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QUÍMICA GERAL AULA 6 Prof. Marcos Baroncini Proença 2 CONVERSA INICIAL Nas aulas anteriores, vimos conceitos de química geral com algumas aplicações, desde átomo, tipos de ligações químicas com seus efeitos nas propriedades dos materiais de engenharia, tabela periódica, até estequiometria de reações químicas e eletroquímica. Nesta aula, vamos apresentar algumas aplicações da química geral, dentro de temas que você certamente encontrará em sua vida profissional e em discussões atuais. Os seguintes assuntos serão apresentados: 1. Corrosão industrial. 2. Combustão e combustíveis. 3. Química ambiental. Bons estudos TEMA 1 – CORROSÃO INDUSTRIAL Segundo o boletim informativo da Associação Brasileira de Galvanização (ABGALVA) de 2017, cerca de 20% da produção mundial de ferro e aço é perdida com a corrosão. Neste mesmo boletim, foi comentado que um estudo da empresa norte- americana CCTechnologies avaliou que de 1% a 5% do produto interno bruto (PIB) dos países industrializados são consumidos pela corrosão. Segundo o IBGE, o PIB do Brasil em 2017 foi de R$ 6,6 trilhões. Fazendo um cálculo pela média de 1% a 5% , ou seja, usando 3% do PIB por estimativa, só em 2017 foram gastos no Brasil R$ 198 bilhões em manutenções corretivas devido a corrosão. Medidas preventivas e preditivas de manutenção contra a corrosão podem levar a uma diminuição do valor consumido em até 25%, o que representaria em 2017 uma economia aos diversos setores industriais em torno de R$ 49,5 bilhões. Para medidas preventivas, é importante que o engenheiro responsável esteja atento à identificação dos tipos de corrosão e tenha noções de como pode preveni-las ou mesmo corrigir as condições que possam estar levando ao processo de corrosão identificado. 3 1.1 Definição e conceitos básicos de corrosão Podemos afirmar que a corrosão industrial é a degradação de estruturas, elementos de máquinas, equipamentos e tubulações feitos de materiais metálicos ou não metálicos, ocasionada por qualquer ação química, física ou físico-química originada por um processo industrial ou pela atmosfera à qual estejam sendo expostos. Para materiais metálicos, a corrosão nada mais é que o processo inverso ao metalúrgico. No processo metalúrgico, por aplicação de uma elevada energia, ocorre a redução do minério, separando o metal dos óxidos ou carbonatos ligados a ele, transformando-o em um metal puro. A elevada energia, na forma de altas temperaturas em fornos, é requerida por ser um processo que não é espontâneo. No processo corrosivo, oxigênio, gás carbônico e íons negativos presentes no meio se ligarão ao metal puro, fazendo com que este retorne à condição, principalmente, de óxido ou carbonato do metal, que precipitará para o meio ao qual estará exposto. Esse processo não requer aplicação de qualquer energia, uma vez que é espontâneo. Figura 1 – Representação comparativa entre processo metalúrgico e processo de corrosão 4 Citando como exemplo o ferro, temos que em seu estado de menor energia é encontrado nos minérios hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4) e siderita (FeCO3). As reações de redução desses minérios são: • Hematita na presença de monóxido de carbono (CO): Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 • Magnetita na presença de monóxido de carbono (CO): Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2 FeO + CO Fe + CO2 • Pirita por calcinação (830°C): FeCO3 FeO + CO2 FeO + CO Fe + CO2 As reações de corrosão ocorrem exatamente da forma inversa da metalurgia. Assim: • Ferro puro para hematita: 2Fe + 3CO2 Fe2O3 + 3CO Os demais seguem o mesmo raciocínio. 1.2 Custos da corrosão e identificação de suas formas Uma das principais razões para o crescimento do interesse na inibição da corrosão industrial está na minimização dos custos que representa para a indústria, o que, no mercado competitivo de hoje, representa muito em termos de competitividade. Com relação aos custos, a corrosão leva a custos diretos e indiretos. Como custos diretos, podemos citar substituição das peças ou equipamentos que sofreram corrosão, incluindo nesses custos a mão de obra e o consumo de insumos, os custos com afastamentos de funcionários por lesões ou intoxicações provocadas por danos às instalações industriais e os custos de manutenção dos processos de proteção através da reposição de anodos de sacrifício, recobrimento de pinturas industriais e manutenção de sistemas de proteção por corrente catódica. Como custos indiretos, podemos citar os custos relativos às paralisações não programadas para manutenção corretiva dos danos provocados por falhas 5 devido à corrosão, bem como o start das plantas produtivas, a perda ou o atraso na entrega de produtos, a reposição de funcionários no período de afastamento daqueles que sofreram afastamento por acidentes de trabalho, a perda na eficiência de equipamentos e bombas, as perdas por contaminação de insumos e produtos, as multas ambientais e outros. Além disso, a corrosão deve ser inibida, muitas vezes, não especificamente em função dos custos diretos ou indiretos a ela relacionados, mas pelos riscos à sociedade. Por exemplo, os danos provocados por corrosão podem levar a fraturas repentinas de partes críticas em meios de transportes como aviões, trens, automóveis, caminhões e navios, em obras civis como prédios, viadutos e pontes, causando desastres e perdas de vidas humanas. Também podem levar a problemas ou mesmo interrupção de fornecimento de água e energia elétrica ou ainda em sistemas de comunicação, gerando diversos transtornos à sociedade e, principalmente, podendo levar a desastres ecológicos muitas vezes de proporções irrecuperáveis. Figura 2 – Navio totalmente tomado pela corrosão em uma praia Assim, o engenheiro deve sempre estar atento aos problemas de corrosão, identificando o tipo de corrosão, tendo noção de sua severidade e das formas de inibir tal corrosão. Portanto, passaremos agora a identificação, severidade e formas de inibição. Existem nove tipos principais de corrosão que ocorrem frequentemente em processos industriais: corrosão superficial ou uniforme, corrosão por placas, alveolar e por pite, corrosão galvânica ou bimetálica, corrosão seletiva, corrosão por erosão e cavitação, corrosão sob tensão, corrosão microbiológica e corrosão por hidrogênio. 6 1.2.1 Corrosão superficial ou uniforme É a forma mais comum de corrosão. É normalmente originada pela reação química e/ou eletroquímica que ocorre uniformemente em toda a superfície de um metal exposta a um meio agressivo. O metal vai perdendo continuamente espessura de uma forma uniformemente distribuída ao longo de sua superfície. Normalmente é de baixa penetração e só afeta as propriedades de uma forma mais significativa em um tempo próximo ao da vida útil do equipamento ou da instalação industrial. Essa corrosão pode ser ou não acompanhada por outro tipo de corrosão, originada por produtos da reação do meio agressivo com a superfície exposta. A corrosão superficial pode ser inibida por seleção de materiais mais resistentes ao meio agressivo, pintura industrial, revestimento ou proteção catódica por anodo de sacrifício. Figura 3 – Corrosão superficial 1.2.2 Corrosão por placas, alveolar e por pite Na medida em que a superfície de corrosão fica menor, por concentração da corrosão em regiões menores, por diferença nas composições químicas ou por tensões internas geradas por tratamentos térmicos ou processos de fabricação, a profundidade da corrosão vai aumentando, chegando ao ponto de perfurar a parede da chapa ou da tubulação. Assim, de uma forma decrescente com relação à superfície de corrosão e crescente sobre a profundidade de corrosão, teremos: • Corrosão em placas:não ocupa mais toda a extensão da superfície, mas ainda tem grande área de concentração e baixa profundidade. Figura 4 – Corrosão em placas na superfície interna de vaso de refinaria 7 • Corrosão alveolar: ocupa uma extensão pequena da superfície, produzindo sulcos mais profundos que o da corrosão em placas, de fundo arredondado, cujo diâmetro é maior que a profundidade. Figura 5 – Corrosão alveolar • Corrosão por pite: é a forma de corrosão mais agressiva e mais difícil de controlar. Sua identificação é muito trabalhosa e geralmente ocorre apenas em função da detecção de vazamentos em tubulações ou vasos. É de diâmetro de dimensões pontuais e profundidade que transpassa a espessura da chapa ou da parede da tubulação. É o tipo de corrosão que ocorre em aços inoxidáveis. 8 Figura 6 – Corrosão por pite A exemplo da corrosão superficial, essas corrosões podem ser inibidas por seleção de materiais mais adequados ao meio agressivo, pintura industrial, revestimento ou proteção catódica por anodo de sacrifício ou corrente impressa. 1.2.3 Corrosão galvânica Este tipo de corrosão ocorre pela diferença de potencial de oxirredução que usualmente existe entre dois metais em um meio condutor. Se os dois metais forem colocados em contato, a diferença de potencial entre eles vai provocar um fluxo de elétrons entre o metal de menor eletroafinidade para o de maior eletroafinidade. O metal de maior eletroafinidade vai tornar-se anódico, agindo como o catodo de uma célula eletroquímica, sendo que o de menor eletroafinidade se tornará catódico, agindo como anodo da pilha. O catodo sofrerá uma mínima corrosão, e o anodo, a máxima corrosão. Assim, haverá uma deterioração acelerada do metal de menor eletroafinidade. Figura 7 – Corrosão galvânica acelerada de arruela e chapa por contato com parafuso de maior eletroafinidade 9 Também pode ocorrer em frestas ou por aeração diferencial em tanques ou em tubulações submersas. No primeiro caso, pode haver uma concentração de eletrólitos nas frestas e, por condensação e umidade, gerar uma pilha eletroquímica. No segundo caso, é a diferença de concentração de oxigênio que gera a pilha eletroquímica. Figura 8 – Corrosão em fresta 1.2.4 Corrosão seletiva É um tipo de corrosão localizada, na qual regiões ou componentes de ligas metálicas são atacados. Os tipos mais comuns são: corrosão intergranular (sensitização), corrosão em zonas termicamente afetadas, descarbonetação em aços comuns e dezincificação de latões. É um processo caracterizado pela formação de áreas de precipitação de elementos de liga em defeitos da estrutura cristalina dos metais, principalmente após processos de soldagem, formando áreas anódicas que sofrem corrosão preferencial do meio agressivo, provocando a precipitação desses elementos de liga e a formação de áreas de corrosão localizada. Pode-se controlar essa corrosão por tratamentos térmicos que permitam uma difusão dos elementos de liga, de tal forma que fiquem o mais uniformemente distribuídos possível. A seleção mais adequada da liga metálica também evita esse tipo de corrosão. 10 Figura 9 – Corrosão em zona termicamente afetada Figura 10 – Sensitização Figura 11 – Dezincificação Fonte: Berkeley Research Company. Figura 12 – Descarbonetação Fonte: Belzona. 11 1.2.5 Corrosão por erosão e cavitação Corrosão dita por erosão é a aceleração da deterioração de um metal devido à abrasão de um fluído agressivo. Também está associada ao desgaste provocado em paredes de vasos e em dutos de transporte de sólidos. Em muitos casos, as falhas decorrentes desse tipo de corrosão ocorrem em um curto espaço de tempo, em espacial para casos nos quais não foram previstos os efeitos de abrasão para regime de escoamento turbulento de fluidos, tendo sido realizados ensaios de deterioração apenas em condições de escoamento de fluidos em regime laminar. Esse tipo de corrosão ocorre bastante em indústrias de cimento. Também pode acontecer um tipo específico desse tipo de corrosão chamado de cavitação. A corrosão por cavitação ocorre principalmente em turbinas hidráulicas e hélices de bombas centrífugas. Seu mecanismo consiste na produção de bolhas de ar ou vapor que ficam aderidas nas paredes da superfície do material. Por diferença de pressão gerada por elevada velocidade de movimento do fluido ou da superfície do sólido, ocorrem colapsos nas bolhas, que implodem e geram uma onda de choque. A onda de choque vai fazer escavações na superfície dos sólidos, gerando cavidades. Pode-se diminuir o efeito desse tipo de corrosão pela seleção de materiais mais resistentes, por recobrimentos superficiais e por alterações em projetos visando diminuir a turbulência em escoamentos. Figura 13 – Corrosão por erosão Fonte: The Multimedia Corrosion Guide. 12 Figura 14 – Corrosão por cavitação Fonte: The Multimedia Corrosion Guide. 1.2.6 Corrosão sob tensão É uma corrosão onde os efeitos da ação do meio agressivo e da fadiga por tensão são associados. É um dos tipos de corrosão mais incidentes principalmente em indústrias químicas e refinarias de petróleo. Normalmente, essa corrosão se inicia como corrosão química ou eletroquímica e, em função dos esforços mecânicos a que a superfície está exposta, gera microtrincas que se juntam e levam ao colapso da estrutura por fratura. As microtrincas ocorrem ao redor dos grãos de estrutura cristalina ou atravessam esses grãos. No caso de ser nos contornos, é chamada corrosão sob tensão intergranular; e, no caso de atravessar o grão, é chamada corrosão sob tensão transgranular. As consequências desse tipo de corrosão são frequentemente sérias, pois levam à ruptura de tubulações, vasos ou instalações. O método mais comum de se controlar esse tipo de corrosão é por proteção catódica e por inspeções contínuas por métodos não destrutivos, como por sensoriamento por UV e por potenciômetros. Figura 15 – Corrosão intergranular e transgranular Intergranular Transgranular 13 1.2.7 Corrosão microbiológica A corrosão ocorre quando os micro-organismos produzem substâncias corrosivas, originadas em seu processo digestivo, como ácidos, álcalis e sulfatos, que transformam um meio inerte em agressivo pela presença de ácidos ou álcalis. Está presente em equipamentos de digestão aeróbica e anaeróbica, bem como no solo, em dutos, vasos e equipamentos de indústrias de alimentos e outros. A eliminação do micro-organismo é difícil de ser conseguida em solos ou sistemas fechados, mesmo que se identifique bem o micro-organismo. O método mais comum de se controlar esse tipo de corrosão é inibindo a atividade metabólica do micro-organismo, modificando as características do meio de forma que se torne inóspito ao seu desenvolvimento, usando revestimento e através da seleção de material mais adequado. Figura 16 – Corrosão microbiológica Fonte: <http://www.bushman.cc/photos/Another_AST_Bacterial_Corrosion_Problem.jpg>. 1.2.8 Corrosão por hidrogênio É um tipo de corrosão cada vez mais em evidência, em função do uso do hidrogênio como combustível em motores a combustão ou em células de combustível para motores elétricos. Esse tipo de corrosão já vem provocando danos em indústrias petrolíferas e químicas. É caracterizada por empolamentos, que levam a microfissuras e ao comprometimento das propriedades mecânicas dos equipamentos. O mecanismo dessa corrosão consiste na união de hidrogênio atômico a outro em um defeito de estrutura do material, gerando o hidrogênio molecular. A 14 molécula de hidrogênio é muito maior que um átomo de hidrogênio, o que a faz ficar presa na estrutura cristalina. Quanto mais moléculas de hidrogênio se juntam, maisaumenta a pressão localizada, que levará ao empolamento e, posteriormente, à trinca. O método mais comum de se controlar esse tipo de corrosão é por inibidores e controle de processos, pois geralmente o hidrogênio é gerado durante o próprio processamento, além de revestimento e seleção de materiais. Figura 17 – Empolamento e trinca por hidrogênio 1.2.9 Corrosão filiforme e incrustração Corrosão filiforme é o tipo de corrosão que acontece em superfícies metálicas revestidas com tintas, por proteção com pintura industrial ou com recobrimento por deposição galvânica. Pequenas fissuras nas tintas fazem permear os agentes corrosivos que levam ao aparecimento de finos filamentos, não profundos, que se propagam em diferentes direções. A melhor forma de inibir essa corrosão é por inspeção e manutenção contínua da pintura industrial ou da deposição galvânica. Figura 18 – Corrosão filiforme 15 Fonte: David Scott. Incrustação ocorre pela concentração de sólidos que se formam no interior de tubulações ou equipamentos devido à precipitação de substâncias dissolvidas na água. É muito comum em caldeiras, tubulações de trocadores de calor e torres de resfriamento. Quanto maior é a temperatura, mais fácil é a precipitação e maior é o problema da incrustação. A incrustação pode levar ao estrangulamento da tubulação, impedindo a circulação de água ou vapor, podendo gerar pressões que levam à explosão de caldeiras. Também age como uma barreira isolante, reduzindo a eficiência dos trocadores de calor. Figura 19 – Corrosão por incrustação Fonte: Bryan Hose & Gasket. TEMA 2 – COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEIS Combustíveis são sólidos, líquidos ou gases que reagem com o oxigênio gerando energia suficiente para aproveitamento industrial. Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível gerando energia. Os principais elementos químicos que constituem um combustível são carbono (C) e hidrogênio (H), os quais reagem com oxigênio, formando gás carbônico (CO2) e água (H2O), respectivamente. A equação geral da combustão é: Combustível + comburente gás carbônico + água O comburente é o oxigênio. Repare que, para a reação de combustão acontecer, é necessário que se aplique energia ao sistema. Como já visto, temos combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Os combustíveis sólidos mais usados na indústria são o carvão mineral e o carvão 16 vegetal, mas cresce o uso de uma mistura de casca, cavacos, bagaço de cana e serragem de madeira, chamada de biomassa. 2.1 Carvão O carvão é um combustível amplamente usado na indústria, principalmente siderúrgica, cuja composição é quase exclusivamente de carbono (C). É obtido por mineração, quando é o carvão mineral oriundo de processos geológicos, ou do processo de carbonização de madeira, normalmente pinho ou eucalipto. Cabe ressaltar aqui que o saldo no crédito de carbono para a geração de carvão vegetal é positivo. A reação de combustão do carbono é: Carvão + O2 CO2 + H2O Com relação ao carvão, devemos analisar os dois tipos usados industrialmente para geração de energia, que são o carvão mineral e o carvão vegetal. O carvão mineral é resultado do mesmo processo que gera o petróleo. Porém, neste caso, há uma absorção do líquido pelo solo poroso. Sob condições de pressão e temperatura, é formado em uma rocha em vez de líquido betuminoso. Assim, forma-se o carvão betuminoso, cuja composição principal é de cerca de 50% em massa de carvão (C), 6% de hidrogênio (H) e 44% de oxigênio (O). É usado como combustível em fornos de siderurgia, fábricas de cimento e termoelétricas, e também é usado na produção de explosivos. O calor específico liberado pela reação de combustão do carvão mineral é: Carvãomin + O2 CO2 + H2O cp = 32 kJ/kg O carvão vegetal é resultado do processo de carbonização da madeira em fornos de carvoarias. Nesses fornos, o ar quente é insuflado e promove a carbonização da madeira a aproximadamente 400 °C. No Brasil, representa aproximadamente 75% da quantidade de carvão usado nas siderúrgicas. Com relação aos problemas ambientais, o balanço de carbono na produção do carvão vegetal é positivo, pois as árvores plantadas para a produção absorvem a emissão de CO e de CO2 do processo de carbonização e 17 fixam o carbono no solo. Antigamente, havia problemas ambientais em função do uso de árvores nativas para a produção do carvão vegetal. Hoje, são plantadas árvores, principalmente pinus e eucalipto, para essa finalidade, sem comprometer a biota da região. O calor específico liberado na queima do carvão vegetal é: Carvãoveg + O2 CO2 + H2O cp = 34 kJ/kg 2.2 Gasolina, diesel e querosene A gasolina é um combustível não renovável, composto basicamente de hidrocarbonetos que possuem de 6 a 10 átomos de carbono. Assim, a composição química da gasolina pode variar. Para o cálculo estequiométrico, é comum considerar que a gasolina tem oito átomos de carbono. É o combustível mais usado em veículos automotivos, por apresentar baixo ponto de combustão e elevada energia em sua queima. A qualidade da gasolina é medida pelo índice de octanagem ou índice de octanas, que é a medida de resistência à compressão na câmara de combustão. A resistência interfere na eficiência da câmara de combustão, pois uma baixa resistência leva a uma explosão prematura na câmara, diminuindo a energia gerada. Com relação à resistência, foi descoberto que o isoctano tem a maior, e o heptano tem a menor. Assim, é atribuído o valor 100 de índice de octanagem para o isoctano e 0 para o heptano. Portanto, uma gasolina com índice de octanagem 80 apresenta uma resistência à compressão equivalente a uma mistura de 80% de isoctano e 20% de heptano. Muito embora haja uma movimentação com relação a sua substituição, por ser um combustível não renovável derivado do petróleo, ainda vêm sendo encontradas jazidas de petróleo, como o pré-sal, que garantem uma boa sobrevida à gasolina. É efetivamente esse combustível que move toda a indústria petrolífera, o que o torna a maior fonte de renda das refinarias. O calor específico liberado na queima da gasolina é: 2 C8H18 + 25 O2 16 CO2 + 18 H2O cp = 48 kJ/kg O querosene é também um combustível derivado do petróleo, e sua temperatura de obtenção na coluna de craqueamento catalítico do petróleo fica entre a da obtenção da gasolina e a de obtenção do diesel. É uma combinação complexa de hidrocarbonetos alifáticos, naftênicos e aromáticos e possui um 18 número de carbonos no intervalo de 9 a 16. Assim, é comum considerar para o cálculo estequiométrico que o querosene tem 13 átomos de carbono. Foi o primeiro produto da refinação do petróleo com valor comercial, pois era usado em iluminação pública e residencial em lamparinas, lampiões e arandelas. Hoje, seu grande uso é como combustível de aeronaves. O calor específico liberado na queima do querosene é: C13H28 + 20 O2 13 CO2 + 14 H2O cp = 43 kJ/kg O diesel é um combustível não renovável derivado do petróleo, cuja característica principal é ter elevada compressibilidade. Além de sofrer explosão espontânea por compressão nas câmaras de combustão, é um combustível de alta taxa de compressão, o que resulta em uma elevada eficiência na conversão da energia da combustão na energia cinética que movimenta o pistão. A exemplo da gasolina e do querosene, também é formado por uma mistura complexa de hidrocarbonetos, com 15 a 18 átomos de carbono. Assim, o usual é considerar diesel com 17 carbonos para cálculos estequiométricos. Devido a sua alta na conversão da energia de combustão em energia cinética que movimenta o pistão, é usado em motores que exigem elevados torque e potência, como osde caminhões, ônibus, embarcações marítimas, locomotivas, máquinas de grande porte e também é usado em geradores de energia estacionários. Como o Brasil é um país cujo transporte de mercadorias é majoritariamente rodoviário, o diesel é o combustível mais usado, representando hoje aproximadamente 45% do consumo dos combustíveis derivados do petróleo. Atualmente, o diesel é classificado pela ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) pelo seu teor de enxofre e por ter ou não adição de biodiesel. O diesel classificado como do tipo A não contém biodiesel em sua composição; o classificado como do tipo B possui biodiesel em sua composição. Ainda, além de A ou B, tem uma subclassificação em função do teor de enxofre: • Óleo diesel A S10 e B S10: possui teor de enxofre máximo de 10 mg/kg. • Óleo diesel A S500 e B S500: possui teor de enxofre máximo de 500 mg/kg. 19 • Óleo diesel A S1800 e B S1800: possui teor de enxofre máximo de 1800 mg/kg. O calor específico liberado na queima do querosene é: C15H32 + 23 O2 15 CO2 + 16 H2O cp = 51 kJ/kg 2.3 Gás natural, GLP e hidrogênio Gás natural é uma substância composta cerca de 70% de metano (CH4), mas também de etano (C2H6) e com uma fração não maior que 2% de propano (C3H8). O gás natural pode ser encontrado dissolvido no petróleo ou sob a forma de uma capa de gás junto com petróleo. Neste caso, o gás é usado para manter a pressão do reservatório para facilitar a extração. Também é encontrado livre do óleo e da água no reservatório, extraído na forma de gás natural. É um gás inodoro e incolor, mas também mais leve que o ar. Assim, não é comercializado com aditivos para identificar vazamentos, pois rapidamente se dissipa para a atmosfera. O gás natural vem sendo usado para a geração de energia termelétrica e como combustível de fornos e caldeiras industriais. Além disso, pode ser usado na produção de plásticos, tintas, fibras sintéticas e borracha. Também vem sendo aproveitado como combustível veicular e distribuído em gasodutos para consumo em residências e no comércio. Para efeito de cálculo, assumimos que o gás natural é constituído basicamente de metano (CH4). Assim, o calor específico liberado na queima do gás natural é: CH4 + O2 CO2 + 2 H2O cp = 49 kJ/kg O gás liquefeito de petróleo (GLP) é composto por butano (C4H10) e propano (C3H8) praticamente na mesma quantidade. Esse gás é tóxico e mais pesado que o ar. Assim, para sua comercialização, é adicionado um composto à base de enxofre, para ser identificado em casos de vazamento. O GLP pode ser produzido em refinarias pelo craqueamento catalítico do óleo bruto que chega a elas. Após produção pelo craqueamento, o GLP é armazenado em vasos de pressão denominados esferas de GLP. Das refinarias, segue por dutos 20 para as distribuidoras, onde é envasado na forma líquida em botijões na correspondente pressão de vapor. O tipo de botijão mais consumido no Brasil é o de 13 kgf de pressão. O calor específico liberado na queima do GLP é: 2 C4H10 + 2 C3H8 + 23 O2 14 CO2 + 18 H2O cp = 47 kJ/kg O hidrogênio (H) é o mais abundante dos elementos químicos. Nas estrelas como o Sol, está presente na sua forma elementar. No nosso planeta, raramente se apresenta dessa forma, tendo sido produzido a partir do gás natural. Também pode ser obtido por meio da eletrólise da água e gerado em hidroelétricas. Vem sendo cada vez mais usado como combustível, diretamente em motores a combustão ou indiretamente em células de combustível. Tem ainda como principal uso a produção de amoníaco destinado à produção de fertilizantes. Na área aeroespacial, é usado como combustível de foguetes. Um dos principais problemas de seu uso está no armazenamento, pois gera deterioração denominada de dano por hidrogênio por sua solubilização nas estruturas metálicas. Há estudos para o retorno de seu uso em balões infláveis chamados dirigíveis, como os idealizados pelo conde alemão Ferdinand Von Zeppelin, sendo por isso conhecidos como zeppelins. Porém, o uso desses balões não seria para transporte comercial de passageiros, mas como cruzeiros de luxo, projeto idealizado pela empresa britânica Seymourpowell. O calor específico liberado na queima do hidrogênio é: 2 H2 + O2 2 H2O cp = 142 kJ/kg 2.4 Biomassa, álcool combustível, biodiesel e biogás A biomassa é obtida através de uma variedade de recursos renováveis, como plantas, madeira, resíduos agrícolas e até lixo. Hoje, podemos citar como suas maiores fontes os resíduos da indústria madeireira, envolvendo fábricas de painéis de compensados, de celulose e papel, de móveis e de carvão vegetal. A biomassa mais usada de resíduo da agroindústria é o bagaço de cana da indústria de açúcar e álcool. Seu principal uso é como combustível de caldeiras e secadores industriais, com crescente utilização na geração de energia por termoelétricas. 21 Para efeitos de estequiometria, é usual considerar a biomassa com a mesma composição da lenha, ou seja, composta de celulose, hemiceluloses e lignina. Assim, vai gerar a mesma energia na queima que a lenha. Portanto, o calor específico liberado na queima da biomassa é: 2C6H10O5 + 2 C5H8O4 +2 C9H6-O2-H2O-OCH3 + 87 2 O2 42 CO2 + 29H2O cp = 18 kJ/kg Celulose + hemicelulose + lignina + oxigênio gás carbônico + água Álcool combustível é um combustível renovável produzido majoritariamente a partir da cana-de-açúcar, mas também obtido da madeira, da beterraba, da batata e da mandioca. Seu uso é como combustível para veículos automotivos, e seu auge foi no período da crise do petróleo da década de 70. Com a queda no preço do barril de petróleo e o surgimento de outras formas de combustíveis e motores híbridos, seu uso vem sendo drasticamente diminuído. Há dois tipos de álcool combustível: o metanol e o etanol. O metanol (CH3OH) é um álcool combustível produzido pela destilação de componentes do carvão vegetal e no Brasil é usado principalmente para produção do biodiesel, participando da reação de transesterificação. Devido a sua grande toxicidade, deixou de ser usado como combustível para veículos automotivos e hoje é usado só para carros de corrida. O calor específico liberado na queima do metanol é: 2CH3OH +3 O2 2CO2 + 4 H2O cp = 46 kJ/kg O etanol (CH3CH2OH) é um álcool combustível produzido pela destilação de componentes da cana-de-açúcar e também a partir de batata e beterraba. No Brasil, é usado principalmente como combustível ou é adicionado à gasolina para aumentar sua octanagem. O calor específico liberado na queima do etanol é: CH3CH2OH + 3O2 2CO2 + 3 H2O cp = 42 kJ/kg O biodiesel é um combustível renovável composto por ésteres de ácidos graxos, produzido a partir de óleos vegetais ou de gordura animal através de uma reação chamada de reação de transesterificação. Vem sendo cada vez mais usado no mundo em substituição ao diesel. No Brasil, é adicionado ao diesel usado pelos ônibus, caminhões, tratores e utilitários numa proporção de até 10% em volume desde março de 2018, e este percentual, a partir de 2019, poderá atingir até 15%. Sua fórmula química é complexa, pois depende dos ácidos 22 graxos que foram usados para sua obtenção. A energia que libera em sua combustão é muito próxima da energia liberada pelo diesel, e em alguns casos é até um pouco superior, pois apresenta em sua composição resíduo de metanol usado na reação de transesterificação, o que aumenta a octanagem. Assim, podemos considerar que o calor específico gerado por sua queima é de aproximadamente 51 kJ/kg. O biogás é um combustível renovável formado pela decomposição anaeróbica de matéria orgânica. É formado quase exclusivamente de gásmetano (CH4) e contém também, em proporções bem menores, o gás carbônico (CO2) e o gás sulfídrico (H2S). Sua produção ocorre naturalmente pela decomposição da matéria orgânica no solo, em aterros sanitários e em equipamentos de digestão especialmente construídos para esta finalidade, chamados de biodigestores. Para fins de cálculos estequiométricos, consideramos o biogás como constituído apenas por metano (CH4). Portanto, o calor liberado pela sua combustão é considerado igual ao do metano, ou seja, de 49 kJ/kg. TEMA 3 – QUÍMICA AMBIENTAL Química ambiental é a área da química que tem por objetivo conhecer todos os processos químicos que interferem na natureza, sejam espontâneos ou provocados por alguma interferência humana. É sabido que o aumento da população humana, junto com o contínuo avanço da tecnologia que gera aumento na produção de bens de consumo, vem tendo uma influência cada vez maior na química do meio ambiente. Assim, o engenheiro deve conhecer causas e efeitos ambientais das atividades industriais e de bens e serviços nas quais trabalha. Estudaremos aqui, então, o ciclo do carbono (C), o ciclo do nitrogênio (N), a chuva ácida, o efeito estufa e a influência do clorofluorcarboneto (CFC) na camada de ozônio da atmosfera. 3.1 Ciclo do carbono O carbono está presente no meio ambiente pelo gás carbônico (CO2). O gás carbônico é produzido por reações de combustão, mas também pela 23 decomposição aeróbica de matéria orgânica e pela respiração de plantas e animais. No ciclo do carbono, o CO2 é absorvido pelas plantas clorofiladas e pelas bactérias quimiossintetizantes e utilizado para a formação de celulose e amido. Parte desse gás volta diretamente à atmosfera pela respiração da planta e parte pela combustão ou pela decomposição aeróbica da matéria orgânica. Figura 20 – Ciclo do carbono A vegetação, as florestas e as algas têm um papel fundamental nesse ciclo pela fixação do carbono (C) que promovem no solo. O desmatamento e a crescente emissão de CO2 por reações de combustão vêm gerando um desequilíbrio na concentração desse gás, que vem crescendo numa taxa média de 0,5% ao ano. Isto gera um desequilíbrio no seu ciclo, com sérias consequências para o ecossistema. 3.2 Ciclo do nitrogênio O nitrogênio (N) constitui, estequiometricamente, 78% da nossa atmosfera. Seu ciclo ocorre em duas etapas: a primeira consiste na transformação do nitrogênio gasoso em amônia e nitrato, que são aproveitáveis pelos seres vivos. Essa fase é chamada de fixação e é executada por bactérias, que retiram o nitrogênio do ar e o transformam em produtos que podem ser aproveitados pelos metabolismos dos organismos vivos. A conversão do 24 nitrogênio em amônia, que é importante para a fertilização do solo, também ocorre por fungos. A segunda consiste na desnitrificação, também feita por bactérias, agora chamadas de desnitrificantes, que convertem os nitratos em nitrogênio, o qual volta para a atmosfera e fecha o ciclo. Figura 21 – Ciclo do nitrogênio 3.3 Chuva ácida Atualmente, a chuva ácida é um dos grandes problemas ambientas enfrentados pelos países industrializados. Ela é formada a partir de uma grande concentração de poluentes, em especial o monóxido de nitrogênio (NO) e o dióxido de enxofre (SO2), que são despejados na atmosfera diariamente pela queima de combustíveis fósseis, como carvão mineral, diesel e gasolina. Esses poluentes, em contato com a água presente nas nuvens, geram ácidos, que precipitam para o solo provocando muitos danos ao ecossistema. Um dos danos mais graves é a poluição de fontes de água, por sua permeação no lençol freático. Hoje, principalmente para os países que compõem o BRICS (Brasil, Rússia, Índia, China e África do Sul), houve um aumento significativo nesse tipo de problema. 25 Figura 22 – Chuva ácida 3.4 Efeito estufa O efeito estufa é imprescindível para manter a vida no planeta da forma que conhecemos. Gases como gás carbônico (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4) e outros, chamados gases do efeito estufa, absorvem parte da radiação infravermelha emitida pela superfície da Terra e irradiam uma fração da energia absorvida de volta para a superfície, mantendo nosso planeta com as temperaturas que conhecemos. Estima-se que sem este efeito teríamos temperaturas médias abaixo de 10 ºC negativos, ou seja, 30 °C abaixo do que temos hoje. O grande problema que vem ocorrendo é que as atividades do homem estão acarretando o aumento do efeito estufa. Hoje, afirma-se que a liberação de CO2 (dióxido de carbono) na atmosfera é o grande fator de aumento do efeito, levando ao chamado aquecimento global, com graves consequências para nossos ecossistemas. Estima-se que, diariamente, por queima de combustíveis fósseis, são enviados cerca de 6 milhões de toneladas de CO2 para a atmosfera. O metano (CH4) produzido por decomposição anaeróbica de matéria orgânica é o segundo maior responsável pelo efeito estufa. Demais gases, originados também através da poluição pelas fábricas, refinarias de petróleo e veículos automotivos, também contribuem para esse efeito. 26 Figura 23 – Efeito estufa FINALIZANDO Com os conhecimentos adquiridos nesta Aula 6 e nas aulas anteriores, você agora possui o entendimento da química geral e de algumas de suas aplicações. Esse conhecimento é de grande utilidade e será usado adiante nas disciplinas dos cursos de engenharia e na vida profissional. 27 REFERÊNCIAS ARAGÃO, M. J. História da química. Rio de Janeiro: Interciência, 2008. BELZONA. Disponível em: <http://khia.belzona.com>. BERKELEY RESEARCH COMPANY. Failure analysis case studies. Disponível em: <http://www.berkeleyrc.com/FAcasestudies.html>. Acesso em: 14 maio 2018. BRYAN HOSE & GASKET. Pipe corrosion repair. Disponível em: <http://blog.bryanhose.com/pipe-corrosion-repair/>. Acesso em: 14 maio 2018. DAVID SCOTT. Degradation & surface engineering. Disponível em: <https://davidmjscott88.wordpress.com/corrosion-laboratory/component- investigation/>. Acesso em: 14 maio 2018. GENTIL, V. Corrosão. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. MAHAN, H.; BRUCE M.; MYERS, R. J. Química: um curso universitário. Tradução da 4. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1995. RUSSEL, J. B. Química geral. Vol. 1 e 2. 2. ed. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1994. THE MULTIMEDIA CORROSION GUIDE. Disponível em: <http://www.cdcorrosion.com/mode_corrosion/corrosion_erosion_gb.htm>. THEODORE l. B.; LEMAY JR., E. H.; BURSTEN, E. B. Química, a ciência central. 9. ed. São Paulo: Pearson, 2005. Conversa inicial TEMA 1 – CORROSÃO INDUSTRIAL Segundo o boletim informativo da Associação Brasileira de Galvanização (ABGALVA) de 2017, cerca de 20% da produção mundial de ferro e aço é perdida com a corrosão. Neste mesmo boletim, foi comentado que um estudo da empresa norte-americana CCTechnologies avaliou que de 1% a 5% do produto interno bruto (PIB) dos países industrializados são consumidos pela corrosão. Segundo o IBGE, o PIB do Brasil em 2017 foi de R$ 6,6 trilhões. Fazendo um cálculo pela média de 1% a 5% , ou seja, usando 3% do PIB por estimativa, só em 2017 foram gastos no Brasil R$ 198 bilhões em manutenções corretivas devido a corrosão. Medidas preventivas e preditivas de manutenção contra a corrosão podem levar a uma diminuição do valor consumido em até 25%, o que representaria em 2017 uma economia aos diversos setores industriais em torno de R$ 49,5 bilhões. Para medidas preventiva... Podemos afirmar que a corrosão industrial é a degradação de estruturas, elementos de máquinas, equipamentos e tubulações feitos de materiais metálicos ou não metálicos, ocasionada por qualquer ação química, física ou físico-química originada por um pr... 1.2 Custos da corrosão e identificação de suas formas 1.2.1 Corrosão superficial ou uniforme 1.2.2 Corrosão por placas,alveolar e por pite 1.2.3 Corrosão galvânica 1.2.4 Corrosão seletiva 1.2.5 Corrosão por erosão e cavitação 1.2.6 Corrosão sob tensão 1.2.7 Corrosão microbiológica 1.2.8 Corrosão por hidrogênio 1.2.9 Corrosão filiforme e incrustração TEMA 2 – COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEIS 2.1 Carvão 2.2 Gasolina, diesel e querosene 2.3 Gás natural, GLP e hidrogênio 2.4 Biomassa, álcool combustível, biodiesel e biogás TEMA 3 – QUÍMICA AMBIENTAL 3.1 Ciclo do carbono 3.2 Ciclo do nitrogênio 3.3 Chuva ácida 3.4 Efeito estufa FINALIZANDO REFERÊNCIAS
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