Como funciona uma refinaria de petróleo
(construction-physics.com)- Uma refinaria transforma petróleo bruto, uma mistura de milhares de substâncias químicas, em produtos como gasolina, diesel, combustível de aviação e lubrificantes por meio de processos de destilação, craqueamento, reforma e tratamento
- A primeira etapa central, a destilação atmosférica, divide o petróleo bruto em várias frações usando o fato de que cada molécula tem um ponto de ebulição diferente; o petróleo que entra na refinaria passa pela remoção de sais e depois é aquecido até cerca de 650~750°F
- As frações mais pesadas são convertidas em moléculas mais leves e valiosas por meio de craqueamento catalítico, destilação a vácuo, craqueamento térmico e coqueamento, e sua estrutura e qualidade também são ajustadas por reforma catalítica, isomerização e hidrotratamento
- A Refinaria Chevron Richmond pode processar cerca de 250 mil barris por dia e produz vários derivados de petróleo combinando unidades de destilação atmosférica, destilação a vácuo, craqueamento catalítico e reforma catalítica
- A capacidade de uma refinaria não é plenamente expressa apenas pelo volume processado por dia; o Nelson Complexity Index mostra o quanto uma refinaria consegue produzir produtos refinados avançados e diversificados com base na capacidade de cada processo e em seu fator de complexidade
Estrutura básica do petróleo e do refino
- O mundo consome mais de 100 milhões de barris de petróleo por dia, e em 2023 o petróleo representou 30% do uso global de energia, a maior participação entre as fontes individuais
- Na fabricação de produtos químicos, a participação de petróleo e gás é ainda maior, e 90% das matérias-primas químicas derivam de petróleo ou gás
- O petróleo bruto, quando sai do solo, é uma mistura complexa de milhares de substâncias químicas, e a refinaria transforma essa mistura em substâncias químicas e produtos realmente utilizáveis
- Uma grande refinaria ocupa uma área de milhares de acres, custa bilhões de dólares para ser construída e processa centenas de milhares de barris de petróleo bruto por dia
- O petróleo bruto é, em grande parte, um líquido formado ao longo de milhões de anos a partir de matéria orgânica como plâncton e algas que se depositaram no fundo de mares antigos e foram cobertos por sedimentos
- A maior parte dos componentes do petróleo bruto é formada por hidrocarbonetos, desde moléculas simples como o propano até moléculas complexas como o asfalteno, que pode conter milhares de átomos
- O asfalteno, em sentido estrito, não é um hidrocarboneto; embora seja majoritariamente composto de carbono e hidrogênio, também pode conter outros átomos, como enxofre ou metais pesados
- A composição do petróleo bruto varia conforme a origem; o petróleo pesado de lugares como as areias betuminosas do Canadá contém mais moléculas pesadas, enquanto o petróleo leve de campos como Ghawar, na Arábia Saudita, contém mais moléculas leves
- O petróleo doce de baixo teor de enxofre, como o do campo Brent no Mar do Norte, tem pouco enxofre, enquanto o petróleo ácido de alto teor de enxofre, como alguns petróleos do Golfo do México, tem muito enxofre
Como o petróleo bruto é separado por destilação
- O processo mais importante de uma refinaria é a destilação, que aproveita o fato de que moléculas diferentes no petróleo bruto fervem e depois se condensam novamente em temperaturas diferentes
- Moléculas pequenas e leves fervem e se condensam em temperaturas mais baixas, enquanto moléculas grandes e pesadas fervem e se condensam em temperaturas mais altas
- A faixa de ebulição do petróleo bruto pode ser representada por uma curva de destilação; em uma curva de exemplo, cerca de metade do petróleo entra em ebulição por volta de 350°C e cerca de 80% por volta de 525°C
- Gasolina não é uma única substância química, mas principalmente uma mistura de hidrocarbonetos com 4 a 12 átomos de carbono
- A EIA define gasolina acabada como uma substância com faixa de ebulição de 122~158°F no ponto de recuperação de 10% e de 365~374°F no ponto de recuperação de 90%
- O ponto de recuperação é a temperatura em que a respectiva proporção do líquido é vaporizada e depois coletada
- O petróleo bruto que entra na refinaria primeiro passa pela remoção de sais e depois é aquecido até cerca de 650~750°F, transformando-se em sua maior parte em vapor
- O vapor entra então em uma longa coluna de destilação com bandejas contendo líquido em várias alturas e, ao subir, passa pelo líquido de cada bandeja e esfria gradualmente
- As moléculas mais pesadas se condensam primeiro na parte inferior da coluna, as mais leves se condensam depois nas partes superiores, e as mais leves de todas permanecem gasosas até o fim e saem pelo topo da coluna
- As moléculas mais pesadas permanecem no estado líquido desde o início e saem pelo fundo da coluna, o que permite separar moléculas de diferentes massas
- Quase toda refinaria primeiro divide o petróleo bruto em várias frações dentro da coluna de destilação, e essa primeira etapa ocorre à pressão atmosférica, por isso é chamada de destilação atmosférica
Principais processos de refino
-
Planta de gás
- O gás que sai do topo da coluna de destilação atmosférica é uma mistura de várias moléculas leves, como propano, metano, butano e isobutano
- A refinaria pode enviar essa mistura para uma planta de gás, composta por várias colunas de destilação, para separar seus componentes
- Por exemplo, uma debutanizing tower separa butano, propano e gases mais leves do restante da mistura, enquanto uma depropanizing tower separa propano do butano
- A maior parte do gás enviado para a planta de gás não tem ligações duplas; hidrocarbonetos sem ligação dupla são hidrocarbonetos saturados, com a quantidade máxima de átomos de hidrogênio, por isso esse tipo de instalação é chamado de sats gas plant
-
Craqueamento catalítico
- No fundo da coluna de destilação saem líquidos pesados, e as moléculas mais pesadas, que não evaporaram em nenhum momento do processo, são chamadas de óleo residual
- Como muitas moléculas pesadas não têm alto valor por si só, uma das funções mais importantes da refinaria é o craqueamento, que quebra frações pesadas como óleo combustível pesado em frações mais leves e valiosas, como gasolina
- O craqueamento foi inventado no início do século XX para obter mais gasolina de cada barril de petróleo bruto, acompanhando o aumento da demanda causado pelo uso crescente de automóveis
- Hoje, a maioria das refinarias usa craqueamento catalítico, misturando as frações pesadas vindas da destilação atmosférica com um catalisador e aplicando calor e pressão para quebrar moléculas pesadas em moléculas leves
- Depois, um separador ciclônico remove o catalisador pesado da mistura para limpeza e reutilização, e o óleo craqueado, agora capaz de evaporar, volta para a coluna de destilação para ser dividido em várias frações
- A maior parte do craqueamento catalítico é do tipo craqueamento catalítico fluido, que usa um catalisador parecido com areia que se comporta como um fluido quando misturado com frações pesadas
- Cada empresa desenvolveu processos diferentes de craqueamento catalítico fluido, e uma mesma refinaria pode usar vários craqueadores catalíticos em diferentes pontos do processo
-
Destilação a vácuo
- Em temperaturas elevadas, reações de craqueamento podem ocorrer até dentro da coluna de destilação, mas como o craqueamento atrapalha o processo de destilação, as refinarias limitam a temperatura da destilação atmosférica a cerca de 650~750°F
- Por causa desse limite, permanece no fundo da coluna uma mistura de hidrocarbonetos pesados que não entrou em ebulição
- Para separar ainda mais essa mistura seria necessário elevar mais a temperatura, mas isso pode iniciar o craqueamento, tornando o tratamento por destilação atmosférica difícil
- A solução é enviar a mistura para uma coluna separada de destilação a vácuo, ou vacuum flashing, operando em baixa pressão, quase vácuo
- Em baixa pressão, o ponto de ebulição também cai, permitindo destilar frações pesadas sem aquecê-las a ponto de iniciar o craqueamento
-
Craqueamento térmico e coqueamento
- Algumas frações pesadas saídas da destilação a vácuo podem ser enviadas diretamente a unidades de craqueamento catalítico para serem quebradas em moléculas mais leves
- As moléculas mais pesadas vindas do fundo da coluna de destilação a vácuo não são adequadas para o craqueamento catalítico porque podem conter metais pesados que contaminam o catalisador ou formar coque que o entope
- Para quebrar essas moléculas muito pesadas, algumas refinarias usam processos de craqueamento térmico, que quebram moléculas usando calor
- Um coquer é uma unidade de craqueamento térmico que divide as moléculas mais pesadas em moléculas mais leves e coque
- As moléculas leves são enviadas para a coluna de destilação para separação, e o coque pode ser queimado como combustível ou usado como insumo industrial, por exemplo em eletrodos para fundição de alumínio
- Visbreaking é um tipo de craqueamento térmico que quebra parte das moléculas e reduz a viscosidade da fração remanescente
-
Processos que alteram a estrutura molecular
- A reforma catalítica expõe a fração de nafta, com faixa de ebulição de aproximadamente 122°F~400°F, a calor e pressão na presença de um catalisador, criando uma nova mistura de substâncias químicas chamada reformate, usada na produção de gasolina
- A isomerização altera a disposição física de moléculas como o butano, produzindo isômeros que têm a mesma fórmula química, mas estrutura diferente
- O hidrotratamento reage frações de petróleo com hidrogênio na presença de um catalisador para remover impurezas e melhorar a qualidade
- O hidrocraqueamento combina hidrotratamento e craqueamento catalítico, enquanto a conversão por hidrogênio de óleo residual combina hidrotratamento e craqueamento térmico
-
Armazenamento
- As refinarias contam com parques de tanques capazes de armazenar milhões de galões de líquidos para guardar entradas e saídas de vários processos
- Gases como propano e butano normalmente são armazenados como líquidos comprimidos em tanques de superfície, cavidades subterrâneas e domos salinos
Disposição dos processos na Refinaria Chevron Richmond
- A Refinaria Chevron Richmond é uma refinaria de porte médio a grande localizada em Richmond, Califórnia, capaz de processar cerca de 250 mil barris de petróleo bruto por dia
- A metade sul do terreno é ocupada por parques de tanques, enquanto a área de processamento se distribui ao redor das porções norte e leste
- A Chevron Richmond tem capacidade de cerca de 257 mil barris de destilação atmosférica, cerca de 123 mil barris de destilação a vácuo, cerca de 90 mil barris de craqueamento catalítico e cerca de 71 mil barris de reforma catalítica
- A Chevron Richmond não tem capacidade de coqueamento, mas a refinaria Chevron El Segundo, em Los Angeles, possui unidades de coqueamento
- O relatório detalhado de impacto ambiental apresentado pela Chevron quando a refinaria foi amplamente reformada no passado, para cumprir as normas de qualidade ambiental da Califórnia, inclui um fluxograma do processo
- O processo de refino começa com a destilação atmosférica, mas parte do heavy gas oil é tratada sem passar por esse processo
- As frações separadas pela destilação atmosférica são enviadas a outros processos; os gases leves vão para a planta de gás, e a nafta segue para hidrotratamento, reforma catalítica e isomerização
- O combustível de aviação e o diesel são enviados para seus respectivos processos de hidrotratamento, e as frações mais pesadas seguem para vários processos de craqueamento catalítico
- Os produtos finais incluem óleo combustível pesado, diesel, combustível de aviação, lubrificantes, gasolina e outros derivados de petróleo
Capacidade e complexidade de refino
- Os Estados Unidos têm 132 refinarias em operação, que somadas podem refinar mais de 18 milhões de barris de petróleo bruto por dia
- As refinarias americanas estão fortemente concentradas na costa do Golfo, no Texas e na Louisiana, com outros agrupamentos em Nova Jersey, no Meio-Oeste e na Califórnia
- A Chevron Richmond é grande mesmo dentro dos Estados Unidos, mas não está entre as maiores; cerca de um quinto das refinarias americanas é de tamanho semelhante ou maior
- Existem 6 refinarias nos Estados Unidos que podem refinar mais de 500 mil barris por dia, mais que o dobro da Chevron Richmond
- A Refinaria de Jamnagar, na Índia, é a maior refinaria do mundo em capacidade bruta de processamento e pode refinar 1,4 milhão de barris de petróleo bruto por dia
- O número de barris processados por dia basicamente indica a capacidade de destilação atmosférica, então esse valor por si só não mostra plenamente quais produtos uma refinaria realmente consegue produzir
- Uma refinaria simples pode ter apenas destilação atmosférica, enquanto uma refinaria complexa possui uma longa cadeia de processos para produzir uma variedade de produtos altamente refinados
- O Nelson Complexity Index calcula a complexidade multiplicando a capacidade de cada processo da refinaria pelo fator de complexidade correspondente, que compara o custo desse processo com o da destilação atmosférica, e depois dividindo pelo volume de destilação atmosférica
- Por exemplo, em uma refinaria com 100 mil barris de destilação atmosférica e 50 mil barris de destilação a vácuo, se o fator de complexidade da destilação a vácuo for 2, o índice será
1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2 - Se acrescentarmos 25 mil barris de craqueamento catalítico com fator de complexidade 6, o índice sobe para
1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5 - As refinarias americanas tendem a ser complexas; em 2014, menos de 3% tinham índice de complexidade igual ou inferior a 2, e o índice médio era 8.7
- Em 2014, a complexidade da Chevron Richmond era 14, acima da média dos Estados Unidos
- A Refinaria de Jamnagar não é apenas a maior do mundo, mas também tem índice de complexidade 21, um nível mais complexo do que praticamente qualquer refinaria dos Estados Unidos
O significado industrial da escala
- A disposição dos processos de refino pode ser muito complexa, mas muitos processos individuais são, conceitualmente, surpreendentemente simples
- O refino é caro não apenas pela complexidade dos processos em si, mas porque o volume de material a ser processado é enorme
- A Refinaria Chevron Richmond tem o tamanho aproximado de uma pequena cidade e pode processar toda a carga de petróleo bruto de um Very Large Crude Carrier em pouco mais de uma semana
- A Chevron Richmond não é uma refinaria especialmente grande; existem 25 refinarias nos Estados Unidos do mesmo porte ou maiores, e 6 com mais que o dobro desse tamanho
- Para sustentar a demanda mundial por petróleo, seriam necessárias cerca de 400 refinarias do porte de Richmond
- Os Estados Unidos consomem mais de 20 milhões de barris de petróleo por dia, e esse consumo só é possível graças a enormes complexos de refino
1 comentários
Comentários do Hacker News
Duas coisas ficaram na memória. Embora a planta estivesse operando normalmente, quase não vi outras pessoas enquanto caminhávamos e circulávamos de carro pelas instalações; os funcionários estavam apenas na sala de controle, e mesmo eles não pareciam ocupados
A outra coisa foi que quase não havia cheiro. A refinaria ficava perto de uma área residencial de alto padrão, então qualquer vazamento de odor de enxofre ou outros gases poderia gerar reclamações e multas, e parte dos documentos que eu traduzia era sobre sistemas de detecção e prevenção de emissão de odores. Se bem me lembro, havia pessoas que caminhavam regularmente pelo perímetro da planta e pelos bairros próximos para verificar o cheiro, e no dia da visita só dava para sentir cheiro de petróleo perto da torre de refino; o resto era apenas o cheiro da Baía de Tóquio
No fim, parece depender muito do poder econômico da comunidade ao redor
Essa refinaria foi a maior do mundo por mais de 10 anos, e quando você a vê de perto, ela realmente parece uma maravilha do mundo. É um resultado impressionante de perseverança e engenharia, e fiquei feliz de ver esse texto na página inicial do HN; além disso, ele foi muito bem escrito
Sonho é sonho, mas transformar uma instalação produtiva gigantesca dessas em realidade, nessa escala, é uma conquista extraordinária. Deve ter exigido uma quantidade imensa de garra, dedicação, força geral e talento de altíssimo nível
No começo ele trabalhava nas torres de destilação e depois foi transferido para a dessulfurização de diesel. Era um trabalho perigoso, embora eu preferisse que não fosse, e ele escapou por pouco de vários acidentes, incluindo um terrível incêndio de nafta que matou muitas pessoas
É interessante ver grandes conglomerados asiáticos e EPCs dominando cada vez mais a cadeia petroquímica, enquanto uma indústria antes liderada pelos EUA passa a depender mais desses parceiros. É uma mudança enorme em apenas 25 anos
[0] - https://www.bloomberg.com/news/articles/2026-03-11/reliance-...
https://news.ycombinator.com/item?id=43761572
https://archive.is/kLFxg
que por sua vez leva a “Planet Money Buys Oil”
https://www.npr.org/sections/money/2016/08/26/491342091/plan...
https://www.myabandonware.com/game/simrefinery-e65
Foi feito de fato para a Chevron
E também há um manual
https://archive.org/details/sim-refinery-tour-book_202006/mo...
Entendo também que a viabilidade econômica é crucial e que, hoje, economicamente ainda compensa queimar uma grande parte do petróleo bruto. Mas, com o investimento certo e um pouco de sorte, essa economia pode mudar, e eu gostaria de ver isso acontecer
Como curiosidade, dizem que a etimologia vem do acadiano. Quantas palavras em acadiano você conhece?
Fiquei me perguntando se esse gás ainda é simplesmente queimado
O metano gerado como subproduto da produção de petróleo muitas vezes é queimado porque o volume é pequeno demais para justificar a infraestrutura e a cadeia de suprimentos necessárias para aproveitá-lo. Em outros casos, o fluido está fortemente contaminado com compostos de enxofre e afins, o que torna o refino caro demais, ou a produção é instável e intermitente, impedindo a manutenção de um processo contínuo
Ainda assim, hoje existem sistemas de recuperação de gás de flare, normalmente usados para gerar eletricidade no próprio local da refinaria
Um efeito colateral triste são os ferimentos em aves, especialmente aves de rapina. Elas gostam de pousar nas flare stacks, e quando o fogo acende de repente, na melhor das hipóteses só perdem penas e precisam ser resgatadas e reabilitadas. Isso poderia ser reduzido com projetos que dificultassem o pouso, mas isso nem sempre é feito
Para torná-lo útil, seria preciso liquefazer esse gás ou coletá-lo por dutos. Lembro de ter lido que refinarias modernas aproveitam o gás em vez de fazer flaring, mas não sei exatamente como isso é feito