1.1 Do crude ao GPL e aos fúeis UNIDADE 2 – COMBUSTÍVEIS, ENERGIA E AMBIENTE 1. COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS: O CARVÃO, O CRUDE E O GÁS NATURAL
Combustíveis fósseis O carvão, o gás natural e o petróleo são o resultado de uma
lenta
organismos,
sedimentação nomeadamente
e
decomposição animais
e
de
plantas,
soterrados e sujeitos à ação de temperaturas e pressões muito elevadas. Por este motvo, denominam‑se combustíveis fósseis.
Combustíveis fósseis Embora os combustíveis fósseis difiram no aspeto físico, têm em comum o facto de terem na sua consttuição carbono e hidrogénio (à exceção do carvão, que apenas contém carbono).
Carvão Rocha combustível de origem vegetal, é o combustível fóssil mais abundante. O principal elemento do combustível carvão é o carbono sólido, mas a maioria dos carvões contém também compostos de carbono líquidos e gasosos.
Turfa
Lenhite
Hulha
Antracite
• 55% a 65% de C • Elevada % de água
• 65% a 80% de C • Baixo poder de combustão
• 80% a 90% de C • Elevado poder de combustão
• + 90% de C • Elevado poder de combustão
Gás natural O gás natural, terceiro combustível fóssil mais importante, é uma mistura de gases cujo principal consttuinte é o metano, CH4, presente numa percentagem entre 70 a 95%.
Petróleo bruto Os petróleos brutos, ou crude, que se obtêm diretamente do subsolo são líquidos geralmente de cor negra, viscosos, consttuídos por uma mistura de um grande número de hidrocarbonetos, com um número de átomos de carbono geralmente inferior a 30.
O petróleo é consttuído maioritariamente por hidrocarbonetos, sobretudo alcanos.
Os alcanos são compostos de carbono e hidrogénio nos quais existem dois tpos de ligação covalente simples: C ‑ C e C - H.
Petróleo bruto
Os petróleos não contêm alcenos nem alcinos.
Os alcanos são miscíveis entre si e com outros hidrocarbonetos, pelo que um petróleo pode ser considerado uma solução que contém numerosos produtos.
Admite‑se que os constituintes do petróleo são: Alcanos, entre os quais o metano, CH4, o etano, C2H6, o propano, C3H8 e o butano, C4H10;
Cicloalcanos, entre os quais o ciclobutano, C4H8, e o ciclopentano, C5H10;
Hidrocarbonetos aromáticos: benzeno, naftaleno, fenantreno, alquilobenzenos e xilenos.
Admite‑se que os constituintes do petróleo são: Produtos sulfurosos, cuja percentagem em enxofre varia entre 0,2 e 5%;
Produtos nitrogenados, em que a percentagem em nitrogénio nunca ultrapassa 1%;
Produtos oxigenados, nomeadamente ácidos orgânicos, em que a percentagem em oxigénio é sempre inferior a 1%.
O petróleo e os seus derivados O tratamento do petróleo é feito em refinarias de petróleo e processa‑se em quatro fases: ◦ Destlação fracionada ◦ Cracking ◦ Cracking catalítco ◦ Refinação.
Devido à variedade de pontos de ebulição que os diferentes componentes do petróleo apresentam, procede‑se a uma destlação fracionada para os separar.
Destilação fracionada do petróleo A destlação fracionada permite separar os componentes de uma mistura que apresentam pontos de ebulição muito próximos.
Numa destilação simples: A
fração
destlada
contém
uma
percentagem maior do componente mais volátl que a mistura inicial, ou seja, o destlado está mais «rico» no componente mais volátl, porque este passa primeiro ao estado de vapor à medida que se aumenta a temperatura.
Numa destilação simples: Repetndo a destlação simples várias vezes, obtém‑se o componente mais volátl pratcamente puro. A coluna de fracionamento, ou coluna de destlação, de pratos ou plataformas permite
realizar
esta
mudanças nem paragens.
operação
sem
Destilação fracionada do petróleo Industrialmente, os consttuintes do petróleo são separados por destilação fracionada. Este processo realiza‑se numa torre que contém uma coluna de fracionamento que pode ter uma largura entre 8 e 10 metros, uma altura de 60 metros e tratar cerca de 30 000 toneladas de petróleo por dia.
M9
9.1. Destilação fracionada do crude
Destilação fracionada do petróleo Pontos de ebulição (ºC) Até 40 60 a 100 40 a 200 175 a 275 250 a 400 300 a 370 370 a 600 Superior a 600
N.º de átomos de carbono 1a4 5a9 5 a 12 12 a 16 14 a 18 17 a 50 20 a 70 + 70
Produto Gás Nafta Gasolina Querosene Gasóleo Lubrificante Óleo combustível Asfalto
Craking e craking catalítico Nem todos os produtos que se obtêm pela destlação fracionada do petróleo são diretamente utlizáveis. Por vezes é necessário recorrer a tratamentos complementares como o cracking e o cracking catalítco. As reações de cracking são reações em que as moléculas dos hidrocarbonetos de cadeia longa se «quebram», originando moléculas de cadeia mais curta, saturadas e insaturadas.
Cracking catalítico O cracking catalítco realiza‑se em torres de destlação específicas e utliza‑se quando se pretende obter gasolina a partr de óleos pesados. No cracking catalítco transformam‑se moléculas grandes de hidrocarbonetos
em
moléculas
mais
pequenas,
aquecimento e ação de catalisadores (zeólitos).
por
Craking e refinação do petróleo A estrutura dos zeólitos forma uma rede de canais, o que faz com que sejam catalisadores muito seletvos. Só catalisam processos nos quais as moléculas, devido à sua forma e tamanho, se possam movimentar dentro desses canais.
Craking e refinação do petróleo O cracking catalítco dá origem, principalmente, a alcanos «mais leves» (com uma cadeia carbonada mais pequena), lineares ou ramificados, assim como a alcenos, numa percentagem de 5 a 8%. O 2‑metl‑4‑(3‑metlpentl)‑1‑(2‑metlpropil)‑ciclo-hexano, C17H34, é um dos vários componentes do petróleo que sofre cracking catalítco, originando compostos «mais leves».
Craking e refinação do petróleo 2-metl-4-(3-metlpentl)-1-(2-metlpropil)-ciclo-hexano
Cracking catalítico Metlpropeno CH4 Metano
C6H4 Benzeno
H2 Hidrogénio
3-Metlpent-1-eno
Craking e refinação do petróleo Para além das operações de cracking, alguns produtos obtdos pela destlação fracionada do petróleo também podem ser sujeitos a reações de isomerização. As reações de isomerização permitem obter hidrocarbonetos ramificados a partr de hidrocarbonetos lineares, por aquecimento e usando catalisadores adequados.
n‑Butano
Metlpropano