como uma restrição rígida que ainda deve atingir a parada de manutenção.

Como próximo passo, extraia o último conjunto de dados de operação estável, reconstrua a curva de rendimento em relação à conversão e marque onde o rendimento de diesel atinge o pico. Em seguida, teste cada movimento de ponto de corte em upstream em relação ao balanço de hidrogênio compartilhado antes de se comprometer com a recomendação do LP.