O petróleo (óleo de pedra) é um líquido oleoso,
insolúvel em água, mais leve que ela, de cor variando entre amarelo e negro,
encontrado em jazidas, no subsolo da crosta terrestre.
Em média, o
petróleo bruto contém os seguintes elementos ou compostos:
carbono - 84%
hidrogênio - 14%
enxofre - de 1 a 3% (sulfeto
de hidrogênio, sulfetos, dissulfetos, enxofre elementar)
nitrogênio - menos de 1%
(compostos básicos com grupos amina)
oxigênio - menos de 1%
(encontrado em compostos orgânicos como o dióxido de carbono,
fenóis, cetonas e ácidos carboxílicos)
metais - menos de 1%
(níquel, ferro, vanádio, cobre, arsênio)
sais - menos de 1% (cloreto
de sódio, cloreto de magnésio, cloreto de cálcio)
O petróleo é uma mistura de compostos orgânicos,
predominando nitidamente os hidrocarbonetos.
O petróleo é retirado das jazidas por meio de
perfurações na crosta terrestre, através das quais se atinge o poço
petrolífero.
Inicialmente, o petróleo jorra espontaneamente, em
razão da grande pressão de seus gases; depois de certo tempo, a pressão
interna torna-se insuficiente para levar o petróleo à superfície da crosta
terrestre, e a extração é feita por meio de bombas. Obtém-se, assim, o
petróleo bruto.
A seguir, o petróleo bruto é submetido a processos
mecânicos de purificação: por decantação, é separada a água salgada bem como
a matéria em suspensão (particularmente areia e argila) etc. Após o
tratamento mecânico, o petróleo é submetido a um processo de fracionamento.
I.
Fracionamento
Por meio de destilação fracionada em grandes
colunas de fracionamento, obtêm-se diversas frações de petróleo.
Segue-se um esquema das principais frações obtidas
e os respectivos intervalos de temperatura em que destilam.
O processo de refino de
petróleo começa em uma coluna de destilação fracionada. À direita, podemos
ver vários processadores químicos
Os vários componentes do petróleo bruto têm tamanhos,
pesos e temperaturas de ebulição diferentes. Por isso, o
primeiro passo é separar esses componentes. E devido à
diferença de suas temperaturas de ebulição, eles podem ser
facilmente separados por um processo chamado de
destilação fracionada. Veja abaixo as etapas.
Aquecer a mistura de
duas ou mais substâncias (líquidos) de diferentes pontos
de ebulição a alta temperatura. O aquecimento costuma
ser feito com vapor de alta pressão para temperaturas de
cerca de 600°C.
A mistura entra em ebulição
formando vapor (gases). A maior parte das substâncias
passam para a fase de vapor.
O vapor entra no
fundo de uma coluna longa (coluna de destilação
fracionada) cheia de bandejas ou placas.
ela possuem muitos orifícios ou
proteções para bolhas a fim de permitir a passagem
do vapor
as placas aumentam o tempo de
contato entre o vapor e os líquidos na coluna
elas ajudam a coletar os líquidos
que se formam nos diferentes pontos da coluna
há uma diferença de temperatura
pela coluna (mais quente embaixo, mais frio em cima)
O vapor sobe pela
coluna.
Conforme o vapor sobe pelas placas da
coluna, ele esfria.
Quando uma substância na forma de
vapor atinge uma altura em que a temperatura da coluna é
igual ao ponto de ebulição da substância, ela
condensa e forma um líquido. A substância com o
menor ponto de ebulição irá se condensar no ponto mais
alto da coluna. Já as substâncias com pontos de ebulição
maiores condensarão em partes inferiores da coluna.
As placas recolhem
as diferentes frações líquidas.
As frações líquidas recolhidas podem:
passar por condensadores, onde
serão resfriadas ainda mais, e depois ir para
tanques de armazenamento;
ir para outras áreas para passar
por outros processos químicos, térmicos ou
catalíticos.
A destilação fracionada é útil para
separar uma mistura de substâncias com diferenças pequenas
em seus pontos de ebulição sendo uma etapa muito importante
no processo de refino.
Poucos compostos já saem
da coluna de destilação prontos para serem comercializados. Muitos deles
devem ser processados quimicamente para criar outras frações. Por exemplo,
apenas 40% do petróleo bruto destilado é gasolina. No entanto, a gasolina é
um dos principais produtos fabricados pelas empresas de petróleo. Em vez de
destilar continuamente grandes quantidades de petróleo bruto, essas empresas
utilizam processos químicos para produzir gasolina a partir de outras
frações que saem da coluna de destilação. É este processo que garante uma
porção maior de gasolina em cada barril de petróleo bruto.
Observações:
Tomando por base, por exemplo, o petróleo americano, a composição química
das diversas frações do petróleo é a seguinte: os gases do petróleo são
constituídos de CH4, C2H6, C3H8
e C4H10; o éter de petróleo é constituído de pentanos
e hexanos; a gasolina, de C6H14 a C10H22;
a benzina, especialmente de heptanos e octanos; a ligroína, de octanos e
nonanos. O querosene contém alcanos com 10 a 16 átomos de carbono, e as
frações menos voláteis (com ponto de ebulição mais alto) contêm
hidrocarbonetos superiores.
Portanto, podemos construir a seguinte tabela:
Resumindo temos:
II. Aplicações das
Frações do Petróleo
Os gases do petróleo -
gás liquefeito do petróleo (GLP) - têm
grande emprego como combustível (gás engarrafado).
A gasolina é a fração de
maior consumo pela sua aplicação como combustível nosmotores de
explosão.
O éter de petróleo, a
benzina especial e a ligroína têm grande
aplicação como dissolventes orgânicos.
O querosene é empregado na
iluminação; porém, hoje em dia, este emprego é bem restrito.
Ogasóleoou óleo diesel tem grande aplicação como combustível dos motores a diesel.
Os óleos lubrificantes, como indica o nome, têm grande aplicação como
lubrificantes em geral.
A parafina tem grande aplicação na fabricação de
velas, graxas para sapatos, ceras para assoalho etc...
O asfalto e o piche
de petróleo são muito utilizados na pavimentação de vias públicas.
III. Índice de Octanos
Nos motores a explosão, a
mistura de gasolina e ar (combustível e comburente) é submetida à
compressão, que varia com a potência do motor: quanto maior for a potência
do motor, maior tem que ser a compressão. A simples compressão da mistura
pode produzir sua detonação; esta detonação prematura, isto é, por
compressão e não pela faísca produzida pela vela, deve ser evitada, pois
diminui a potência do motor. Este fenômeno de detonação prematura da mistura
de gasolina e ar é conhecido com o nome de knocking. A
qualidade de uma gasolina depende da sua maior ou menor resistência à
compressão sem detonação, quando em mistura com ar. Evidentemente, quanto
maior a sua resistência à compressão, melhor sua qualidade.
Entre os constituintes da
gasolina, o normal heptano oferece baixíssima resistência à compressão, isto
é, apresenta o fenômeno do knocking a pressões muito baixas; por
outro lado, o isoctano (2, 2, 4-trimetil pentano) oferece grande resistência
à compressão, isto é, só apresenta o knocking a pressões muito altas.
Esses dois hidrocarbonetos foram tomados como padrão para a determinação da
resistência da gasolina à compressão sem detonação, quando em mistura com o
ar. Foi, então, estabelecido o índice de octanos. Ao normal heptano
foi arbitrariamente dado o valor zero e ao isoctano o valor 100. Quando se
diz que uma gasolina tem X octanos (octanagem X, número de octanos X, índice
de octanos X), quer-se dizer que a mistura dessa gasolina com o ar no motor
de explosão resiste à mesma compressão sem detonação que uma mistura X% de
isoctano e (100 – X%) do normal heptano.
Assim, uma gasolina de 80
octanos (octanagem 80, número de octanos 80) é aquela que se comporta no
motor como mistura contendo 80% de isoctano e 20% de normal heptano; uma
gasolina de 42 octanos é aquela que se comporta no motor como uma mistura
contendo 42% de isoctano e 58% de normal heptano.
Evidentemente, quanto
maior o índice de octanos, melhor a qualidade da gasolina, pois resiste a
maiores compressões sem detonação prematura (knocking ou batida de
pino).
Antidetonadores (ou anti-knocking)
são substâncias adicionadas à gasolina para elevar a sua octanagem, isto é,
aumentar a sua resistência à compressão.
Os antidetonantes mais
empregados são o chumbo tetraetila ou tetra etilchumbo (Pb (C2H5)4
) de uso proibido por causa da poluição ambiental e o cloreto de etileno,
(Cl – CH2 – CH2 – Cl).
Há ainda o caso particular
da gasolina com índice de octanos superior a 100. Adicionando antidetonante
a uma gasolina de índice de octanos próximo de 100, esse índice poderá
ultrapassar o valor citado, caso em que será obtida uma gasolina que
resistirá à compressão mais elevada que o isoctano.
IV. Cracking ou Craqueamento
O craqueamento divide grandes cadeias de
hidrocarbonetos em pedaços menores.
O
craqueamento divide cadeias grandes em outras menores
Há vários tipos de craqueamento.
Térmico: grandes
cadeias de hidrocarbonetos são aquecidas a altas
temperaturas (e algumas vezes a altas pressões também)
até que elas se quebrem (craqueiem).
vapor: vapor de
alta temperatura (816°C) é usado para craquear
etano, butano e nafta em etileno e benzeno, que são
usados para fabricar produtos químicos;
viscorredução:
os resíduos da torre de destilação são aquecidos
(482°C), resfriados com gasóleo e
rapidamente colocados em uma torre de destilação.
Este processo reduz a viscosidade de óleos pesados e
produz o alcatrão;
coqueamento: os
resíduos da torre de destilação são aquecidos a
temperaturas acima de 482°C até que se quebrem em
óleo pesado, gasolina e nafta. Ao final do processo,
sobra um resíduo pesado, quase puro, de carbono (coque).
O coque é limpo e vendido.
Catalítico: usa um
catalisasor para aumentar a velocidade da reação de
craqueamento. Os catalisadores incluem a zeólita,
hidrossilicato de alumínio, bauxita e alumino-silicatos.
craqueamento catalítico
fluido ("fluid cracking catalysis", FCC):
um catalisador fluido aquecido (538°C) craqueia
gasóleo pesado em óleo diesel e gasolina;
hidrocraqueamento:
semelhante ao craqueamento catalítico fluído, mas
usa um catalisador diferente, temperaturas menores,
pressão maior e gás hidrogênio. Ele craqueia o óleo
pesado em gasolina e querosene (combustível de
aviação).
Catalisadores usados no craqueamento ou reforma
catalítica
Após vários hidrocarbonetos terem sido
craqueados em outros menores, os produtos passam por mais
uma coluna de destilação fracionada para separá-los.
VI. Reforma
Catalítica
Algumas vezes, é preciso combinar
hidrocarbonetos menores para fazer outros maiores. Este
processo é chamado de reforma. O principal
processo á a reforma catalítica, que
utiliza um catalisador (platina, mistura platina-rênio)
para transformar nafta de baixo peso molecular em
compostos aromáticos, usados na fabricação de produtos
químicos e para misturar na gasolina. Um subproduto
importante dessa reação é o gás hidrogênio, usado para o
hidrocraqueamento ou vendido.
Um
reformador combina cadeias de hidrocarbonetos
VII.
Alquilação
Às vezes, as estruturas de moléculas em
uma fração são rearranjadas para produzir outra. Isso
normalmente é feito por meio de um processo chamado
alquilação. Na alquilação, compostos de baixo peso
molecular, como o propileno e o buteno, são misturados na
presença de um catalisador como o ácido fluorídrico ou ácido
sulfúrico (um subproduto da remoção de impureza de muitos
produtos do petróleo). Os produtos da alquilação são
hidrocarbonetos ricos em octanas, usados em tipos
de gasolina para reduzir o poder de detonação
(consulte O que é octano para mais detalhes).
Reorganizando cadeias
Agora que vimos como as diferentes
frações são alteradas, vamos discutir como elas são tratadas
e misturadas para fabricar os produtos que são
comercializados.
Uma
refinaria de petróleo é uma combinação de todas essas
unidades
VIII. Tratando e misturando as
frações obtidas no refino de petróleo
Plásticos produzidos a partir de frações de petróleo
refinado
Frações destiladas e processadas
quimicamente são tratadas para que as impurezas como
compostos orgânicos contendo enxofre, nitrogênio, oxigênio,
água, metais dissolvidos e sais inorgânicos sejam removidas.
O tratamento costuma ser feito ao passar as frações pelas
seguintes etapas:
uma coluna de ácido sulfúrico remove
hidrocarbonetos insaturados (os que possuem ligações
duplas carbono-carbono), compostos de nitrogênio,
compostos de oxigênio e sólidos residuais (alcatrão,
asfalto)
uma coluna de absorção preenchida com
agentes secantes para remover a água
tratamento para remover o enxofre e
compostos de enxofre
Após o tratamento das frações, elas são
resfriadas e misturadas para formar vários produtos, tais
como:
gasolina de vários tipos, com ou sem
aditivos
óleos lubrificantes de diferentes
pesos moleculares e tipos (por exemplo, 10W-40, 5W-30)
querosene de vários tipos
combustível de aviação
óleo diesel
óleo combustível
diferentes tipos de produtos químicos
para a produção de plásticos e outros polímeros
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