trabalho biomassa

7/25/2019 Trabalho Biomassa

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIRIDODEPARTAMENTO DE CINCIAS AMBIENTAIS E TECNOLGICASCURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA

DANIEL CARLOS DE CARVALHO CRISSTOMOSAMANTA MESQUITA DE HOLANDA

ROTA BTL (BIOMASS TO LIQUID)

MOSSOR-RN2015


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DANIEL CARLOS DE CARVALHO CRISSTOMOSAMANTA MESQUITA DE HOLANDA

ROTA BTL (BIOMASS TO LIQUID)

Trabalho apresentado UniversidadeFederal Rural do Semirido UFERSA,Departamento de Cincias Ambientais eTecnolgicas para obteno nota parcial dadisciplina de Biomassa.

MOSSOR2015


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Rotas de converso da biomassa em biocombustveis.................................... 7

Figura 2 - Etapas do processo de obteno de combustveis pela rota BTL.................... 8

Figura 3 - Principais aplicaes do gs de sntese............................................................ 9

Figura 4 - Etapas do processo de gaseificao de biomassa........................................... 11

Figura 5 - Tipos de Gaseificadores................................................................................. 12

Figura 6- Sintese FT....................................................................................................... 15

Figura 7-Mecanismo de Carbeno................................................................................... 16

Figura 8-Mecanismo de Hidroxicarbeno........................................................................ 16

Figura 9-Mecanismo de insero de CO........................................................................ 17Figura 10- Tratamento e refino da gasolina.................................................................... 19


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Sintese FT ....................................................................................................... 14

Tabela 2- Principais produtos FT ................................................................................... 15

Tabela 3 -Estimativas Rota BTL .................................................................................... 18

Tabela 4- Variedades da gasolina brasileira ................................................................... 20

Tabela 5- Tipos de leo Diesel ....................................................................................... 20


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SUMRIO

1. INTRODUO....................................................................................................... 6

2. ROTA BTL (BiomassToLiquid

)............................................................................. 73. GASEIFICAO .................................................................................................. 10

4. TECNOLOGIA FISCHER-TROPSCH.............................................................. 13

4.1. SINTESE FT...................................................................................................... 14

4.2. MECANISMOS DE REAO..................................................................... 15

4.2.1. Mecanismo de Carbeno ............................................................................ 15

4.2.2. Mecanismo de Hidroxicarbeno ................................................................. 16

4.2.3. Mecanismo de insero de CO ................................................................. 17

4.3. FISCHER-TROPSCH- PERSPECTIVAS E PANORAMA MUNDIAL. 17

5. TRATAMENTO E REFINO............................................................................... 18

5.2. Gasolina.......................................................................................................... 18

5.2.1. Destilao fracionada ............................................................................... 18

5.2.2. Craqueamento ........................................................................................... 19

5.3. leo Diesel...................................................................................................... 20

CONCLUSO ................................................................................................................ 21

REFERNCIAS ............................................................................................................. 22


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1. INTRODUO

O aumento da preocupao mundial com as mudanas climticas tem

impulsionado as pesquisas com diversas fontes de energias alternativas renovveis,

dentre as quais pode-se destacar o uso de biomassa proveniente de resduos agrcolas,

atravs de diferentes rotas tecnolgicas (MARTINS, 2013). Ao longo das ltimas

dcadas as preocupaes que surgiram acabaram por moldar pensamentos e ideias,

levando a novas necessidades que precisariam ser atendidas e, dessa forma, teve incio

uma constante busca cientifica por novas tecnologias que fossem, ao mesmo tempo,

menos poluentes e comercialmente viveis de proporcionar energia para o setor de

transportes (FONSECA, 2009).

Diante do cenrio energtico global destacam-se os biocombustveis (todo o

recurso renovvel oriundo da matria orgnica de origem animal ou vegetal), cujo

principal objetivo oferecer um suporte a cadeia de abastecimento de combustveis

veiculares e mitigar os efeitos danosos decorrentes da macia utilizao de derivados de

fontes energticas fosseis.Em teoria, pode-se dizer que os biocombustveis possuem

uma emisso neutra de carbono, alm de oferecerem uma reduo quanto a dependncia

de petrleo e dessa forma contribuir para uma melhor segurana energtica (FONSECA,

2009). O crescente consumo de combustveis fsseis derivados de petrleo e gs

natural, a elevao acentuada dos preos do petrleo nos anos recentes e os avanos da

tecnologia envolvendo o processo Fischer-Tropsch fizeram da tecnologia BTL uma

alternativa atravs da converso de biomassa nos convencionais derivados do petrleo

(MARTINS, 2009).

O presente trabalho aborda a produo de combustveis lquidos atravs da rota

BTL (BiomassToLiquids), uma promissora tecnologia na obteno de biocombustveis

sintticos pertencentes a rota de segunda gerao. A rota BTL consiste na utilizao doprocesso de gaseificao para transformar a biomassa em um insumo conhecido como

gs de sntese (syngasou, de forma mais adequada, biosyngas) e sua posterior aplicao

na sntese Fischer-Tropsch para obteno de combustveis veiculares de boa qualidade e

menos poluentes (FONSECA, 2009). Em decorrncia da natureza complexa das vrias

biomassas que podem ser utilizadas, torna-se indispensvel submeter o gs de sntese a

um processo de remoo de contaminantes e demais substncias volteis.Os produtos

obtidos sero, cada um em sua proporo, direcionados para o uso final mais adequadoque lhes couber (gasolina, diesel, nafta, querosene de aviao, entre outros). Neste


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trabalho ser dado destaque a gasolina e leo diesel, devido a sua importncia e

notoriedade no mercado mundial de combustveis.

2. ROTA BTL (BiomassToLiquid)

A biomassa pode ser definhada como todo recurso renovvel oriundo de matria

orgnica de origem animal ou vegetal. Geralmente utilizada como fonte de calor e

para a gerao de eletricidade a partir da sua combusto em fornos e caldeiras acoplados

ou a turbinas a vapor. A gaseificao da biomassa consiste na converso da biomassa

em um gs combustvel, possibilitando a sua utilizao em equipamentos como

Turbinas a Gs (TG) e Motores Alternativos de Combusto Interna (MACI) aplicados a

converso de potncia. A partir da biomassa da biomassa tambm possvel se obter o

gs de sntese (ou producergas), composto por hidrocarbonetos com caractersticas

semelhantes as combustveis lquidos comerciais (gasolina e diesel).

Existem duas rotas de converso da biomassa em biocombustveis, a rota

termoqumica e a rota bioqumica, conforme mostrado na Figura 1. A rota

termoqumica atravs da pirlise e/ou a gaseificao da biomassa, passa pela obteno

de hidrocarbonetos, lcoois, hidrognio, amnia e GNS (Gs Natural Sinttico) entre

outros compostos (LORA et. al, 2012). Os processos da rota termoqumica so

conhecidos como processos BTL (BiomassToLiquids).

Figura 1 - Rotas de converso da biomassa em biocombustveis.

Fonte: LORA, et. al, 2012.


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O termo BTL aplicado para combustveis sintticos, produzidos a partir de

biomassas, utilizando-se uma rota termoqumica. O objetivo produzir substncias

lquidas com propriedades semelhantes a dos combustveis fsseis (LORA, et. al,

2012).A Figura 2 representa as etapas do processo de obteno de combustveis a partir

da tecnologia BTL.

Figura 2 - Etapas do processo de obteno de combustveis pela rota BTL.

Fonte: LORA et. al, 2012.

O gs de sntese o nome dado a uma mistura de hidrognio (H2) e monxido de

carbono (CO) que pode ser produzido a partir de gs natural, carvo, petrleo e

biomassa. O gs de sntese representa uma fonte potencialmente crescente de

combustveis limpos e tambm para a sntese de produtos qumicos, sendo um

combustvel importante para a produo de eletricidade isenta de poluentes

atmosfricos, tais como xidos de enxofre (SOx) e xidos de nitrognio (NOx)

(WENDER, 1996).


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Figura 3 - Principais aplicaes do gs de sntese.

Fonte: LORA, et. al, 2012.

Quando o processo de gaseificao realizado com o ar, o gs de sntese tem um

teor considervel de nitrognio (N2), o qual deve ser removido quando se visa

produo de compostos qumicos. Alguns autores diferenciam um gs de sntese de

menor qualidade, ou seja, com baixo poder calorfico (5,0 MJ/Nm em mdia), passvel

de ser utilizado diretamente em Motor Alternativo de Combusto Interna (MACI),

Turbinas a Gs (TG) ou para queima direta em fornos e caldeiras. A poligerao

consiste no uso do gs obtido por gaseificao, tanto para o processo de sntese como

para gerao de eletricidade numa nica planta (LORA, et. al, 2012). No caso da via

bioqumica de converso, existe a opo de gaseificar os resduos de lignina.

A vantagem dos combustveis BTL a oportunidade de tornar o setor de

transportes mais independente das fontes energticas fsseis e, a mdio e longo prazos,

suprir a demanda do mesmo (LORA, et. al, 2012). Outra vantagem o potencial destes

combustveis em reduzir as emisses de dixido de carbono, a qual dever chegar a

mais de 90%, em relao aos combustveis fsseis (DENA, 2007).


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3. GASEIFICAO

Segundo Probstein e Hicks (1982) o processo de converso trmica conhecido

como pirolise caracteriza-se pela decomposio da matria orgnica atravs do calor, na

ausncia de oxignio e, normalmente, outros reagentes qumicos no so utilizados;

contudo, em se tratando da gaseificao, pode-se introduzir no sistema certas

quantidades de hidrognio,oxignio e vapor de agua. Dado o processo de gaseificao

da biomassa, que ocorre a elevadas temperaturas, a pirolise pode ser considerada como

sendo o primeiro estgio nesse processo de converso (FONSECA, 2009).

A gaseificao pode ser definida como o processo de converso termoqumica

de um material slido ou lquido (que contm carbono na sua composio) em um

combustvel gasoso, atravs da oxidao parcial a temperaturas elevadas (reaes

termoqumicas numa faixa de temperaturas de 800 a 1100C), e em presses

atmosfricas ou maiores, at 33 bar. Utiliza-se um agente de gaseificao que pode ser

ar, vapor de gua, oxignio ou uma mistura destes, em quantidades inferiores

estequiomtrica (mnimo terico para a combusto) (LORA, et. al, 2012).

A Figura 4 mostra um esquema das etapas do processo de gaseificao. A

pirlise constitui a primeira fase do processo na qual se forma carvo vegetal, alcatro e

gases. Em paralelo, uma frao pequena da biomassa oxidada, a fim de elevar a

temperatura de rao at os valores compreendidos entre 800 e 1200C, dependendo

principalmente da quantidade e d tipo de agente de gaseificao fornecido. Assim,

possvel atingir o nvel de temperatura adequado, tanto para o desenvolvimento da etapa

de pirlise como para a gaseificao apropriadamente dita dos produtos gerados na

pirlise

Na gaseificao da biomassa o assim chamado fator de ar e um parmetro

fundamental desse processo, sendo ele definido como a relao entre a razoar/combustvel (AC) ou, de forma mais adequada, razo entre o agente

oxidante/combustvel real e a estequiomtrica, responsvel por influenciar no

rendimento do processo.


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Figura 4 - Etapas do processo de gaseificao de biomassa.

Fonte: NEST, 2015.

De acordo com Melo (2008), no interior de um gaseificador ocorrem complexas

reaes que, em termos tericos, podem ser dividas em diferentes zonas. Na primeira

delas, denominada zona de secagem, h a remoo da umidade presente na biomassa

alimentada.Essa, por sua vez, pode conter elevado grau de umidade dependendo de sua

natureza e se37sofreu ou no uma pr-secagem.Em seguida tem-se a zona de pirolise

onde ocorre a formao de produtos slidos, volteis e alcatroes em decorrncia da

degradao trmica da biomassa alimentada na ausncia ou com pouco oxignio.Bridgwater apud Melo (2008) aponta que essa degradao trmica ocorre em

temperaturas entre 500 C e1000 C gerando um complexa mistura de compostos

orgnicos que incluem outros combustveis em fraes slidas, lquidas e gasosas.

No interior do gaseificador ocorre a combusto da biomassa em contato com o

oxignio e cujo principal aspecto e a formao de dixido de carbono e vapor de agua

em uma reao exotrmica, liberando calor que pode variar de 700 C a 2000 C.

Seguindo, h a fase de reduo onde ocorrem reaes endotrmicas em uma faixa de

temperatura compreendia entre 800 C a 1100 C. As diferentes zonas podem variar de

posio em decorrncia dos diferentes tipos/modelos de gaseificadores utilizados, como

ilustra a Figura 5.


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Figura 5 - Tipos de Gaseificadores.

Fonte: NEST, 2015.


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4. TECNOLOGIA FISCHER-TROPSCH

A tecnologia conhecida como Fischer- Tropsch pode ser considerada nica em

muitos sentidos dada sua proposio de construir cadeias de hidrocarbonetos mais

longas a partir de molculas menores, originadas de uma matria prima carbonada comoo carvo, por exemplo, combinada com o hidrognio, na forma do que se conhece como

gs de sntese. Depois de construdas, as cadeias de hidrocarbonetos podem ser

convertidas em combustveis veiculares lquidos para consumo final, como a gasolina e

o leo diesel, dentre outros insumos para indstria qumica e automotiva. No que diz

respeito aos produtos Fischer-Tropsch, suas propriedades ambientais tem sido

reconhecidas como muito valiosas no que tange os combustveis mais limpos e as

percepes entre oferta e demanda, assim como o preo que o barril de petrleo tematingido no mercado internacional nos ltimos meses- apesar da crise financeira

internacional- tem criado um incentivo econmico para a pesquisa de tecnologias

alternativas consideradas menos poluentes. Esses fatores, quando combinados,

conduzem s expectativas de que a tecnologia Fischer- Tropsch ir, ao menos, se tornar

um fator significante de suporte ao abastecimento de combustveis veiculares no cenrio

energtico global.

Foi em 1925 que o professor alemo Franz Joseph Emil Fischer (1877-1947), e

seu chefe de departamento, o tcheco Dr. Hans Tropsch (1889-1935), ambos qumicos de

formao, descreveram um processo capaz de produzir hidrocarbonetos lquido atravs

do monxido de carbono (CO) e hidrognio (H2) na presena de catalisadores de metal,

para serem utilizados como combustveis e insumos para a indstria qumica.

As qualidades ambientais dos produtos Fischer-Tropsch tem sido reconhecidas

como valiosas no que tange os combustveis menos poluentes. As percepes entre

oferta e demanda tem criado um incentivo econmico para pesquisa de tecnologias

alternativas consideradas verdes. Esses fatores, quando combinados, nos levam a

esperar que a tecnologia Fischer-Tropsch ira, pelo menos, se tornar um fator significante

de suporte no cenrio energtico global. Inicialmente a tecnologia Fischer-Tropsch era

utilizada para converter carvo, pela rota CTL, em combustveis lquidos para

transportes terrestres. Posteriormente o gs natural se tornou a principal matria prima

ficando conhecido pela tecnologia GTL. Na atualidade h a rota conhecida como BTL

que consiste na converso da biomassa em diversos hidrocarbonetos, dentre eles, os


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combustveis sintticos lquidos. A sntese Fischer-Tropsch produz cadeias de

hidrocarbonetos de diferentes tamanhos. O crescimento das cadeias e modelado a partir

da reao do CO com o H2na superfcie de um catalisador, comumente a base de ferro

(Fe) ou cobalto (Co). A variao do comprimento das cadeias ser determinada pela

probabilidade das cadeias de hidrocarbonetos se propagarem ou terminarem.

4.1. SINTESE FT

As duas principais caractersticas da sntese Fischer-Tropsch so:

a possibilidade de produo de uma vasta gama de cadeias de

hidrocarbonetos, sejam elas de parafinas (alcanos), olefinas (alcenos) ou

produtos oxigenados, tais como alcois e cidos carboxlicos;

a liberao de grandes quantidades de calor, dado que as reaes so

altamente exotrmicas.

Na sntese FT, o gs de sntese convertido em uma mistura de diversos tipos de

hidrocarbonetos, de diferentes tamanhos, e o crescimento dessas cadeias modelado a

partir da reao do monxido de carbono (CO) como o Hidrognio (H2), indicada pela

reao 1, na superfcie de um catalisador metlico, seja de ferro (Fe) ou cobalto (Co),comumente. As reaes que ocorrem dentro do reator carecer de um detalhamento

maior sobre seu comportamento, mas de forma geral, possvel descrev-las pelas

reaes abaixo:

Tabela 1- Sintese FT

nCO + (n+m/2)H2CnHm+nH2O 1

CO + 2H2 -CH2-+H2O H = -165 kJ mol- 2

2CO +H2 - CH2-+ CO2 H = -204,7 kJ mol-1 3

CO + H2O H2 + CO2 H = -39,8 kJ mol- 4

3CO +H2 - CH2-+ 2CO2 H = -244,5 kJ mol- 5

CO2+ 3H2 -CH2-+ 2H2O H = -125,2 kJ mol-1 6


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Figura 6- Sintese FT

Fonte: (Ren, 2012)

Os principais produtos da reao Fischer-Tropsch podem ser descritos na tabela abaixo:

Tabela 2- Principais produtos FT

Produtos Frmula

Hidrocarbonetos C1-C2

LPG C3-C4

Nafta C5-C11

Diesel C9-C20Cera >C20

4.2.MECANISMOS DE REAO

4.2.1. Mecanismo de Carbeno

O mecanismo de Carbeno caracteriza-se pela formao de carbono adsorvido e

livre de oxignio, atravs da hidrogenao do carbono superficial, aps a dissociao doCO adsorvido. H vrios estudos que sustentam o mecanismo de carbeno, sendo

considerado como um dos mecanismos Fischer-Tropsch mais provveis.


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Figura 7-Mecanismo de Carbeno

Fonte: (Ren, 2012)

4.2.2. Mecanismo de Hidroxicarbeno

No mecanismo de hidroxicarbeno ocorre um crescimento da cadeia atravs de

uma reao de condensao de duas espcies hidroxicarbeno (CHOH) adsorvidas. Os

hidroxicarbenos so formados pela hidrogenao parcial do CO adsorvido. Neste

mecanismo, formam-se alcois por hidrogenao, aldedos atravs da dissoro, e

hidrocarbonetos via eliminao do grupo OH.

Figura 8-Mecanismo de Hidroxicarbeno

Fonte: (Ren, 2012)


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4.2.3. Mecanismo de insero de CO

No mecanismo de insero de CO, a cadeia cresce atravs da insero de um

grupo carbonil (CO adsorvido) na ligao metal-alquila (radical orgnico monovalente).

Para que a reao de acoplamento de C-C ocorra, as espcies resultantes soprimeiramente hidrogenadas a uma cadeia alquila. Alcoois, aldedos e hidrocarbonetos

so formados neste mecanismo.

Figura 9-Mecanismo de insero de CO

Fonte: (Ren, 2012)

4.3.FISCHER-TROPSCH- PERSPECTIVAS E PANORAMA MUNDIAL

Atualmente, as instalaes de grande porte para a converso Fischer-Tropsch

utilizam somente combustveis fsseis, por exemplo, a Shell da Malsia, que produz

lquidos FT derivados do gs natural. Na frica do Sul, a Sasol tem uma planta de

produo utilizando carvo como matria-prima. O uso de biomassa no processo FT

ainda est em fase de desenvolvimento. As tecnologias para a gaseificao da biomassa

ou bio-leo para obteno de gs de sntese esto ainda em faz de estudo.

Abaixo, o nmero de plantas BTL estimadas na Europa para os anos de 2015 a 2020,

para produo de diesel FT:


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Tabela 3 -Estimativas Rota BTL

Plantas BTL Entrada de

biomassa (MWth)

Referncia

2015 20201 6 8500 Shell Qatar

2 12 4100 Sasol Qatar

4 28 1800 Shell Malsia

Fonte: (Fonseca, 2009)

Uma estimativa para o futuro da tecnologia FT a reduo dos custos de

investimento. Estes custos iro diminuir cerca de 25-35%, para uma instalao de 1000

MWth, como resultado de melhorias na eficincia, desenvolvimento tecnolgico e

aumento da capacidade produtiva da planta.

5. TRATAMENTO E REFINO

5.2.Gasolina

Atualmente, muitos processos so conhecidos e utilizados para obteno da

gasolina. Os tradicionais processos de refino sofreram uma continua evoluo aomesmo tempo em que os motores automotivos progrediam e conforme esses sofriam

modificaes, principalmente com relao a sua taxa de compresso ao objetivar uma

maior potncia, os processos de refino eram aperfeioados para a fabricao da gasolina

a fim de satisfazer os requisitos de qualidade da mesma. A destilao fracionada e o

craqueamento so os mais importantes e merecem destaque maior.

5.2.1. Destilao fracionada

No processo de destilao fracionada, os hidrocarbonetos so submetidos a

temperaturas que variam de 350 C a 400 C sendo, em seguida, direcionado para uma

torre de fracionamento onde, presso atmosfrica, separado em diferentes fraes

segundo o ponto de ebulio de cada uma; algumas dessas fraes so a gasolina de

destilao primria, a nafta, o querosene, o leo diesel, entre outras. De uma perspectiva

tcnica-cientfica, o princpio da trajetria tecnolgica do refino o uso dos

conhecimentos de termodinmica em sistemas lquido vapor para a separao fsica das

molculas de HC em diferentes faixas de peso molecular; essa separao possvel uma


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vez que a temperatura de ebulio e o peso molecular esto relacionados, e tanto a

quantidade como a composio dos hidrocarbonetos da gasolina primria dependem do

tipo de composto destilado, variando suas propriedades, como por exemplo: densidade,

caractersticas de vaporizao, poder antidetonante, entre outras.

Figura 10- Tratamento e refino da gasolina


A gasolina a frao que destila entre 30 C e 180 C, conforme indicado na Figura

acima.

5.2.2. Craqueamento

Trata-se de uma transformao por ruptura. O craqueamento consiste em provocar a

quebra ou diviso das grandes molculas de hidrocarbonetos que possuem, por

sua fez, alto ponto de ebulio- onde um composto dividido em partes menores pelaao de calor e/ou catalisador, para produzir outro de menor ponto de ebulio na faixa

desejada, nesse caso, na faixa da gasolina.

Pode-se utilizar o chamado processo de craqueamento trmico ou ento

craqueamento cataltico, sendo que o primeiro, j em desuso, faz com que grandes

cadeias de hidrocarbonetos sejam aquecidas a altas temperaturas (e algumas vezes a

altas presses tambm) at que elas se quebrem; h o craqueamento cataltico, usado


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atualmente, permite o uso de presses mais baixas do que o craqueamento trmico pois

usa um catalisador para aumentar a velocidade da reao.

Na Tabela 4, as principais variedades da gasolina brasileira:

Tabela 4- Variedades da gasolina brasileira


5.3.leo Diesel

O combustvel leo diesel um produto da petroqumica tradicional, sendo obtido

primordialmente pela destilao fracionada de hidrocarbonetos, destilando at 300 C

em presso atmosfrica, conforme a Figura XX, e constitudo basicamente de

hidrocarbonetos contendo de 12 a 16 tomos de carbono e alguns contaminantesderivados do enxofre e do nitrognio. O combustvel final do leo diesel resulta da

mistura de diversas fraes do petrleo, como o diesel pesado, o leve, querosene e nafta,

visando o resultado mais adequado e menos poluente para o uso.

Na tabela 5, as principais variedades do leo diesel brasileiro

Tabela 5- Tipos de leo Diesel



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CONCLUSO

Ao trmino deste trabalho pode-se concluir que diante do cenrio energtico

global os biocombustveis (todo o recurso renovvel oriundo da matria orgnica de

origem animal ou vegetal), cujo principal objetivo oferecer um suporte a cadeia de

abastecimento de combustveis veiculares e mitigar os efeitos danosos decorrentes da

exacerbada utilizao de derivados de fontes energticas fosseis.

Alm disso, viu-se que rota conhecida como Biomass-to-Liquids (BTL) consiste

na utilizao do processo de gaseificao para transformar a biomassa em um insumo

conhecido como gs de sntese (syngas ou, de forma mais adequada, biosyngas) e sua

posterior aplicao na sntese Fischer-Tropsch para obteno de combustveis veiculares

de boa qualidade e menos poluentes. E ainda que os biocombustveis oferecerem uma

reduo quanto a dependncia de petrleo e,deste modo,contribuem para uma melhor

segurana energtica.


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Referncias

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REN, M. L. (2012). Biocombustiveis de segunda gerao - combustveis lquidos

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