Colgio Militar de Juiz de Fora

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3o Ano do Ensino Mdio - 2014Qumica Orgnica Cap QCO Ftima

Assunto: Hidrocarbonetos, Petrleo e Combusto

Fontes de Energia

As fontes de energia podem ser classificadas em primrias e secundrias, renovveis e no-renovveis.

As fontes primrias so aquelas cujos combustveis so substncias naturais, como o petrleo, o carvo mineral, o gs natural e a lenha. As fontes secundrias so aquelas que trabalham com combustveis derivados de outros combustveis, como o leo diesel e a gasolina (derivados do petrleo).

As fontes renovveis so aquelas que tm seus combustveis inesgotveis ou que suas reposies so realizadas em curto prazo. O sol uma fonte de energia renovvel porque considerada inesgotvel. A lenha, o bagao de cana e o lcool so fontes renovveis para as usinas termeltricas porque so produzidos e repostos em curto prazo. Os lagos so fontes renovveis porque a gua rapidamente reposta pelas chuvas. As fontes no-renovveis so aquelas que tm seus combustveis renovados em sculos ou milnios, como o petrleo e o gs natural.

A gerao de energia eltrica a partir de derivados de petrleo ocorre por meio da queima desses combustveis em caldeiras, turbinas e motores de combusto interna.

No caso do Brasil, onde historicamente a gerao de energia eltrica predominantemente hdrica (mais de 90% atualmente), a gerao trmica, particularmente com derivados de petrleo, muito pouco expressiva no mbito nacional. Contudo, tem desempenhado um papel importante no atendimento da demanda de pico do sistema eltrico e, principalmente, no suprimento de energia eltrica a municpios e comunidades no atendidos pelo sistema interligado.

Alm da importncia absoluta no setor de transportes, o petrleo ainda o principal responsvel pela gerao de energia eltrica em diversos pases do mundo. Apesar da expanso recente da energia hdrica e da diversificao das fontes de gerao de energia eltrica, o petrleo ainda responsvel por aproximadamente 10% de toda a eletricidade gerada no mundo.

Sendo a principal matria-prima energtica e industrial do planeta, uma riqueza distribuda de forma desigual entre os pases e um recurso no-renovvel, o petrleo se tornou provavelmente a mais importante substncia negociada entre pases e corporaes. E desde o sculo XX, tem sido um fator poltico importante e causador de crises entre governos, levando explcita ou, na maior parte dos casos, implicitamente a guerras, massacres e extermnios.

PETRLEO

O "leo da pedra" ou melhor, o petrleo (do latim petroleum, petrus, pedra e oleum, leo), no sentido de leo bruto, uma substncia oleosa, inflamvel, geralmente menos densa que a gua (densidade mdia 0,8), com cheiro caracterstico e colorao que pode variar desde o incolor ou castanho claro at o preto, passando por verde e marrom (castanho).

A origem do petrleo tem provocado, h muitos anos, diversas discusses. Segundo os gelogos, ao longo de milhares de anos, restos de animais e vegetais mortos, principalmente microfauna (plnctons) e microflora, depositaram-se no fundo de lagos e mares. Com o passar do tempo, outras camadas foram se depositando sobre esses restos de animais e vegetais. A ao de bactrias, do calor e da presso, causados por esse empilhamento de novas camadas rochosas, transformou aquela matria orgnica em petrleo. Na maior parte das vezes, junto desse recurso mineral, encontram-se associados a gua e o gs natural (metano e etano).

OU

A hiptese mais aceita leva em conta que, com o aumento da temperatura, as molculas do querognio comeariam a ser quebradas, gerando compostos orgnicos lquidos e gasosos, num processo denominado catagnese. Para se ter uma acumulao de petrleo seria necessrio que, aps o processo de gerao e expulso, ocorresse a migrao do leo e/ou gs atravs das camadas de rochas adjacentes e porosas, at encontrar uma rocha selante e uma estrutura geolgica que detenha seu caminho, sobre a qual ocorrer a acumulao do leo e/ou gs em uma rocha porosa chamada rocha reservatrio.

O Petrleo no encontrado em qualquer lugar, mas apenas onde ocorreu acumulao de material orgnico, formando as chamadas bacias sedimentares.

Estima-se que as jazidas petrolferas mais novas tm menos de dois milhes de anos, enquanto as mais antigas esto em reservatrios com cerca de 500 milhes de anos.

Ao contrrio do que muita gente acredita, numa jazida, o petrleo, normalmente, no se encontra sob a forma de bolses ou lenis subterrneos, mas nos poros ou fraturas das rochas, o que pode ser comparado imagem de uma esponja encharcada de gua.

As reas em azul representam os poros - espaos vazios entre os gros de minerais que so preenchidos por petrleo.

Chamamos de migrao o caminho que o petrleo faz do ponto onde foi gerado (rocha geradora) at onde ser acumulado (rocha reservatrio). Devido a alta presso e temperatura, os hidrocarbonetos so expelidos das rochas geradoras, e migram para as rochas adjacentes. A partir da migrao que o petrleo ter chances de se acumular em um reservatrio e formar reservas de interesse econmico.

A migrao ocorre em dois estgios:

Migrao primria: movimentao dos hidrocarbonetos do interior das rochas fontes (rochas geradoras) e para fora destas;

Migrao secundria: o deslocamento do petrleo entre a rocha geradora e a trapa.

A prxima etapa a acumulao. Devidos a falhas estruturais no subsolo, ou ento devido a variaes nas propriedades fsicas das rochas, o processo de migrao interrompido e os hidrocarbonetos vo se acumulando nas rochas reservatrios.

As rochas reservatrios devem ser porosas e permeveis, pois o petrleo pode ser encontrado nos espaos existentes nestas rochas, e ele s poder ser extrado se a rocha for permevel. A rocha, ou conjunto de rochas que dever ser capaz de aprisionar o petrleo aps sua formao, evitando que ele escape para a superfcie, so as armadilhas, trapas, alapes ou rochas selantes.

Nesses depsitos naturais, o gs fica retido nas partes mais altas e o leo nas partes mais baixas. As rochas-reservatrios podem estar localizadas prximas superfcie ou em profundidades maiores que cinco mil metros.

ROCHA CAPEADORA, SELANTE - uma camada de rocha impermevel sobreposta ao reservatrio de petrleo ou gs que impede a migrao dos fluidos.

Algumas vezes, o petrleo aparece em pequenas quantidades na superfcie da terra. Isso acontece quando, gerado nas profundezas do subsolo, no encontra, pelo seu caminho, um reservatrio devidamente protegido, onde possa se acumular.Essas exsudaes, ou vazamentos, explicam a razo pela qual alguns povos antigos j conheciam calafetar embarcaes, impermeabilizao, pintura e cermica ou seja, utilizavam o petrleo em sua forma natural, 4.000 anos antes de Cristo.

Fatores condicionantes da ocorrncia de petrleo em bacias sedimentares:

A existncia de uma bacia sedimentar indispensvel para o processo de formao do petrleo.

A formao de uma acumulao de petrleo em uma bacia sedimentar requer a associao de uma srie de fatores:

(a) a existncia de rochas ricas em matria orgnica, denominadas de rochas geradoras;

(b) as rochas geradoras devem ser submetidas s condies adequadas (tempo, presso e temperatura) para a gerao do petrleo;

(c) a existncia de uma rocha com porosidade e permeabilidade necessrias acumulao e produo do petrleo, denominada de rochas reservatrio;

(d) a presena de condies favorveis migrao do petrleo da rocha geradora at a rocha reservatrio;

(e) a existncia de uma rocha impermevel que retenha o petrleo, denominada de rocha selante ou capeadora; e

(f) um arranjo geomtrico das rochas reservatrio e selante que favorea a acumulao de um volume significativo de petrleo.

Uma acumulao comercial de petrleo o resultado de uma associao adequada destes fatores no tempo e no espao. A ausncia de apenas um desses fatores inviabiliza a formao de uma jazida petrolfera.

Composio

O petrleo fundamentalmente formado por hidrocarbonetos. Tambm pode conter quantidades pequenas de nitrognio, oxignio, compostos de enxofre e ons metlicos, principalmente de nquel e vandio. Esta categoria inclui petrleos leves, mdios e pesados.

De acordo com a predominncia dos hidrocarbonetos encontrados no leo cru, o petrleo classificado em:

Parafnicos: Quando existe predominncia de hidrocarbonetos parafnicos (cadeias retilneas com ligaes simples). O petrleo brasileiro tm sido predominantemente, de base parafnica. * Possuem cadeias retilneas.

* Frmula geral: CnH2n+2 (n um nmero inteiro, geralmente de 1 a 20)

Este tipo de petrleo produz subprodutos com as seguintes propriedades:

* Gasolina de baixo ndice de octanagem.

* Querosene de alta qualidade.

* leo diesel com boas caractersticas de combusto.

* leos lubrificantes de alto ndice de viscosidade, elevada estabilidade qumica e alto ponto de fluidez.

Naftnicos: Quando existe predominncia de hidrocarbonetos naftnicos (cadeias fechadas com ligaes simples). * Possuem cadeias em forma de anel.

* Frmula geral: CnH2n (n um nmero inteiro, geralmente de 1 a 20)

O petrleo do tipo naftnico produz subprodutos com as seguintes propriedades principais:

* Gasolina de alto ndice de octonagem.

* leos lubrificantes de baixo resduo de carbono.

* Resduos asflticos na refinao.

Mistos: Quando possuem misturas de hidrocarbonetos parafnicos e naftnicos, com propriedades intermedirias, de acordo com maior ou menor percentagem de hidrocarbonetos parafnicos e neftnicos.

Aromticos: Quando existe predominncia de hidrocarbonetos aromticos. Este tipo de petrleo raro, produzindo solventes de excelente qualidade e gasolina de alto ndice de octonagem. No se utiliza este tipo de petrleo para a fabricao de lubrificantes.

Quanto ao aspecto, h petrleos pesados e viscosos, e outros leves e volteis, segundo o nmero de tomos de carbono existentes em sua composio. Os petrleos mais leves do maior quantidade de gasolina, GLP e naftas, que so produtos leves. J os petrleos pesados resultam em maiores volumes de leos combustveis e asfaltos. No meio da cadeia esto os derivados mdios, como o leo diesel e o querosene. Petrleos cidos ou acres so os que possuem compostos de enxofre (principalmente gs sulfdrico) em alta percentagem, tendo cheiro peculiar; j os tipos doces contam com baixo teor de enxofre e no contm gs sulfdrico.

O Refino, passo a passo:

O refino do petrleo constitui-se na srie de beneficiamentos pelos quais passa o mineral bruto, para obteno de vrios produtos. Refinar petrleo , portanto, separar as fraes desejadas, process-las e industrializ-las em produtos vendveis. A separao das fraes baseada no ponto de ebulio dos hidrocarbonetos.

A tarefa inicial no processo de refino consiste em conhecer, por meio de anlises de laboratrio, a composio do petrleo a ser processado, pois so variveis a constituio e o aspecto do petrleo bruto, segundo a formao geolgica do terreno onde extrado.

Algumas propriedades fsicas gerais so utilizadas para identificao dos petrleos, como densidade relativa e viscosidade.

Evidentemente, as refinarias, conhecendo suas limitaes, j adquirem petrleos dentro de determinadas especificaes.

O petrleo, proveniente dos tanques de armazenamento (petrleo in natura), pr-aquecido em uma fornalha e introduzido numa coluna de fracionamento, de dimenses variadas, que possuem vrios estgios de separao, um para cada frao desejada. Como a parte de baixo da torre mais quente, os hidrocarbonetos gasosos tendem a subir e se condensar ao passarem pelos pratos. Os pratos medida que se aproximam da parte superior da torre, vo ficando mais frios. Os vapores, ao se elevarem, condensam-se nos pratos correspondentes temperatura de condensao.

Assim, so obtidas as fraes depositadas sob a forma de gs, GLP ou gs de cozinha, nafta, gasolina, querosene, leo diesel, leo combustvel,....., e resduo atmosfrico.

As parcelas dos derivados produzidos em determinada refinaria variam de acordo com o tipo de petrleo processado. As fraes, retiradas ao longo da coluna em seus vrios estgios de separao, devero ser tratadas, para se transformarem em produtos finais, ou ser enviadas como matria-prima para outros processos de refino, que as beneficiaro.

Sero examinados agora os aspectos de manuseio industrial do petrleo nas seguintes fases da refinao, escolhidos os tipos clssicos de unidade de processamento:

1 - Destilao primria ou destilao atmosfrica ou destilao direta

Este fluxograma demonstra a primeira etapa empregada nos esquemas de refino de petrleo. a destilao atmosfrica, tambm chamada de destilao direta, que promove a separao dos derivados leves e mdios existentes no petrleo.

Os componentes do petrleo que no foram separadas na primeira destilao, descem para o fundo da torre e vo constituir o resduo ou a carga para uma segunda destilao, onde recebem mais calor, agora sob vcuo.

A temperatura na qual um lquido entra em ebulio tem relao direta com a presso exercida sobre ele. Assim, reduzindo-se a presso sobre o lquido, diminui-se consideravelmente, tambm, sua temperatura de ebulio, evitando-se a decomposio de parte de seus componentes.

2 - Destilao vcuo

O resduo atmosfrico, frao mais pesada obtida no fundo da torre de destilao atmosfrica, aps novo aquecimento, submetido a um segundo fracionamento, agora sob vcuo, no qual so gerados cortes de gasleos (diesel) e um resduo de vcuo, conhecido como leo combustvel.

Este fluxograma apresenta uma configurao mais avanada. separao primria (do esquema anterior) acrescenta-se uma destilao a vcuo para produzir cortes de gasleo (diesel) que alimentam um processo de craqueamento cataltico em leito fluidizado (FCC).

As fraes geradas na torre de destilao a vcuo so utilizadas como cargas de outros processos de refino que visam, principalmente, a obteno de produtos de menor peso molecular e maior valor agregado.

Exemplos clssicos desses processos so o craqueamento cataltico em leito fluidizado (FCC) de gasleos, que apresenta como principais produtos o GLP e a gasolina, e o coqueamento do resduo de vcuo, que gera GLP, nafta e leo diesel. As correntes obtidas nesses processos de craqueamento (cataltico, no primeiro exemplo, e trmico, no segundo) so tambm enviadas para unidades de tratamento, onde transformam-se em produtos acabados.

3 Visco-reduo

A visco reduo um exemplo de processo trmico de converso, deste modo sendo definido como um processo em que as fraes pesadas do petrleo so convertidas em produtos mais leves, atravs da submisso conjunta ao de temperatura e presso.

A visco-reduo se caracteriza por um tipo de craqueamento realizado a temperaturas mais baixas que os demais processos de quebra molecular, alm de ser o primeiro estgio nos processos de craqueamento.

Sua finalidade a diminuio da viscosidade dos leos combustveis, bem como obter maior rendimento de gasleo (diesel) , para posterior craqueamento e produo de gasolina.

Modernamente, obtm-se uma quantidade adicional de gasolina de melhor qualidade submetendo-se o cru reduzido, obtido pelo processo de destilao primria de petrleo, a um processo de visco-reduo que produz destilados (gasleos), os quais podem sofrer posterior craqueamento, visando a produo de gasolina.

4 Craqueamento

A prxima etapa do refino consiste no craqueamento, que pode ser trmico ou cataltico. O princpio desses processos baseiam-se na quebra de molculas longas e pesadas dos hidrocarbonetos, transformando-as em molculas menores e mais leves.

4.1 Craqueamento trmico

O gasleo (diesel) obtido na destilao primria ou na visco-reduo fracionado e bombeado para um forno, onde suas molculas, pela alta temperatura a existente, comeam a se romper.

Os vapores quentes, ao deixarem pela parte superior a cmara de expanso, entram pela coluna de fracionamento. Da parte superior da coluna saem, ao mesmo tempo, o vapor da gasolina craqueada e os hidrocarbonetos gasosos: metano, etano, eteno, propano e propeno, butanos e butenos.

As fraes mais pesadas (o leo pesado ) que a gasolina no tendo sido vaporizada, escoam para o fundo da coluna, sendo retirado como leo combustvel.

4.2 - Craqueamento cataltico

O craqueamento cataltico um processo de refino de petrleo utilizado para aumentar a produo de gasolina e de GLP de uma refinaria, atravs da converso de fraes pesadas, provenientes da destilao do petrleo (gasleo e resduos), em fraes mais leves.As reaes de craqueamento so aceleradas pela presena de catalisadores. Os catalisadores incluem a zelita, hidrossilicato de alumnio, bauxita e alumino-silicatos.

O craqueamento efetuado no reator, cuja temperatura atinge, s vezes, 550C. Da parte mais elevada do reator os vapores passam coluna de fracionamento. No fundo da coluna, para serem recicladas, ficam as fraes mais pesadas, que ainda encerram traos do catalisador.

5 - Reformao Cataltica

Um reformador combina cadeias de hidrocarbonetos

Algumas vezes, preciso combinar hidrocarbonetos menores para fazer outros maiores. Este processo chamado de reforma. O principal processo a reforma cataltica, que utiliza um catalisador (platina, mistura platina-rnio) paratransformar nafta de baixo peso molecular em compostosaromticos,usados na fabricao de produtos qumicos e para misturar nagasolina. Um subproduto importante dessa reao o gs hidrognio,usado para o hidrocraqueamento ou vendido.

A produo de olefinas impraticvel nesse tipo de unidade, porque as reaes se passam em atmosfera de hidrognio e qualquer olefina porventura formada hidrogena-se logo, passando a hidrocarboneto saturado.

6 - Coqueamento retardado

Os resduos da torre de destilao so aquecidos a temperaturas acima de 482C at que se quebrem em leo pesado, gasolina e nafta. Ao final do processo, sobra um resduo pesado, quase puro,de carbono (coque). O coque limpo e vendido.

7 Hidrocraqueamento(HCC)A hidrogenao cataltica um dos processos mais antigos usados em refinao de petrleo. O hidrocraqueamento efetuado em um estgio nico ou em dois estgios, em condies de operao tpicas que variam de 260C a 426C e de 70 a 140 kg/cm2 de presso.

O hidrocraqueamento cataltico (HCC) um dos processos mais utilizados nas refinarias para produo de gasolina de alta octanagem e de hidrocarbonetos leves na faixa de C3-C4. O hidrocraqueamento um processo em 2 estgios, combinando o craqueamento cataltico e a hidrogenao e requerendo o uso de hidrognio e um catalisador heterogneo.

A carga pode ser obtida na destilao atmosfrica ou a vcuo. Esta carga aquecida (leos pesados) e, aps vaporizada, injetada concomitantemente com uma corrente de hidrognio para o interior do reator, ou cmara de craqueamento cataltico, saindo depois como vapor j craqueado. Os gases so condensados e a seguir separados, em vrias fraes, em uma coluna de destilao, dando como produtos GLP, gasolina e leo diesel. 8 Desasfaltao a solvente

A desasfaltao a solvente um processo de extrao lquido-lquido para recuperao de fraes oleosas de resduos ricos em asfaltenos.

A carga processada normalmente o resduo das unidades de destilao a vcuo.

O leo desasfaltado serve como carga para produo de lubrificantes ou carga para unidades de craqueamento cataltico fluido. O resduo asfltico, se diludo, pode ser especificado como leo combustvel ou como matria-prima para pavimentao de ruas.

9 Tratamento de derivados

Os tratamentos tm por fim a retirada dos compostos indesejveis dos derivados j produzidos, e podem ser de natureza qumica ou fsica. Os de natureza qumica compreendem o tratamento cido, o tratamento alcalino e aqueles que transformam ou eliminam os compostos de enxofre, graas a processos de oxidao, eliminao, decomposio cataltica e hidrogenao.

Os processos de transformao de compostos sulfurados, tm por fim eliminar da gasolina os compostos indesejveis do enxofre, melhorar o cheiro do combustvel e excluir os caracteres corrosivos.

Atualmente, com as exigncias de proteo ao meio ambiente e a conseqente reduo nos teores mximos de enxofre permitidos nos derivados de petrleo, a indstria petrolfera optou pela linha de tratamento com hidrognio, onde os compostos de enxofre so removidos, para, em uma outra unidade, produzirem enxofre slido para o mercado.

Entre os principais tratamentos de natureza fsica destacam-se os de extrao por solventes, de filtrao e de absoro.

10 - Produo de lubrificantes e parafinas

A produo desses derivados se processa a partir dos gasleos e do resduo da destilao a vcuo.

Os gasleos de vcuo (spindle, leve, mdio e pesado) e o leo desasfaltado separado na desasfaltao so introduzidos em uma srie de unidades, onde passam pelos seguintes processos para a obteno de leos lubrificantes e parafinas: desaromatizao, desparafinao, desoleificao de parafinas e acabamento de leos e parafinas.

Na unidade de desaromatizao, processa-se a extrao com solvente (fenol ou furfural) dos componentes da srie aromtica dos leos, com o objetivo de aumentar o ndice de viscosidade dos leos, ou seja, de conferir-lhes maior estabilidade da viscosidade com a variao de temperatura.

Na unidade de desparafinao, os leos sofrem uma separao dos compostos parafnicos de mais alto peso molecular, atravs do contato com solvente (mistura de tolueno com cetona), refrigerao e filtrao da parafina solidificada. Obtm-se, assim, leos com baixo ponto de fluidez, Nos leos originados de petrleos naftnicos, essa etapa dispensada, devido a seu baixo teor de parafinas.

Os leos lubrificantes passam, finalmente, por um processo de acabamento, em unidade de hidrogenao cataltica, destinado a melhorar suas caractersticas de cor, estabilidade oxidao, corrosividade, etc.

Comercializao do Petrleo:

Na comercializao, o ponto predominante e altamente explorado aquele que se refere ao teor de elementos leves, ou seja que produzem derivados mais rentveis comercialmente. O American Petroleum Institute - API resolveu classificar os petrleos de uma maneira que no deixasse dvidas quanto ao teor de elementos leves, e para tal adotou o grau API. Quanto maior o grau API do leo, menor a sua densidade relativa, o que equivale a dizer que o leo mais leve, portanto mais rico em volteis (partes leves), ou seja, tem maior valor comercial.

So substncias que tomam parte nas reaes qumicas, no sendo, porm, consumidas nas mesmas. Um catalisador ideal , assim, uma substncia que participa de uma reao para "efeito de presena", e sua composio final permanece idntica inicial.

Querognio a parte insolvel da matria orgnica modificada por aes geolgicas.