Reatores – Microtecnologia promete revolucionar o gas-to-liquid

Petroleo & Energia, Reatores - Microtecnologia promete revolucionar o Gas-to-liquid
Microrreator piloto de consórcio Modec-Toyo-Velocys a ser instalada na Lubnor-Petrobras, em Fortaleza-CE

 

A microtecnologia aplicada a processos químicos, o ramo da pesquisa científica que miniaturiza componentes e sistemas para aproveitar a intensificação de processo conseguida pela maior transferência de massa, calor e taxa de reação obtida na escala micro, começa a deixar de se limitar às bancadas de laboratórios e invade a seara produtiva também no Brasil. Com o uso de microrreatores, sistemas produtivos que já contam com vários casos em escala industrial em países desenvolvidos e com promessa de expansão acelerada nos próximos anos, um projeto piloto na Petrobras, coordenado pelo seu centro de pesquisas, o Cenpes, tem papel pioneiro para a expansão da microtecnologia no processamento de gás e obtenção de derivados sintéticos.

O projeto da petroleira visa a qualificar uma rota com microrreatores para a tecnologia GTL (gas-to-liquid), pela qual se transforma, em áreas remotas offshore ou onshore, gás natural em um óleo nobre que pode ser transportado e reaproveitado em refinarias. Até então transportados por gasodutos, ou mesmo não aproveitados, esses volumes de gás natural extraídos junto com o petróleo se transformam, por meio de reações químicas que ocorrem nos canais dos microrreatores, em um óleo isento de contaminantes, enxofre e com alto número de cetano. “É uma alternativa excelente para áreas onde seria inviável levar um reator convencional com 15 metros de diâmetro e 20 metros de altura”, explicou a coordenadora do programa tecnológico do gás natural, Ana Paula Fonseca. Os microrreatores podem ser até 90% menores do que os reatores convencionais.

Petroleo & Energia, Ana Paula Fonseca, coordenadora do programa tecnológico do gás natural, Reatores - Microtecnologia promete revolucionar o Gas-to-liquid
Ana Paula Fonseca: Petrobras testa microrreatores em gas-to-liquid

Para a qualificação da tecnologia, a Petrobras está trabalhando em conjunto com dois parceiros distintos, em testes separados em sites da empresa no Nordeste. Já em operação desde novembro de 2010, em Aracaju-SE, na UO-SEAL (Unidade de Operações de Exploração e Produção de Sergipe e Alagoas), funciona uma unidade piloto, fruto de cooperação tecnológica com a inglesa Compact GTL, por meio de uso de microrreatores por milicanais (com canais com espessura pouco maior do que um milímetro). A planta GTL em teste tem capacidade para produzir até 20 barris por dia de óleo.

A outra parceria, com operação piloto prevista para inaugurar até o final de 2011, é com um consórcio formado pela integradora de navios japonesa Modec, a empresa de engenharia também do mesmo país Toyo e a americana especializada em microtecnologia Velocys (subsidiária da inglesa Oxford Catalysts). Esta última empresa desenvolve microrreatores tubulares por microcanais (menores do que um milímetro) e instalará o sistema na unidade de lubrificantes do Nordeste, a Lubnor, em Fortaleza-CE, para produção piloto de até oito barris por dia.

Pioneiros – Segundo explicou Ana Paula Fonseca, os dois projetos piloto são pioneiros globalmente, visto que os parceiros estavam até o momento também na escala laboratorial na microtecnologia para GTL. “Estamos praticamente testando com as duas empresas para podermos avaliar se vamos partir para a escala industrial no futuro”, disse. O teste no Sergipe deve ser finalizado ainda em 2011 e o do Ceará, em meados de 2012.

O plano de desenvolvimento com o GTL compacto começou em 2006, com estudos junto com a Compact, e agora com as duas empresas entra em fase final, após a qual a Petrobras deve definir se vale a pena usar um dos dois tipos da tecnologia ou, talvez, ambos. “Mas quando acabarem os testes, e se as tecnologias forem qualificadas, ainda levará um tempo para adaptá-las para a escala industrial, principalmente no meio offshore, em que são maiores as possibilidades de integração entre os sistemas”, disse.

O sistema GTL consiste, na verdade, em uma rota constituída por duas etapas, com microrreatores formados por um conjunto de placas metálicas soldadas de forma que permitam a formação de pequenos canais de dimensões milimétricas. Na primeira etapa, chamada de gaseificação ou reforma, existem microrreatores com dois conjuntos de milicanais intercalados entre si. Em um conjunto de milicanais, o gás natural e o vapor de água reagem em contato com o catalisador para formar o gás de síntese (CO + H2), enquanto no outro conjunto de milicanais ocorre a combustão do gás natural com ar na presença de catalisador metálico (base cobalto), uma combustão sem chama. Com essa configuração, o calor liberado na reação de combustão é transferido para o outro lado e supre a necessidade de calor da reação de reforma.

A segunda etapa é a que ocorre nos microrreatores de Fischer Tropsch, onde há dois conjuntos de milicanais intercalados entre si. Em um conjunto de milicanais, há a passagem do gás de síntese, o qual, em contato com o catalisador, é convertido por polimerização em hidrocarbonetos. Para remover o calor que é liberado nessa reação, há outro conjunto de milicanais, paralelo ao primeiro, por onde passa água. Esta remoção de calor é crucial no sistema para manter a estabilidade da reação e evitar um aumento descontrolado de temperatura.

Depois dessa etapa, o óleo cru pode passar por mais outra fase, o hidrobeneficiamento, para a produção de frações como o diesel, nafta, querosene de aviação ou lubrificantes. Haveria a possibilidade de se fazer o hidrobeneficiamento também em ambiente remoto, mas isso não está nos planos nem da Petrobras nem dos fornecedores, porque ocuparia muito espaço principalmente de navios.

O primeiro reator de reforma realiza uma reação endotérmica, uma combustão catalítica a cerca de 760ºC, e o de FT, uma exotérmica a 220ºC. “A liberação de calor gerada no segundo microrreator é reaproveitada no primeiro, tornando o processo mais eficiente energeticamente”, disse Ana Paula. Uma preocupação técnica que deve ocupar os envolvidos, caso a tecnologia seja qualificada e aprovada para a fase produtiva, será garantir os microrreatores protegidos de contaminações. “A gama de variáveis é muito grande, a tecnologia é sensível e qualquer sujeira pode atrapalhar o processo”, disse Ana Paula. Por exemplo, o vapor d’água necessário no processo não contará com planta de oxigênio, para diminuir o risco de combustão. E como as plantas GTL estarão em locais onde se processa óleo, também serão demandadas adaptações para a operação integrada com o gás.

Embora ainda em teste, a publicação World Gas Intelligence (WGI) revelou que o consórcio da Modec-Toyo-Velocys trabalha com a meta de ter disponível comercialmente um sistema GTL de microrreatores para navios-plataforma FPSO (floating production, storage and offloading) até meados de 2014, com capacidade para produzir até dois mil barris por dia e ocupar apenas um quarto do deck do navio. Bom lembrar que a Modec é considerada a segunda maior fornecedora de FPSOs do mundo, o que facilita a adequação da tecnologia da Velocys no campo offshore. Para o projeto com a Petrobras, o consórcio investiu US$ 10 milhões na unidade de demonstração em Fortaleza, sendo que o custo operacional e de instalação ficou a cargo da petroleira, segundo também informou a WGI.

Petroleo $ Energia, Microrreator piloto da Compact GTL, em Aracaju-SE, Reatores - Microtecnologia promete revolucionar o Gas-to-liquid
Microrreator piloto da Compact GTL, em Aracaju-SE

Futuro promissor – O uso dos microrreatores pela Petrobras serve como confirmação de uma tendência que para muitos pesquisadores da área da microtecnologia tem futuro garantido na engenharia química. Depois de já ter criado talvez a indústria mais rica e dinâmica do mundo, a microeletrônica, a pesquisa aplicada às miniaturizações tem na indústria química um campo de exploração muito grande. Já é utilizada em sínteses em indústrias farmacêuticas ou de tintas, com uso de microrreatores em diversos materiais, como polímeros, cerâmicas, metais e vidros. A Alemanha tem posição de vanguarda nessas novas aplicações. Lá, de acordo com a estimativa de uma empresa da área, a Mikroglas (fabricante de microrreatores de vidro), em 15 anos 30% dos processos químicos vão ser miniaturizados. No mesmo país, aliás, recentemente foi demonstrado um microtrocador de calor, do tamanho de uma caixa de fósforos, com capacidade de troca de 20 kW.

A miniaturização do processo químico tem várias vantagens. Para começar há a redução evidente do tamanho de um reator por um fator de pelo menos 100, transformando ainda o processamento em batelada para o modo contínuo. O mundo micro, ao permitir a passagem de fluidos por milhares de tubos capilares, confere à reação química altas taxas de mistura por meio da difusão entre os fluidos e ainda uma alta transferência de calor, não só melhorando o processo, com melhor aproveitamento dos insumos, como também reduzindo o consumo de energia para agitação e troca de calor. Nessas condições, não custa ressaltar, há um aumento da razão superfície/volume, sendo a primeira muito mais importante. Essas características também diminuem consideravelmente os tempos de residência necessários para a reação.

A produção por microrreatores é contínua, sem o chamado tempo morto dos tanques de agitação, e possível de ser controlada mais facilmente. “Se a empresa quer ampliar a planta, basta colocar mais módulos de reação, sem precisar projetar e encomendar um novo reator por batelada”, explicou o pesquisador Mário Ricardo Gongora Rubio, do Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (IPT), líder de um grupo de pesquisas em microtecnologia que faz protótipos de microrreatores de cerâmica. “E para essas ampliações não será necessário nem parar a fábrica”, disse.

Na prateleira – Com o desenvolvimento do mercado, os pesquisadores acreditam que haverá microrreatores padronizados de prateleira, com vários tipos de materiais. “Chegará o tempo em que haverá módulos para reação, análise, filtração e troca de calor. O projetista faz as interligações como ele deseja e monta sua fábrica”, complementou o professor Luiz Otávio Saraiva Ferreira, da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas-SP (Unicamp), que há 20 anos está envolvido com a construção de protótipos de micromáquinas, microrreatores e microcomponentes, com técnica própria.
[box_light]COMO FUNCIONA O GTL 

A expressão gas-to-liquid pode ser usada para definir qualquer processo que produza um líquido orgânico oriundo
de gás natural, mas em geral se define como tecnologia gas-to-liquid (GTL) aquela que produz uma mistura de
hidrocarbonetos líquidos, denominada petróleo sintético, pelas seguintes etapas reacionais:

1) Reforma a vapor do gás natural: reação química (Eq 01) entre o gás natural e o vapor de água, produzindo uma mistura de hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO), chamada de gás de síntese. Essa reação ocorre na presença de catalisador e consome grande quantidade de calor.

2) Síntese Fischer-Tropsch (FT): reação química do gás de síntese que produz o petróleo sintético, na presença de catalisador e com a liberação de calor. Nessa reação ocorre uma polimerização de H2 e CO, produzindo hidrocarbonetos mais pesados que metano, e que são líquidos nas condições ambiente.

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Por ser muito mais importante para a reação a área de contato dos capilares, os microrreatores operam com volumes muito menores de produto, reduzindo custo de estocagem e diminuindo o risco de acidentes. “Quando houver algum vazamento, basta retirar o módulo do microrreator com problema e trocá- lo, sem interromper a produção”, disse Saraiva Ferreira. O professor também afirma que esses módulos podem ser refis, trocados depois de um determinado tempo de saturação. “Há uma tendência de eles serem poliméricos, mas há de todos os tipos, de vidro, cerâmica, silício”, disse.

Petroleo & Energia, Protótipo de microrreator de poliuretano, Reatores - Microtecnologia promete revolucionar o Gas-to-liquid
Protótipo de microrreator de poliuretano

Os protótipos feitos pelo professor – frutos também das necessidades de uma época em que ele era chefe do laboratório de microfabricação do Laboratório de Luz Síncrotron e de um período de pesquisa nos Estados Unidos – são de poliuretano acrilato. Trata-se aí de uma tropicalização tecnológica, segundo diz. “Como não temos nenhuma indústria de microeletrônica no Brasil e, portanto, nenhum método de microfabricação em escala industrial, precisei adaptar um método tradicional empregado na indústria gráfica”, revelou. O sistema utilizado para fazer matrizes de impressão por fotoexposição de resinas líquidas passou a gerar microrreatores e micromáquinas para diversos pesquisadores, a maioria da Unicamp, que começavam a estudar as vantagens da microtecnologia. “Comecei a fazer rodadas anuais de fabricação para pesquisadores, que foram crescendo gradativamente”, disse.

Com sua experiência adquirida nos Estados Unidos e a avaliação do mercado brasileiro, Ferreira vislumbrou no setor químico as melhores oportunidades. Começou fazendo protótipos para uma professora da engenharia química da Unicamp desenvolver micropeneiras para filtragem de água, que foram testadas com sucesso no tratamento de água, removendo 96% de turbidez. Depois dessa linha de pesquisa, que perdura até hoje, o instituto de química da Unicamp passou a projetar com a técnica de Saraiva Ferreira microrreatores para análises químicas e bioquímicas.

Essa vertente da microtecnologia voltada para química analítica, na opinião do professor, conta com demanda adormecida muito forte no Brasil. Na sua opinião, a tecnologia poderia baratear e tornar muito mais fácil análises na área de saúde. Ele próprio chegou a criar uma empresa na incubadora da Unicamp para tentar colocar no mercado um kit de análise por microrreator que poderia averiguar sete itens no sangue instantaneamente (sais) e outro para teste de gaseometria, aplicado por anestesistas para analisar nível de oxigenação e outros gases em pacientes sob efeito de sedativos. Neste último caso, Ferreira observa que o padrão atual é retirar o sangue no centro cirúrgico e levá-lo para laboratório para análise. “Leva tempo e dinheiro. Com o microrreator, o resultado sai na hora”, disse.

Petroleo & Energia, Luiz Otávio Saraiva Ferreira, professor da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas-SP (Unicamp), Reatores - Microtecnologia promete revolucionar o Gas-to-liquid
Luiz Otávio Saraiva Ferreira: microfabricação adaptada de tecnologia da indústria gráfica

O microrreator para análise clínica já existe em várias aplicações – um muito popular é a fitinha para análise de glicose no sangue. Ele funciona basicamente com uma coluna de reação, na qual há uma entrada para o fluido de arraste, uma entrada lateral para a amostra. Há microbombas acionadas pneumaticamente para dosar os dois fluidos, sendo que a do fluido de arraste é parada quando se injeta a amostra de sangue. Depois da difusão, o fluido vai por uma saída onde se coloca um microssensor (ótico, elétrico) para se obter o resultado desejado.

Na síntese – Embora o professor da Unicamp tenha desistido da empresa incubada por falta de investidor – fato compreensível em uma época um pouco recessiva (2008) –, ele difundiu a tecnologia de fabricação entre vários outros pesquisadores e professores, que passaram a orientar alunos para desenvolver processos promissores, alguns deles para síntese química. Uma corrente de pesquisa com boa perspectiva é o desenvolvimento de microrreatores para produção de biodiesel. Em 2010, um aluno da engenharia química da Unicamp defendeu tese de mestrado nessa área, da qual o professor Saraiva participou da banca examinadora. Também o pesquisador do IPT, Mário Gongora, está envolvido com microrreatores para biodiesel, na orientação de tese e na confecção de protótipos com cerâmica verde.

Petroleo & Energia, Mário Ricardo Gongora Rubio, pesquisador do Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (IPT), Reatores - Microtecnologia promete revolucionar o Gas-to-liquid
Mário Ricardo Gongora Rubio : protótipos cerâmicos de microrreatores no IPT

Já com os microrreatores em escala laboratorial, os passos seguintes são os que envolvem desenvolvimento de métodos de simulação para a fluidodinâmica dos reatores. E é nessa etapa que Saraiva se encaminha, com promessa de auxílio na pesquisa para a produção do biodiesel. “Meu objetivo agora é trabalhar com supercomputadores para fazer os cálculos de simulação”, disse. Para isso, ele tem adquirido placas de vídeo superpotentes, utilizadas originalmente para videogames e que agora são disponíveis para cálculos científicos. Esse recurso tecnológico, que faz simulações em minutos, substitui métodos convencionais que levam uma semana para chegar aos resultados.

Com todos esses aprimoramentos, o pesquisador do laboratório de processos químicos e tecnologia de partículas do IPT, Wagner Aldeia, acredita que os microrreatores poderão, no futuro, substituir qualquer síntese química hoje feita por reatores convencionais.

Petroleo & Energia, Wagner Aldeia, Reatores - Microtecnologia promete revolucionar o Gas-to-liquid
Wagner Aldeia: microrreatores se adaptam a qualquer síntese química

“É uma questão de tempo, de barateamento de materiais de fabricação, de domínio das tecnologias para simulação do projeto e de domínio do processo”, disse. “Porque as vantagens são imensas e propícias para se criar a química verde, com produção limpa, econômica, segura e com controle apurado do processo”, complementou. Na sua opinião, com os microrreatores também será possível criar novos produtos e mais puros, sem contaminações. “Os fluidos usados para mistura por difusão são aproveitados na medida certa, sem excesso, como num reator normal que privilegia o volume dos insumos”, disse.

O professor Saraiva Ferreira, da Unicamp, também acredita que a microtecnologia tem todas as condições para entrar de vez na indústria química e petroquímica. Para fundamentar sua confiança, o acadêmico usa até de um exercício de mimetismo interessante. Para ele, uma refinaria de petróleo do futuro seria como uma baleia azul, mamífero aquático que chega em alguns casos a pesar 500 toneladas. “Apesar do seu tamanho, todas as reações químicas dela acontecem em micro ou nanorreatores, que são suas células. Todos interligados para manter a imensa fábrica em operação”, disse. Uma imagem que pelo menos em parte pode se tornar real quando a Petrobras adotar os microrreatores em seu projeto de GTL, tecnologia que pode ganhar muita força ao se colocar em perspectiva as descobertas do pré-sal.

 

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