Refino de Petroleo

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Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia – Departamento de Engenharia Mecânica
 
Refino do petróleo
Trabalho de graduação apresentado à disciplina de Tecnologia Química do departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Paraná.
Alunos: Lucas Gomes Fonçatti.
Fabio Ferrari de Sousa Reis.
Lucas Basso Nakabayashi.
Curitiba
10/06/2009
Sumário
1.	Introdução	3
2.	O petróleo	3
2.1	Formação do petróleo	4
2.2	Sondagem do Petróleo	5
2.3	A perfuração	6
2.4	Extração	8
2.5	Transporte do óleo cru	9
3.	Refino	10
3.1	O petróleo a ser refinado	10
3.2	Os processos de refino	11
3.2.1	Destilação Fracionada	11
3.2.2	Craqueamento	13
3.2.3	Reforma	15
3.2.4	Polimerização	15
3.2.5	Alquilação	15
3.2.6	Dessulfurização	16
3.2.7	Dessalinização e Desidratação	16
3.2.8	Hidrogenação	17
3.3	Principais derivados e suas aplicações	17
4.	Meio ambiente	19
5.	Conclusão	19
Referencias	20
Introdução
O presente trabalho apresenta algumas características do petróleo como sua gênese, método de exploração, os diversos processos de refino, bem como vários derivados e produtos e suas aplicações nas indústrias. Apresenta ainda as medidas de controle ambiental aplicáveis a esse tipo de processo produtivo.
O petróleo
Substância oleosa e inflamável, o petróleo é a principal fonte de energia na atualidade. O fato de o mesmo ser um recurso esgotável, aliado ao seu grande valor econômico, fizeram com que o combustível se tornasse um elemento causador de grandes mudanças geopolíticas e socioeconômicas em todo o mundo. 
Acredita-se que o petróleo tenha se formado há milhões de anos em razão da decomposição dos seres que compõem o plâncton, decomposição esta causada pela pouca oxigenação e pela ação de bactérias. Assim, esses seres decompostos teriam se acumulado no fundo dos mares e lagos. 
O Petróleo, em estado natural, é uma mistura de hidrocarbonetos – compostos formados por átomos de carbono e hidrogênio. Além desses hidrocarbonetos, o Petróleo contém, em proporções bem menores, compostos oxigenados, nitrogenados, sulfurados e metais pesados. Todos esses elementos combinam-se de forma infinitamente variável.
Com algumas exceções, as proporções dos elementos (Carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, enxofre, e metais) no petróleo são:
Carbono: 83 à 87%;
Hidrogênio: 10 à 14%
Nitrogênio: 0.1 à 2%
Oxigênio: 0.05 à 1.5%
Enxofre: 0.05 à 6%
Metais (Ni e V): <1000ppm
Essa composição varia dependendo do tipo de petróleo explorado, que são 3:
Parafínica: que são hidrocarbonetos saturados com cadeias abertas, ramificadas ou não, mas sem ciclos na estrutura.
Naftenicas: que são, também, hidrocarbonetos saturados, porem ao contrario da classe parafínica, apresentam estrutura cíclica, com cada uma desses anéis podendo apresentar um radical de cadeia aberta.
Aromática: Hidrocarbonetos de estrutura aromática (anéis benzênicos), contendo um ou mais anéis, e podendo, ou não, apresentar estruturas parafínicas ou naftenicas nas suas extremidades.
Formação do petróleo
O petróleo se formou dos restos de minúsculas plantas e animais (plâncton) que morreram nos mares antigos entre 10 e 600 milhões de anos atrás. Ao longo dos anos, os organismos se decompuseram nas camadas sedimentares, onde havia pouco ou nenhum oxigênio presente.
Assim, os microrganismos quebraram seus restos em compostos ricos em carbono, que formaram camadas orgânicas. Esse material orgânico acabou se misturando aos sedimentos e formando um folhelho finamente granulado, ou rocha geradora. À medida que novas camadas sedimentares foram depositadas, elas exerceram pressão e aquecimento intensos sobre a rocha geradora, proporcionando a destilação do material orgânico em petróleo cru e gás natural. 
Com o passar do tempo, o óleo fluiu da rocha geradora e se acumulou em rochas calcárias ou arenito, chamadas de rocha-reservatório, que sob a ação dos movimentos da Terra aprisionaram o petróleo e o gás natural dentro delas, entre camadas de rocha impermeável ou rocha selante, como granito ou mármore. 
Sondagem do Petróleo
A tarefa de encontrar petróleo é designada aos geólogos, empregados diretamente por uma companhia petrolífera ou sob contrato de uma empresa privada. Sua tarefa é procurar as condições certas para uma "armadilha" (termo usado para designar um buraco de petróleo na rocha) de petróleo: o tipo certo de rocha geradora, rocha-reservatório e aprisionamento. 
Muitos anos atrás, os geólogos interpretavam as características da superfície, de suas rochas, seus tipos de solo e, talvez, algumas pequenas amostras obtidas por perfuração rasa. Os modernos geólogos do petróleo também examinam as rochas superficiais e o terreno com a ajuda adicional de imagens de satélite. No entanto, eles também usam uma variedade de outros métodos para encontrar petróleo. Podem usar sensíveis medidores de gravidade para avaliar pequenas alterações no campo gravitacional da Terra que possam indicar o petróleo fluindo, assim como magnetômetros de alta sensibilidade para medir minúsculas mudanças no campo magnético terrestre causadas pelo fluxo do petróleo. Eles também podem detectar o cheiro de hidrocarbonetos utilizando narizes eletrônicos sensíveis chamados sniffers (farejadores). Por fim, e mais comumente, eles usam a sismologia, criando ondas de choque que passam através das camadas ocultas de rochas e interpretando as ondas que são refletidas de volta para a superfície.
Apesar de os métodos modernos de exploração de petróleo serem melhores do que os anteriores, eles ainda podem ter uma taxa de sucesso de 10% para a localização de novos campos de petróleo. Assim que um impacto com perspectiva de petróleo é encontrado, a localização é marcada por coordenadas de GPS sobre a terra ou por bóias marcadoras sobre a água, e então se inicia o preparo para a perfuração.
A perfuração
Logo que o local é selecionado, precisa ser pesquisado para se determinar seus limites e estudar o impacto ambiental. Acordos de arrendamento, títulos e direito a vias de acesso para a terra precisam ser obtidos e avaliados quanto aos aspectos legais. Para locais em alto-mar, é necessário determinar a jurisdição legal. 
Assim que os assuntos legais são resolvidos, a equipe trata de preparar o terreno: 
o terreno é limpo e nivelado e estradas de acesso são construídas, se necessário; 
como a perfuração utiliza água, é necessário que haja uma fonte nas proximidades. Caso não exista nenhuma fonte natural, um poço de água é cavado; 
a equipe cava um fosso de reserva, que é usado para o descarte dos cortes de rocha e lama da perfuração durante o processo e o forra com plástico para proteger o meio ambiente. Se o local for uma área sensível em termos ecológicos, como um pântano ou região selvagem, os cortes e a lama deverão ser descartados em outros locais com ajuda de caminhões. 
Logo que o terreno estiver preparado, diversos poços secundários precisarão ser escavados para a torre e o poço principal. Um fosso retangular, chamado de escavação, é feito ao redor do local do poço real da perfuração. A escavação proporciona um espaço de trabalho ao redor do poço para os trabalhadores e acessórios de perfuração. A equipe então começa a perfurar o poço principal, freqüentemente com um pequeno caminhão-sonda ao invés de uma torre principal. A primeira parte do poço é maior e mais rasa do que a porção principal e é revestida com uma tubulação de esteio de grande diâmetro. Poços adicionais são escavados na lateral para armazenar temporariamente o equipamento. Quando esses poços são finalizados, o equipamento da torre pode ser trazido e erigido. 
Dependendo de quão remoto é o local da perfuração e seu acesso, o equipamento pode ser transportado até o local por caminhão, helicóptero ou barcaça. Algumas torres são construídas sobre barcos ou barcaças para trabalhar sobre águas interiores onde não há fundações para suportar uma torre (como em pântanos ou lagos). Assim que o equipamento chega ao local, a torre é erigida, e a perfuração começa. 
Extração
Depois que a torre de perfuração é removida, uma bombaé colocada sobre a cabeça do poço.
No sistema de bombeamento, um motor elétrico aciona uma caixa de engrenagens que movimenta uma alavanca. A alavanca empurra e puxa uma vareta polida para cima e para baixo. A vareta polida é fixada a uma vareta de sucção, a qual é fixada à bomba. Esse sistema força a bomba para cima e para baixo, criando uma sucção que aspira o petróleo através do poço. 
Em alguns casos, o petróleo pode ser muito denso para fluir. Então, um segundo poço é cavado no reservatório, onde é injetado vapor sob pressão. O calor do vapor diminui a viscosidade do óleo no reservatório e a pressão ajuda a empurrá-lo para cima no poço. Esse processo é chamado recuperação intensificada de petróleo. 
Com o uso de toda essa tecnologia de perfuração de petróleo e os novos métodos em desenvolvimento, a questão permanece: teremos petróleo suficiente para atender a nossas necessidades? As estimativas atuais sugerem que temos petróleo suficiente para cerca de mais 63 a 95 anos, com base nas descobertas atuais e futuras e nas demandas atuais.
Transporte do óleo cru
Após a prospecção do petróleo bruto é necessário levá-lo para seu local para seu processamento, normalmente uma refinaria. Um dos principais meios de transporte utilizados são os dutos. Estes são classificados em oleodutos (transporte de líquidos), gasodutos (transpor te de gases) , terrestres (construídos em terra) ou submarinos (construídos no fundo do mar) . Outras modalidades de transporte, como o rodoviário e o ferroviário, são ocasionalmente empregados para a transferência de Petróleo e derivados.
Os oleodutos e gasodutos são o meio mais seguro e econômico para transportar grandes volumes de Petróleo, derivados e Gás natural a grandes distâncias. Além disso, o sistema permite a retirada de circulação de centenas de caminhões, economizando combustível e reduzindo o tráfego de veículos pesados nas rodovias. Resultado: melhora- se a circulação, preservam- se as estradas e diminui a emissão de gases tóxicos.
Juntamente com os dutos, existe o transporte naval usado em larga escala principalmente quando a distância a ser percorrida pelo óleo é muito grande, como em casos de viagens trans-continentais. As operações de carga e descarga, neste caso, são feitas em terminais marítimos, que dispõem de facilidades para atracação e sistemas de tubulações e bombas para a transferência da carga transportada, bem como de tanques para seu armazenamento.
Com o transporte, domestico ou internacional, o petróleo é destinado às refinarias, onde ele será processado e refinado para ser usado nos mais diversos tipos de indústrias.
Refino
O refino é constituído por uma série de operações de beneficiamento às quais o Petróleo bruto é submetido para a obtenção de produtos específicos. Refinar Petróleo, por tanto, é separar as frações desejadas, processá-las e transformá-las em produtos vendáveis. Essas operações são efetuadas em um local especial chamado refinaria.
Uma Refinaria é como uma grande fábrica, cheia de equipamentos complexos e diversificados, pelos quais o Petróleo vai sendo submetido a diversos processos para a obtenção de muitos derivados. Refinar Petróleo é, por tanto, separar suas frações, processá-lo, transformando-o em produtos de grande utilidade: os derivados de Petróleo. 
A instalação de uma Refinaria obedece a diversos fatores técnicos, dos quais destacam- se a sua localização nas proximidades de uma região onde haja grande consumo de derivados e/ ou nas proximidades das áreas produtoras de Petróleo.
O petróleo a ser refinado
A qualidade do Petróleo é fundamental para as operações de refinação, pois sua composição e aspecto variam segundo a formação geológica do terreno de onde o Petróleo foi extraído e a natureza da matéria orgânica que lhe deu origem. 
Assim, existem Petróleos leves, que dão elevado rendimento em nafta e óleo diesel; Petróleos pesados, que têm alto rendimento em óleo combustível; Petróleos com alto ou baixo teor de enxofre, etc. 
Com esse conhecimento prévio pode-se melhorar o rendimento do refino com a utilização do método correto de fracionamento.
Os processos de refino
Diversos processos são empregados no refino do óleo cru. Alguns são extremamente complexos e constantemente pesquisadores estão desenvolvendo novos métodos de refino mais eficazes, para obtenção de produtos mais úteis.
Os processos são selecionados de acordo com os produtos que serão manufaturados e o mercado que a refinaria visa abastecer. Um processo denominado cracking ou craqueamento é utilizado para "quebrar" compostos químicos muito grandes em substâncias menores. Há ainda outros tratamentos, como a dessalinização que remove impurezas e melhora as propriedades do produto.
Os processos que normalmente são incluídos nas refinarias modernas são destilação e cracking ou craqueamento, alem de processos auxiliares para melhorar a qualidade do produto final como: reforma, polimerização, alquilação, dessulfurização, dessalinização, desidratação e hidrogenação.
Destilação Fracionada
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 a seguir as etapas desse processo:
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 passa para a fase de vapor. 
O vapor entra no fundo de uma coluna longa (coluna de destilação fracionada) cheia de bandejas ou placas. 
Elas 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. 
O resíduo que permanece na base dessa torre pode ser usado com Óleo Combustível ou reprocessado em um método chamado Destilação a Vácuo (ou destilação à pressão reduzida). Este tipo de refino se consiste em aquecer o resíduo em uma torre com uma pressão interior muito baixa (de 50 a 100 mm de mercúrio), visando uma pré-separação do material e facilitando a destilação com o aquecimento. Utilizando deste recurso é possível refinar o resíduo do primeiro processo produzindo óleos lubrificantes, gasóleo, e sobrando resíduos asfálticos de alto peso molecular.
Craqueamento
O processo de craqueamento quebra as moléculas de hidrocarbonetos pesados conver tendo- as em gasolina e uma série de destilados com maior valor comercial. Os dois tipos principais de craqueamento são o térmico e o catalítico.
O craqueamento térmico usa calor e altas pressões para efetuar a conversão de grandes moléculas em outras menores. Existem 3 tipos: o “a vapor” que é usado para craquear etano, butano e nafta em etileno e benzeno, que são usados para fabricar produtos químicos; o “viscoredutor” que utiliza os resíduos da torre de destilação aquecidos a 482°C e então resfriados com gasóleo e rapidamentecolocados em uma torre de destilação. Este processo reduz a viscosidade de óleos pesados e produz o alcatrão; e o “coqueamento”, no qual 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
O craqueamento catalítico faz uso de um catalisador, substância que realiza a conversão em condições de pressão mais reduzidas. O catalisador facilita o quebramento das moléculas.
Catalisadores mais usados: platina, alumina, bentanina ou sílica.
Esse tipo de processo é dividido em dois:
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). 
Reforma
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.
Polimerização
De um certo modo, a polimerização é o oposto do craqueamento, isto é, moléculas de hidrocarbonetos mais leves que a gasolina são combinadas com moléculas semelhantes para produzir hidrocarbonetos mais pesados, por exemplo, gasolina com alto teor de octano (hidrocarboneto com 8 carbonos), de elevado valor comercial. 
Existem dois tipos de polimerização: a térmica e a catalítica. O uso de catalisadores, como no craqueamento, faz com que as condições exigidas na conversão não sejam tão severas.
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.
Este processo também é usado para produção de querosene para aviação.
Dessulfurização
O óleo cru e derivados podem conter uma certa quantidade de compostos de enxofre, como Gás sulfídrico, mercaptanas, sulfetos e dissulfetos. Diversos processos são usados para dessulfurizar esses produtos, dependendo do tipo de enxofre presente e da qualidade desejada para o produto final.
Um desses processos é a Biodessulfurização realizada por bactérias que retiram o enxofre (em diferentes níveis de intensidade) dos combustíveis fosseis. A seguir existe uma lista com as principais bactérias utilizadas:
Corynebacterium sp.
Rhodococcus sp.
Sulfolobus sp.
Rhizobium sp.
Acinetobacter sp.
Dessalinização e Desidratação
Muitos processos são utilizados para remover sal e água do óleo cru. O mais comum se consiste em o petróleo sem beneficiamento (refino) ser aquecido e um "quebrador" de emulsão ser adicionado. A massa resultante é decantada ou filtrada para retirar a água e o sal. Assim o petróleo segue puro para o inicio do seu processo de refino.
Hidrogenação
Processo desenvolvido por técnicos alemães para a transformação de carvão em gasolina. Nele, as frações do Petróleo, principalmente as insaturadas, são submetidas a altas pressões de hidrogênio e temperaturas entre 26°C e 538°C, em presença de catalisadores.
Isso faz com que o hidrogênio quebre as ligações carbono-carbono, através dos catalisadores, e se incorpore na cadeia dando origem a outros derivados, os quais dependem do catalisador adotado.
Principais derivados e suas aplicações
A gama de produtos que se pode obter com o refino do petróleo é enorme, por isso vamos listar os mais importantes:
Gás ácido - Produção de enxofre
Eteno - Petroquímica
Dióxido de carbono - Fluido refrigerante
Propanos especiais - Fluido refrigerante
Propeno - Petroquímica
Butanos especiais - Propelentes
Gás liqüefeito de Petróleo – Combustível doméstico
Gasolinas - Combustível automotivo
Naftas - Solventes
Naftas para petroquímica - Petroquímica
Aguarrás mineral - Solventes
Solventes de borracha - Solventes
Hexano comercial - Petroquímica, extração de óleos
Solventes diversos - Solventes
Benzeno - Petroquímica
Tolueno - Petroquímica, solventes
Xilenos - Petroquímica, solventes
Querosene de iluminação - Iluminação e combustível doméstico
Querosene de aviação - Combustível para aviões
Óleo diesel - Combustível para ônibus, caminhões, etc.
Lubrificantes básicos - Lubrificantes de máquinas e motores em geral
Parafinas - Fabricação de velas, indústria de alimentos
Óleos combustíveis - Combustíveis industriais
Resíduo aromático - Produção de negro de fumo
Extrato aromático - Óleo extensor de borracha e plastificante
Óleos especiais - Usos variados
Asfaltos - Pavimentação
Coque - Indústria de produção de alumínio
Enxofre - Produção de ácido sulfúrico
n-Parafinas - Produção de detergentes biodegradáveis
Os rendimentos do refino dependem do tipo do Petróleo e da complexidade da refinaria. No caso das refinarias da Petrobrás, a produção média de um barril de Petróleo é a seguinte:
DERIVADOS 								%
GLP 								8,75
Gasolina (automotiva e de aviação) 				21,31
Nafta 								8,96
Querosenes (iluminação e aviação) 				4,36
Óleo Diesel 							34,83
Óleo Lubrificante 						16,83
Outros 							4,94
Meio ambiente
Nas fases de perfuração e produção, os cuidados maiores são com o lançamento de efluentes e resíduos sólidos, além da prevenção e do controle de acidentes nos poços. No transporte de Petróleo e derivados, a preocupação deve ser dirigida para a adoção de medidas preventivas e de controle, para evitar derrames de óleo. Nas refinarias a implantação de sistemas de tratamento para todos os efluentes potencialmente poluidores: chaminés, filtros e outros dispositivos e instalações que evitam a emissão de gases, vapores e poeiras tóxicas para a atmosfera. 
Os despejos líquidos devem ser tratados por processos físico-químicos e biológicos antes de serem lançados nos rios ou no mar. Os resíduos sólidos devem ser reciclados para utilização própria ou venda a terceiros. Os não reciclados devem ser tratados em unidades de recuperação de óleo e de biodegradação natural, onde microorganismos do solo degradam os resíduos sólidos. Outros resíduos sólidos são enclausurados em aterros industriais constantemente controlados e monitorados.
Conclusão
Como visto neste trabalho, o petróleo e seus derivados têm uma vasta gama de aplicações em diversas indústrias desde sua utilização como matéria-prima até fonte energética. 
Ressalta-se a importância da exploração e da transformação ambientalmente sustentável de forma a não inviabilizar esse recurso não-renovável. 
Referencias
BLAND, W.F. e DAVIDSON, R.L. Petroleum processing handbook. McGraw-Hill, New York, 1967
HOBSON, G.D. e POHL, W. Modern petroleum technology. Applied science publishers, barking, essex. Unided King, 1973.
PERRY, R.H. Perry’s chemical engineers’ handbook – International Students Edition. McGraw-Hill, New York, 1984.
SPEIGHT, J.G. The chemistry and technology of petroleum. CRC press, 4ª Ed, New York, 2007