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28 Março 2024

Caso de estudo

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A Destilação do Petróleo (crude)
Composição do Petróleo
Refinação do Petróleo
Índice de Octanas
Composição da Gasolina
Destilação Fraccionada do Petróleo
Exemplo de Destilação de uma Mistura de Hidrocarbonetos (Petróleo Simulado)
Destilação de Biocombustíveis
Referências
Outras Fontes de Informação

A Destilação do Petróleo (crude)

A Refinação do Petróleo envolve uma série de operações de Destilação com vista à produção de fracções de hidrocarbonetos de diferentes composições e, como tal, com aplicações distintas. De facto, a Petroquímica é um dos sectores industriais onde a operação de destilação é utilizada intensivamente.

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Composição do Petróleo

O Petróleo é a matéria prima para a maioria dos combustíveis que utilizamos. O Petróleo é um combustível fóssil constituído, essencialmente, por uma mistura de hidrocarbonetos (moléculas constituídas por carbono e hidrogénio), mas que contém, também, derivados do enxofre e do azoto, sais e até alguma água.

No que se refere aos hidrocarbonetos, os quais constituem a maior percentagem do petróleo, eles podem agrupar-se como se segue:

- Parafinas (hidrocarbonetos lineares ou ramificados de fórmula Cn H2n+2, normalmente com 1 a 20 átomos de carbono).

Exemplos de Parafinas: metano; etano; propano; butano; isobutano; pentano; hexano, heptano; n-octano; isooctano, etc (ver algumas fórmulas 3D e IUPAC a seguir). Estes compostos podem ser gases ou líquidos.

hidrocarbonetos

 hidrocarbonetos

 hidrocarbonetos

 hidrocarbonetos

 hidrocarbonetos

- Aromáticos são hidrocarbonetos com estruturas em anel (anel benzeno com 6 átomos de carbono e ligações duplas alternadas), com um ou mais anéis por molécula.

Exemplos de hidrocarbonetos Aromáticos: benzeno; tolueno; xileno; naftaleno, etc. Estes compostos são normalmente líquidos.

Exemplos de hidrocarbonetos Aromáticos

- Cicloalcanos são hidrocarbonetos com estrutura em anel mas sem ligações duplas (CnH2n) e com um ou mais anéis por molécula.

Exemplos de Cicloalcanos: ciclopentano; metilciclopentano; ciclohexano; metilciclohexano, etc. Estes compostos são normalmente líquidos.

 Exemplos de Cicloalcanos

 Exemplos de Cicloalcanos

 Exemplos de Cicloalcanos

- Alquenos são hidrocarbonetos lineares ou ramificados com ligações duplas (CnH2n).

Exemplos de Alquenos: etileno; buteno; isobuteno, etc. Estes compostos podem ser gases ou líquidos. Os Alquenos raramente estão presentes no petróleo bruto, mas surgem durante o processo de refinação.

 Exemplos de Alquenos

A composição do petróleo não é constante, variando de zona para zona do globo. De acordo com a sua composição a cor (normalmente acastanhada) e a viscosidade do petróleo podem variar, assim como o seu poder calorífico (falamos de petróleos leves e pesados). Os hidrocarbonetos são compostos que armazenam uma grande quantidade de energia.

Em média, pode dizer-se que o petróleo contem cerca de:
- 84% de carbono
- 14% de hidrogénio
- 1-3% de enxofre
- <1% de azoto
- <1% de oxigénio
- <1% de metais
- <1% de sais.
* as percentagens indicadas são percentagens mássicas.

Na tabela seguinte apresentam-se composições médias para dois petróleos brutos: um petróleo leve da Arábia Saudita e um petróleo pesado da Venezuela. As percentagens indicadas são volumétricas [1].

Tabela 1: Composição do Petróleo

 Parafinas
(% vol.)
Aromáticos
(% vol.)
Cicloalcanos
(% vol.)
Enxofre
(% vol.) – aprox.
Arábia Saudita6319182
Venezuela3512532

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Refinação do Petróleo

Dado que o petróleo bruto é uma mistura muito complexa, para ele poder ser usado como combustível é necessário proceder à sua Refinação (“How Stuff Works”). Dessa refinação resultam diversas fracções, constituindo algumas delas os vários combustíveis que normalmente usamos (combustível de avião, fuel, gasóleo, gasolina, etc.).

O Processo de Refinação consiste numa sucessão de operações de Destilação Fraccionada (que tiram partido das diferenças de volatilidade dos vários componentes do petróleo para obter produtos, fracções, com composição diferente) e de Operações de Cracking. As moléculas mais longas podem ser divididas em moléculas mais pequenas através de aquecimento e utilizando simultaneamente catalisadores (platina, zeólitos, aluminosilicatos, etc.). As cadeias mais pequenas resultantes do cracking térmico recombinam-se dando origem a estruturas ramificadas ( “Cracking of Petroleum ”). Os produtos da operação de cracking também são sujeitos a operações de purificação posteriores, nomeadamente de destilação fraccionada.


Figura 1: Refinaria da Chevron em Pascagoula.
Figura 1: Refinaria da Chevron em Pascagoula.

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Índice de Octanas

O Processo de Cracking, cuja aplicação industrial data de 1930, contribui para aumentar o número de octanas nas fracções de combustível produzidas, nomeadamente na gasolina. A capacidade de auto-ignição de uma gasolina está relacionada com o número de octanas. Ao iso-octano puro (trimetil pentano) corresponde o índice 100 de octanas. O n-heptano corresponde a um índice de octanas zero.

Figura 2: Fórmula IUPAC do iso-Octano (C8H18, 2,2,4-trimetilpentano).
Figura 2: Fórmula IUPAC do iso-Octano (C8H18, 2,2,4-trimetilpentano).

Aos hidrocarbonetos aromáticos correspondem índices de octanas superiores a 100. Por exemplo, benzeno (106) e tolueno (≈120).

Figura 3: Fórmulas IUPAC do benzeno (C6H6) e do tolueno (C7H8).
Figura 3: Fórmulas IUPAC do benzeno (C6H6) e do tolueno (C7H8).

O índice de octanas permite a avaliação do grau de detonação da gasolina no motor (knocking) em resultado da ignição prematura do combustível. Convém que o grau de detonação seja o mais baixo possível para um melhor funcionamento dos motores de combustão (maior eficiência). O padrão para comparação do grau de detonação dos combustíveis é a mistura de iso-octano + n-heptano, índice 100 e 0, respectivamente (ver link “What is Gasoline ”). Assim, por exemplo, uma gasolina de 98 octanas produz uma detonação (para uma dada pressão) idêntica à de uma mistura com 98% de iso-octano e 2% de n-heptano.

Tabela 2: Índice de Octanas de Vários Hidrocarbonetos.

 CompostoNúmero de Octanas
 n-butano113
 n-pentano62
 n-hexano19
 n-heptano0
 2-metilbutano 99
 2,2-dimetilpropano100
 2,2-dimetilbutano89
 2,2-dimetilpentano89
 2,2,3-trimetilbutano113
 2,2,4-trimetilpentano (iso-octano) 100
 1-penteno 152
 2-metil-2-buteno 176
 3-metil-2-penteno 130
 2,4,4-trimetil-1-penteno 164
 ciclopentano141
 metilciclopentano107
 ciclohexano 110
 1,2-dimetilciclohexano104
 1,4- dimetilciclohexano 66
 Benzeno 106
 Tolueno  124
 m-xileno, 1,3-dimetilbenzeno 145
 Etilbenzeno124

Para baixar o grau de detonação da gasolina podem usar-se aditivos (antigamente usavam-se derivados do chumbo, hoje banidos por razões ambientais) ou adicionar hidrocarbonetos de cadeias mais pequenas ou ramificados (por exemplo pentano e metilbutano).

Figura 4: Fórmulas IUPAC do n-Pentano e do Metil-Butano(C5H12). Figura 4: Fórmulas IUPAC do n-Pentano e do Metil-Butano(C5H12).

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Composição da Gasolina

Importa referir que a gasolina que abastece os motores de combustão é normalmente o resultado da mistura de mais do que uma fracção da refinação do petróleo, em particular de fracções provenientes de matérias primas (petróleos) diferentes, com vista a obter o combustível com o índice de octanas desejado (“Sources of Petroleum ” e “How Stuff Works”). Uma gasolina típica pode ter a seguinte composição [2]:

Tabela 3: Composição de uma gasolina típica (percentagens volumétricas).

n-hexano a n-nonano12 %
isómeros de alcanos e n-butano11 %
Ciclohexano e derivados5 %
buteno a hexeno25 %
1-noneno12 %
tolueno1 %
xileno(s)22 %
aromáticos de peso molecular mais alto11 %

 Veja-se em baixo um diagrama típico de uma refinaria (Flow Sheet). Ver ainda “Houston Refinery ”.

Figura 5: Esquema simplificado de uma refinaria.
Figura 5: Esquema simplificado de uma refinaria.

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Destilação Fraccionada do Petróleo

Os diferentes componentes do Petróleo (hidrocarbonetos) têm pesos moleculares diferentes e moléculas com diferentes configurações e, como tal, pontos de ebulição diferentes. Estamos perante um caso típico em que a Separação por Destilação Fraccionada, descrita na secção de Processos de Separação/Destilação desta zona do Portal, é uma opção viável.

O Petróleo é aquecido na base da coluna de destilação e produz-se vapor que vai passando através dos pratos da coluna de fraccionamento, contactando com o líquido que desce na coluna. Os pratos aumentam o tempo de contacto entre as duas fases e permitem que ocorra a transferência de massa entre fases. Os compostos mais voláteis vão passar, preferencialmente, para a fase de vapor e, os menos voláteis ficam, preferencialmente, na fase líquida.

Assim, no topo da coluna, no Destilado, recolhem-se os hidrocarbonetos mais leves (gás de petróleo liquefeito (GPL), metano, propano e butano, essencialmente), a temperaturas inferiores a 20ºC. Na base da coluna, no Resíduo, recolhem-se os hidrocarbonetos muito pesados (alcatrão com mais de 70 átomos de carbono), a temperaturas superiores a 600 ºC.

Normalmente, recolhem-se também ao longo da coluna de destilação produtos intermédios, desde a Nafta, a Gasolina, o Gasóleo, até ao Fuelóleo, por ordem crescente de pontos de ebulição (ver link “The Institute of Petroleum ”  e “How Stuff Works ”) tal como esquematizado na Figura 6.

Figura 6: Esquema da Destilação Fraccionada do Petróleo.
Figura 6: Esquema da Destilação Fraccionada do Petróleo.

Repetindo, sucessivamente, o processo de Destilação é possível obter os diversos produtos resultantes do petróleo, com a pureza adequada.

A primeira destilação do processo de refinação do petróleo ocorre à pressão atmosférica. A separação dos hidrocarbonetos mais pesados é realizada sob vácuo, para baixar o ponto de ebulição dos componentes da mistura, de forma a operar a coluna a temperaturas mais baixas e a facilitar a separação. Nesta coluna produzem-se óleos lubrificantes e ceras. Na Tabela seguinte resumem-se as composições dos vários produtos obtidos a partir do petróleo.

Tabela 4: Composição dos vários produtos resultantes do Petróleo

Tabela 4: Composição dos vários produtos resultantes do Petróleo

Figura 7: Refinaria da Shell em Martinez, Califórnia.
Figura 7: Refinaria da Shell em Martinez, Califórnia.

Figura 8: Colunas de Destilação numa Refinaria (a coluna no plano mais próximo é de uma Destilação sob Vácuo).
Figura 8: Colunas de Destilação numa Refinaria
(a coluna no plano mais próximo é de uma Destilação sob Vácuo).

De notar que o diâmetro das colunas de vácuo é sempre maior do que o das outras colunas a pressão superior, como se pode observar na fotografia da Figura 8. As grandes torres de diâmetros diferentes são uma das características da paisagem de uma refinaria. 

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Exemplo de Destilação de uma Mistura de Hidrocarbonetos (Petróleo Simulado) 

Pretende-se destilar uma mistura de cinco hidrocarbonetos (hidrocarbonetos lineares de diferentes pesos moleculares, hidrocarbonetos cíclicos e aromáticos) com a seguinte composição molar: 

CompostoFracção molar (x)Temperatura de ebulição à pressão atmosférica, Tb (ºC)
Butano (C4H10)0.04-0.5
Benzeno (C6H6)0.1580.1
Metilciclohexano (C7H14)0.2581
n-Octano (C8H18)0.16125
Dodecano (C12H26)0.40216

(fracção molar=(nº de moles de do componente i)/(nº total de moles); o somatório das fracções molares tem de ser igual à unidade).

A temperatura de ebulição dos diferentes componentes está indicada na tabela. A mistura a tratar encontra-se no estado líquido. Esta mistura pretende ser uma simulação de um petróleo bruto.

A destilação far-se-á em duas colunas de destilação fraccionada. Na primeira coluna a destilação decorre à pressão atmosférica e separar-se-á o composto mais leve (butano), que sai no destilado, dos restantes componentes (benzeno, metilciclohexano, n-octano e dodecano), que saem no resíduo.

Pretende-se que a Recuperação de Benzeno no resíduo seja de 95%, e a de Butano no destilado seja também de 95%. Define-se Recuperação na corrente N como:

Rec=(nº de moles de i recuperados na corrente N)/(nº de moles de i que entram na alimentação)

Vai-se supor que as fases líquido e vapor se comportam como gases e líquidos ideais. Assim, o equilíbrio líquido/vapor poderá ser descrito recorrendo à equação de Raoult (fase líquida):
pi=xip*i,σ

e à equação de Dalton (fase vapor):
pi=yiP

A razão de equilíbrio entre as composições das fases vapor e líquida será dada por:
ki=yi/xi= p*i,σ/P

(xi e yi são as fracções molares de i no líquido e no vapor, respectivamente, pi a pressão parcial de i, p*i,σ a pressão de vapor do componente i puro e P a pressão total). Consulta a secção de Termodinâmica Química para informações adicionais sobre estes conceitos.

Para o projecto da coluna de destilação vamos usar o Simulador de Destilação disponível neste portal, o qual implementa o método aproximado FUGK (Fenske, Underwood, Gilliland, Kirkbride) e o método rigoroso de Wang-Henke (mais informações sobre estes métodos podem ser obtidas em Destilação/Modelos Usados na Simulação Interactiva).

O simulador calcula o número de andares da coluna, a localização óptima do andar onde é introduzida a alimentação e a Razão de Refluxo de Operação (relação entre o caudal de líquido que retorna à coluna no topo e o caudal de destilado produzido). São também calculados o diâmetro e a altura da coluna se se seleccionar a opção “dimensionamento da coluna”.

Para usar o Simulador é necessário introduzir a informação seguinte:

Dados
- Pressão da coluna (bares);
- Caudal molar de alimentação (mol/h);
- Composição molar da alimentação;
- Características da alimentação (temperatura ou condição térmica);
- Recuperações dos componentes chave no Destilado e no Resíduo;
- Razão de refluxo de operação/refluxo mínimo (KK);
- Tolerâncias para os cálculos numéricos.

No que se refere à condição térmica da alimentação (cuja explicação é desenvolvida em Destilação/Modelos Usados na Simulação Interactiva ) é preciso ter em conta o seguinte:
q=1 (para alimentação líquido saturado)
q=0 (para alimentação vapor saturado)

Em alternativa pode fornecer-se a temperatura da corrente alimentação, a qual deve ser dada em graus Kelvin (a temperatura absoluta em K é igual à temperatura em ºC mais 273.15, ver Física/Energia, Calor e Temperatura ).

Relativamente à selecção dos componentes chave da separação (ver mais informação em Destilação/Modelos Usados na Simulação Interactiva ) é preciso escolher um chave leve (LK, baixo ponto de ebulição) e um chave pesado (HK, ponto de ebulição mais elevado). Os componentes chave são aqueles entre os quais se pretende fazer a separação. No problema de que estamos a tratar, como pretendemos separar o butano dos restantes componentes da alimentação, este composto (butano) será o chave leve, enquanto que o composto de ponto de ebulição adjacente (benzeno) será o chave pesado.

Figura 9: Imagem do formulário de introdução de dados no simulador.
Figura 9: Imagem do formulário de introdução de dados no simulador.

Para operar o Simulador de Destilação é ainda necessário fornecer também as seguintes informações:

- Modelo Termodinâmico para o Equilíbrio Líquido/Vapor: ideal
- Método de cálculo: FUGK ou FUGK seguido de Método Rigoroso de Projecto
- Informação sobre se quer efectuar o dimensionamento aproximado da coluna (cálculo do diâmetro e altura da coluna)

Figura 10: Imagem da segunda parte do formulário de introdução de dados no simulador.
Figura 10: Imagem da segunda parte do formulário de introdução de dados no simulador.

Para entrar na página do simulador e iniciar o projecto da coluna faz click em

DESTILAÇÃO DO PETRÓLEO.

O simulador tem dados de entrada introduzidos por defeito, mas esses dados podem ser alterados. Para o problema de projecto descrito em cima obtêm-se os seguintes resultados:

Figura 11: Folha de resultados do simulador (Método FUGK).
Figura 11: Folha de resultados do simulador (Método FUGK).

Figura 12: Folha de resultados do simulador (Método Rigoroso de Wang-Henke).
Figura 12: Folha de resultados do simulador (Método Rigoroso de Wang-Henke).

Ou seja obtém-se um Destilado com a seguinte composição molar:

  • n-butano- 72.2%

  • benzeno- 18.7%

  • metilciclohexano- 8.5%

  • n-octano- 0.6%

  • dodecano- ≈0

E um Resíduo com:

  • n-butano- 0.5%

  • benzeno- 14.8%

  • metilciclohexano- 25.8%

  • n-octano- 16.8%

  • dodecano- 42%

Ou seja, o n-butano ficou quase todo no destilado (como pretendido) e o dodecano no resíduo. Cerca de 87% do n-butano foi recuperado no destilado.

A coluna tem 7 Andares Teóricos e a alimentação entra no 4º andar a contar do topo.

esquema de coluna de resultados

O simulador fornece também os perfis de composição (do líquido e do vapor) e de temperatura, ao longo da coluna (Figuras 13, 14 e 15). Analisando quer a Figura 13 quer a 14, verifica-se que o n-butano só existe em quantidade apreciável nos primeiros andares da coluna (até ao 3º andar), diminuindo a sua fracção acentuadamente à medida que nos aproximamos da base da coluna (andar 7). Devido à sua volatilidade muito elevada o n-butano passa muito facilmente para a fase vapor, separando-se dos restantes componentes logo nos primeiros andares da coluna.

Figura 13: Perfis de concentração molar na fase líquida, ao longo da coluna (1 topo, 7 base).
Figura 13: Perfis de concentração molar na fase líquida, ao longo da coluna (1 topo, 7 base).

Figura 14: Perfis de concentração molar na fase vapor, ao longo da coluna (1 topo, 7 base).
Figura 14: Perfis de concentração molar na fase vapor, ao longo da coluna (1 topo, 7 base).

No que se refere ao perfil de temperaturas (Figura 15) a temperatura aumenta à medida que nos aproximamos da base da coluna, variando desde 281 ºK, no topo da coluna, até 388ºK na base. Os compostos menos voláteis que predominam na base da coluna têm uma temperatura de ebulição mais elevada. Todas as temperaturas são dadas em graus Kelvin.

Figura 15: Perfil de temperaturas ao longo da coluna.
Figura 15: Perfil de temperaturas ao longo da coluna.

O simulador fornece também informação sobre a variação do caudal de líquido e vapor ao longo da coluna (Figuras 16 e 17, perfis dos caudais de líquido e vapor, respectivamente). Analisando as Figuras verifica-se que as grandes variações de caudal ocorrem no andar de alimentação, quando se passa da zona de rectificação para a zona de esgotamento, em particular no que se refere ao caudal de líquido.

Figura 16: Perfil do caudal de líquido ao longo da coluna.
Figura 16: Perfil do caudal de líquido ao longo da coluna.

Figura 17: Perfil do caudal de vapor ao longo da coluna.
Figura 17: Perfil do caudal de vapor ao longo da coluna.

Por último o simulador diz-nos que a coluna terá cerca de 11 metros de altura e 0.37 m de diâmetro, sendo a razão altura/diâmetro (HC/DC) igual a 29, o que está de acordo com os limites sugeridos pela prática industrial (HC/DC <30). Apesar do número de andares teóricos ser de apenas 7, o número de pratos que a coluna tem de ter é de 17, dado que a eficiência global estimada é baixa, apenas 28.7% (ver Figura 18).

Figura 18: Folha de resultados relativa ao dimensionamento aproximado da coluna de destilação.
Figura 18: Folha de resultados relativa ao dimensionamento aproximado da coluna de destilação.

O Resíduo desta coluna deve ainda ser tratado noutra coluna de destilação, por forma a separar o hidrocarboneto mais pesado (C12 H26). Este hidrocarboneto não deve entrar em percentagens significativas na composição da gasolina por ter um ponto de ebulição demasiado elevado, mas já o metilciclohexano é um dos constituintes da gasolina que faz aumentar o número de octanas. O benzeno também entra na composição da gasolina embora em pequenas quantidades por problemas de poluição.

Para tratar este resíduo vamos recorrer a uma segunda destilação fraccionada. Dado que as temperaturas que seria necessário atingir na coluna para fazer esta separação à pressão atmosférica seriam demasiado elevadas, podendo levar à decomposição de alguns compostos, deve optar-se por realizar esta destilação sob vácuo, a pressão inferior à pressão atmosférica (por exemplo 0.7 bar).

O que acabou de se descrever é o que acontece normalmente numa Unidade de Refinação do Petróleo, como referido nas secções anteriores.

Usa o simulador para projectar esta segunda coluna introduzindo no formulário de dados os novos valores de composição da alimentação (o resíduo da coluna anterior - supõe a fracção molar de n-butano no resíduo igual a zero), pressão e caudal de alimentação. Ao nível da condição térmica da alimentação podemos continuar a supor que a alimentação é um líquido saturado (condição térmica igual a 1). Para esta separação é necessário aumentar a razão KK (Refluxo de Operação/Refluxo Mínimo) para 10. Sugere-se que para retirar a maior quantidade possível de C12H26 à mistura se exija que a recuperação deste composto no resíduo seja 99%.

Dado que se pretende separar o C12H26 do resto da mistura, sugere-se que a separação se defina entre o n-octano e o dodecano, escolhendo para chave leve o n-octano e para chave pesado o dodecano.

Para a situação descrita acima apresentam-se na Figura 19 os perfis de composições da corrente líquida ao longo da coluna. Verifica-se que o dodecano praticamente desaparaceu do destilado (fracção molar no destilado 1.3%), constituindo a quase totalidade do resíduo (fracção molar no resíduo 96.7%). O destilado da coluna pode agora ser incorporado na gasolina.

Figura 19: Perfis de concentração molar na fase líquida ao longo da segunda coluna.
Figura 19: Perfis de concentração molar na fase líquida ao longo da segunda coluna.

Esta segunda coluna deverá ter um diâmetro superior à primeira (cerca de 1.2 m para as condições referidas anteriormente), isto apesar dos caudais envolvidos serem menores nesta coluna. A razão altura/diâmetro deverá ser, como tal, substancialmente inferior à da coluna anterior (cerca de 6). Isto resulta desta segunda coluna operar a uma pressão inferior à atmosférica (pensa na explicação para este facto).

Na Figura 20 apresenta-se o perfil de temperaturas para esta segunda coluna, verificando-se que esta coluna opera a temperaturas muito superiores à primeira (temperatura do destilado 359.8 ºK e temperatura do resíduo 463 ºK), o que é natural dado ter desaparecido da nova coluna o butano, muito volátil e de ponto de ebulição mais baixo, sendo por outro lado o resíduo constituído quase só por dodecano.

Figura 20: Perfil de temperaturas ao longo da segunda coluna.
Figura 20: Perfil de temperaturas ao longo da segunda coluna.

Em alternativa, também se podiam retirar das colunas produtos intermédios para produzir combustíveis com diferentes características (ver esquema da Figura 5 em cima). O Simulador disponível no Portal não está preparado para o projecto de colunas com produtos intermédios ou alimentações múltiplas.

De notar que com a configuração estudada, duas colunas em série, a “gasolina” produzida representa apenas 54.5% da alimentação (caudal de destilado da segunda coluna 54530 mol/h para 100000 mol/h de alimentação). De facto, no resíduo da segunda coluna, essencialmente dodecano, o qual não deve entrar em percentagem significativa na formulação da gasolina, perde-se 40.6% da alimentação. Daí que, nas Unidades Petroquímicas, estas correntes ricas em compostos pesados sejam sujeitas ao cracking para se produzirem mais hidrocarbonetos de menor peso molecular, os quais serão, então, incorporados também na gasolina (Figura 5).

Para o projecto de colunas para separar outras misturas com componentes diferentes dos indicados em cima vai a Processos Químicos/ Separações e Operações Unitárias/Destilação/Simulação Interactiva .

Neste Portal existem também outros Simuladores para projectar outros Processos de Separação .

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Destilação de Biocombustíveis

Também na produção dos combustíveis ditos verdes, os Biocombustíveis, as operações de separação e purificação são etapas essenciais no processo de fabrico, em particular a separação por Destilação. É o que acontece por exemplo na produção de Bioetanol (CH3 CH2 OH), o álcool resultante da fermentação de um açúcar, que também tem de ser destilado para ficar com a pureza necessária à combustão em motores.

Figura 9: Etanol, C2H6O - fórmula IUPAC e representação 3D (carbono, hidrogénio e oxigénio).
Figura 21: Etanol, C2H6O - fórmula IUPAC e representação 3D
(carbono, hidrogénio e oxigénio).

É de notar que a energia produzida na combustão dos álcoois é menor do que a produzida na combustão de hidrocarbonetos de cadeia equivalente.

Tabela 5: Poder energético de vários compostos.

CompostoPoder Energético (KJ/mol)Poder Energético (KJ/kg)
Hexano416348400
Octano547048000
Decano677847700
Metanol72622700
Etanol140030400

Podes usar também o Simulador para o projecto de uma coluna de destilação para purificar o bioetanol proveniente da fermentação de açúcares, de forma a obter o combustível com a pureza desejada (normalmente 95% molar de etanol).

Considera que a corrente que sai do fermentador tem a seguinte composição (depois de terem sido retirados os sólidos):

 Etanol - 15% molar
 Água - 85% molar

Tem em atenção que a mistura etanol+água tem um azeótropo (89.4% etanol+10.6% de água, à pressão atmosférica). Assim, deves tentar fazer a destilação em duas colunas a pressão diferente (por exemplo 1 atmosfera na primeira coluna e 0.1 atmosferas na segunda), sendo o destilado da primeira coluna a alimentação da coluna 2, de forma a conseguir-se ultrapassar, nesta segunda coluna, o ponto azeotrópico, e produzir o etanol com a composição desejada (95% molar de etanol). Vê esquema em baixo. Vê também o exemplo Etanol/Água na secção Processos Químicos/ Separações e Operações Unitárias/Destilação/Aplicações e Casos de Estudo .

Na primeira coluna separamos a maior parte da água e, na segunda coluna, para além de produzirmos o etanol com a composição desejada (≈95% molar de etanol), ainda se obtém um resíduo rico em água, mas com um teor de etanol superior ao da alimentação inicial e que pode ser adicionado a esta na primeira coluna.

Tratar toda a alimentação numa coluna de vazio (0.1 atmosferas, por exemplo), ficaria mais caro quer em termos energéticos quer em termos de investimento, porque esta coluna teria de ter um diâmetro muito elevado.

Figura 22: Esquema de um sistema de duas colunas de destilação para produção de etanol com 95% de pureza (composição superior à do azeótropo atmosférico).
Figura 22: Esquema de um sistema de duas colunas de destilação para produção de etanol com 95% de pureza (composição superior à do azeótropo atmosférico).

Na produção de Biodiesel, o qual resulta da reacção de um óleo vegetal (Triglicerídeos) com um álcool (Transesterificação), o produto da reacção, um éster metílico ou etílico (como por exemplo o etilestearato, ver Figura 23), também tem de ser destilado para ficar com a pureza desejada.

Figura 10: Fórmulas de Triglicerídeos e Mono ésteres do Biodiesel.
Figura 23: Fórmulas de Triglicerídeos e Mono ésteres do Biodiesel.

Biodiesel

O biodiesel pode ser utilizado como combustível puro ou como complemento ao diesel obtido a partir do petróleo.

Na Figura seguinte apresenta-se um estudo sobre a utilização mundial de energia (1980 a 2030), discriminando os diferentes tipos de energia (fóssil, renováveis e nuclear).

Figura 11: Utilização mundial de energia em função do tipo de energia – 1980 a 2030.
Figura 24:  Utilização mundial de energia em função do tipo de energia – 1980 a 2030

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Referências

1.  http://www.setlaboratories.com/overview.htm (4-01.2008) .
2.  http://www.kcpc.usyd.edu.au/discovery/9.2.1/9.2.1_Unleaded.html (4-01.2008) .

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Outras Fontes de Informação 

Petróleo:
http://www.setlaboratories.com/overview.htm
http://www.energyinst.org.uk/education/coryton/page7.htm
http://encarta.msn.com/text_761576221___0/Petroleum.html
http://encarta.msn.com/text_761559518___0/Gasoline.html
http://encarta.msn.com/text_761579268___0/Hydrocarbons.html
http://science.howstuffworks.com/oil-refining.htm
http://canadaconnects.ca/chemistry/10103/
http://canadaconnects.ca/chemistry/10104/

Biocombustíveis:
http://en.wikipedia.org/wiki/Biodiesel
http://www.biodieselcommunity.org/howitsmade/
http://en.wikipedia.org/wiki/Biofuels
http://www.kcpc.usyd.edu.au/discovery/9.2.3/

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