Tecnologia de ponta para catalisadores de FCC tolerantes a metais para Craqueamento de Fundos 

Petróleos oportunos e não convencionais trazem aos refinadores novas opções de lucro; no entanto, somente catalisadores de FCC dotados de arquitetura adequada e tolerância a metais proporcionam os melhores resultados. A liderança da Albemarle em catalisadores tolerantes a metais provém, em parte, de sua capacidade única em testar as propriedades texturais típicas, acessibilidade e capacidade de um catalisador para craquear moléculas de cargas pesadas.  

Acessibilidade: um fator chave para o desempenho

O processo de FCC é limitado por difusão. Independentemente, a indústria evoluiu no sentido de projetar e operar unidades de curto tempo de contato, utilizando elevada razão Catalisador / Óleo (CAT/OIL), que minimiza o craqueamento térmico e maximiza a influência das características do catalisador em relação a craqueamento e seletividade. Com este efeito elevado da arquitetura do catalisador sobre os rendimentos, o custo de oportunidade de concepção de catalisadores deficientes é significativo para o refinador moderno. 

Um fator chave na arquitetura de um catalisador é a acessibilidade, conceitualmente definida como a capacidade de grandes estruturas moleculares interagirem com os sítios ativos presentes em uma partícula de catalisador dentro de uma dada janela de tempo. Embora sítios ativos existam sobre a superfície do catalisador, a maior parte permanece encerrada no interior de um sistema de poros de acessibilidade limitada. Estes sítios permanecem não utilizados em concepções deficientes de catalisadores. Em parte graças a seus métodos singulares para compreender e entregar acessibilidade, a Albemarle proporciona a melhor tecnologia da indústria para cargas pesadas e/ou carregadas com metais.

O teste de acessibilidade

A Albemarle relata a acessibilidade de um catalisador em uma escala de 0 a 36, utilizando um valor numérico chamado Índice Albemarle de Acessibilidade (AAI). A acessibilidade pode ser medida em qualquer catalisador de FCC, de qualquer fornecedor, sob imparciais condições normalizadas. Um aparelho especial faz circular uma molécula-sonda e solvente através de um frasco agitado e um espectrofotômetro. A molécula-sonda simula hidrocarbonetos de alto peso molecular, com ponto de ebulição bem acima de 480°C. Tipicamente, essas moléculas são excessivamente grandes para entrar na supercavidade zeolítica, e têm difusividade efetiva altamente dependente da arquitetura de poros do catalisador. 

Ao adicionar o catalisador, um sinal aparece no espectrofotômetro à medida que a molécula-sonda imediatamente começa o processo de difusão para o interior dos poros do catalisador. 
A resposta após curto tempo de contato é relevante para as condições da Unidade FCC. Com base em uma análise das equações fundamentais da difusão, o AAI é relatado como a inclinação inicial da alteração de concentração da sonda contra a raiz quadrada do tempo. Uma medição objetiva é assegurada através de uma quantidade normalizada de catalisador e de tamanho de partícula. Detalhes técnicos adicionais deste método analítico são encontrados em outra publicação1.

Constatando a diferença

A acessibilidade de todos os catalisadores de FCC cai após exposição aos contaminantes metálicos da carga. Sódio, cálcio e níquel também mostram impactos, mas o efeito do ferro é particularmente importante (vide Figura 1). O catalisador de equilíbrio (E-cat) “saudável” é dotado de superfície visivelmente porosa e mostra, neste exemplo, um AAI superior a 5 (Figura 1, à esquerda da página). O catalisador adjacente, com nódulos, está bastante envenenado por ferro, com carência de porosidade e apresenta uma aparência de superfície vítrea (Figura 1, à direita da página). O AAI deste catalisador envenenado é inferior a 2.  

A morfologia da contaminação por ferro é também ilustrada na Figura 2, que é uma micrografia em corte transversal com mapeamento falsa-cor. O ferro é visto claramente como um anel definido na superfície. Como exemplo, a presença distribuída de ferro de um catalisador pode medir menos de 1 % em peso, através de espectroscopia de fluorescência de raios X tradicional, embora o anel real da superfície esteja bem acima dos 6 % em peso.  

“A liderança da Albemarle em catalisadores tolerantes a metais resulta em parte de sua capacidade singular para testar as propriedades texturais típicas, a acessibilidade e a capacidade de um catalisador para craquear moléculas de cargas pesadas.”

O fenômeno do envenenamento por ferro mostra porque são incompletos os tradicionais métodos estáticos para determinar a arquitetura dos catalisadores. A adsorção de nitrogênio é a técnica mais comum e provê informação sobre a área superficial do catalisador, mesoporosidade, microporosidade e distribuição de tamanho de poro. Estas informações, no entanto, podem ser enganosas, especialmente no que toca ao E-cat. Com o seu diâmetro cinético muito pequeno, o nitrogênio pode penetrar até mesmo nas pequenas aberturas superficiais restantes em um catalisador contaminado, com aspecto vítreo. Além disso, métodos de adsorção utilizam um sistema equilibrado gás-sólido que, inerentemente, falha em levar em conta a difusão. O resultado final é que um refinador precisa saber tanto a porosidade total restante no seu catalisador com base em testes de adsorção quanto a porosidade acessível com base no teste AAI da Albemarle. 
 

Benefícios comerciais

A Albemarle tem documentados muitos casos comerciais ilustrando uma correlação tangível entre o AAI e o desempenho da Unidade. O exemplo da Figura 3 é um caso emblemático, já que a acessibilidade do catalisador caiu abaixo do “AAI crítico” do refinador: um ponto onde o rendimento de Fundos aumentou notavelmente à medida que a conversão diminuía de modo correspondente. 

Este valor crítico de AAI varia de uma Unidade para outra, dependendo da carga, condições operacionais e concepção do catalisador. A Figura 4 é um exemplo comercial que compara um catalisador Premium da Albemarle, de alto AAI, com um catalisador de um concorrente. Esta Unidade de FCC tem rotatividade elevada e completou três comparações de catalisadores em 70 dias.  

Ao longo deste período a Unidade correu uma carga com teor de ferro elevado, registrando um teor relativamente estável deste metal no e-cat, cerca de 0,75 % p. Nas três comparações, o refinador testemunhou um aumento na conversão e uma queda no rendimento de Fundos com o catalisador Albemarle.