Como funciona o refino de petróleo
por Craig C. Freudenrich, Ph.D. - traduzido por HowStuffWorks Brasil
Introdução
Vários filmes - como "Assim Caminha a Humanidade", "Armageddon" e "A Família
Buscapé" - mostram imagens do petróleo como um líquido espesso e escuro jorrando
para o alto ou fluindo de uma plataforma de perfuração. Mas quando você coloca
gasolina no carro, já deve ter percebido que ela é clara. Além disso, há muitos outros
produtos que derivam do petróleo, incluindo giz de cera, plásticos, óleo para
aquecimento, combustível de jato, querosene, fibras sintéticas e pneus. Como é
possível obter gasolina e todos esses outros produtos a partir do petróleo bruto?
Foto cedida pela Phillips Petroleum Company
Neste artigo, vamos examinar a química e a tecnologia envolvidas no refino de
petróleo bruto para produzir todas essas diferentes coisas.
Petróleo bruto
Em média, o petróleo bruto contém os seguintes elementos ou compostos:
• carbono - 84%
• hidrogênio - 14%
• enxofre - de 1 a 3% (sulfeto de hidrogênio, sulfetos, dissulfetos, enxofre
elementar)
• nitrogênio - menos de 1% (compostos básicos com grupos amina)
• oxigênio - menos de 1% (encontrado em compostos orgânicos como o
dióxido de carbono, fenóis, cetonas e ácidos carboxílicos)
• metais - menos de 1% (níquel, ferro, vanádio, cobre, arsênio)
• sais - menos de 1% (cloreto de sódio, cloreto de magnésio, cloreto de cálcio)
Petróleo bruto é o termo para o óleo não processado. Ele também é conhecido
apenas como petróleo. O petróleo bruto é um combustível fóssil, o que significa que
ele é formado pelo processo de decomposição de matéria orgânica, restos vegetais,
algas, alguns tipos de plâncton e restos de animais marinhos - ocorrido durante
centenas de milhões de anos na história geológica da Terra. Os tipos de petróleo bruto
podem apresentar cores diferentes, de claros a negro, assim como viscosidades
diferentes, que podem ser semelhantes à água ou quase sólidas.
O petróleo bruto é o ponto de partida para muitas substâncias diferentes porque
contém hidrocarbonetos. Os hidrocarbonetos são moléculas que contém hidrogênio
e carbono e existem em diferentes tamanhos e estruturas, com cadeias ramificadas e
não ramificadas e anéis.
Duas características são importantes nos hidrocarbonetos:
•
•
eles contêm muita energia. Muitos dos produtos derivados de petróleo bruto
como a gasolina, óleo diesel, parafina sólida e assim por diante são úteis
graça a essa energia;
eles podem
ter formas
diferentes.
O
menor
hidrocarboneto
é
o metano (CH4), um gás mais leve do que o ar. Cadeias mais longas contêm
cinco carbonos ou mais e são líquidos; já nas cadeias muito longas há
hidrocarbonetos sólidos, como a cera. Ao ligar quimicamente cadeias de
hidrocarbonetos artificialmente, obtemos vários produtos, que vão da
borracha sintética até o náilon e o plástico de potes para alimentos.
As principais classes de hidrocarbonetos em petróleo bruto incluem:
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•
•
•
Parafinas
• fórmula geral: CnH2n+2 (n é um número inteiro, geralmente de 1 a 20)
• as moléculas são cadeias ramificadas ou não
• em temperatura ambiente podem ser gases ou líquidos,
dependendo da molécula
• exemplos: metano, etano, propano, butano, isobutano, pentano,
hexano
Aromáticos
• fórmula geral: C6H5 - Y (Y é uma molécula mais longa e não
ramificada que se conecta a anéis benzênicos)
• estruturas em anel, com um ou mais anéis
• os anéis contêm seis átomos de carbono, com ligações duplas e
simples alternando-se entre os carbonos
• gralmente são líquidos
• exemplos: benzeno, naftaleno
Naftenos ou cicloalcanos
• fórmula geral: CnH2n (n é um número inteiro, geralmente de 1 a 20)
• estruturas em anel, com um ou mais anéis
• os anéis contêm apenas ligações simples entre os átomos de
carbono
• em temperatura ambiente, geralmente são líquidos
• exemplos: ciclohexano, metilciclopentano
Outros hidrocarbonetos
• Alcenos
• fórmula geral: CnH2n (n é um número inteiro, geralmente de
1 a 20)
• moléculas de cadeias ramificadas ou não que contêm uma
ligação dupla carbono-carbono
• podem apresentar-se nos estados líquido ou gasoso
• exemplos: etileno, buteno, isobuteno
• Dienos e Alcinos
• fórmula geral: CnH2n-2 (n é um número inteiro, geralmente
de 1 a 20)
• moléculas de cadeias ramificadas ou não que contêm duas
ligações duplas carbono-carbono
• podem apresentar-se nos estados líquido ou gasoso
• exemplos: acetileno, butadieno
Agora que sabemos os componentes principais do petróleo bruto, vamos ver o que
podemos fazer com ele.
Produtos derivados do petróleo bruto
O petróleo bruto contém centenas de diferentes tipos de hidrocarbonetos misturados e,
para separá-los, é necessário refinar o petróleo
As cadeias de hidrocarbonetos de diferentes tamanhos têm pontos de ebulição que vão
aumentando progressivamente, o que possibilita separá-las através do processo de
destilação. É isso o que acontece em uma refinaria de petróleo. Na etapa inicial do refino,
o petróleo bruto é aquecido e as diferentes cadeias são separadas de acordo com suas
temperaturas de evaporação. Cada comprimento de cadeia diferente tem uma propriedade
diferente que a torna útil de uma maneira específica.
Para entender a diversidade contida no petróleo bruto e o motivo pelo qual o seu refino é
tão importante, veja uma lista de produtos que obtemos a partir do petróleo bruto:
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•
gás de petróleo: usado para aquecer, cozinhar, fabricar plásticos
• alcanos com cadeias curtas (de 1 a 4 átomos de carbono)
• normalmente conhecidos pelos nomes de metano, etano, propano,
butano
• faixa de ebulição: menos de 40°C
• são liquefeitos sob pressão para criar o GLP (gás liquefeito de petróleo)
nafta: intermediário que irá passar por mais processamento para produzir
gasolina
• mistura de alcanos de 5 a 9 átomos de carbono
• faixa de ebulição: de 60 a 100°C
gasolina: combustível de motores
• líquido
• mistura de alcanos e cicloalcanos (de 5 a 12 átomos de carbono)
• faixa de ebulição: de 40 a 205°C
querosene: combustível para motores de jatos e tratores, além de ser material
inicial para a fabricação de outros produtos
• líquido
• mistura de alcanos (de 10 a 18 carbonos) e aromáticos
• faixa de ebulição: de 175 a 325°C
gasóleo ou diesel destilado: usado como diesel e óleo combustível, além de
ser um intermediário para fabricação de outros produtos
• líquido
• alcanos contendo 12 ou mais átomos de carbono
• faixa de ebulição: de 250 a 350°C
óleo lubrificante: usado para óleo de motor, graxa e outros lubrificantes
• líquido
• alcanos, cicloalnos e aromáticos de cadeias longas (de 20 a 50 átomos
de carbono)
• faixa de ebulição: de 300 a 370°C
petróleo pesado ou óleo combustível: usado como combustível industrial,
também serve como intermediário na fabricação de outros produtos
• líquido
• alcanos, cicloalcanos e aromáticos de cadeia longa (de 20 a 70 átomos
de carbono)
• faixa de ebulição: de 370 a 600°C
resíduos: coque, asfalto, alcatrão, breu, ceras, além de ser material inicial para
fabricação de outros produtos
• sólido
• compostos com vários anéis com 70 átomos de carbono ou mais
• faixa de ebulição: mais de 600°C
Você pode ter notado que todos esses produtos têm tamanhos e faixas de ebulição
diferentes. Os químicos tiram vantagem dessas propriedades ao refinar o petróleo. Veja a
próxima seção para descobrir os detalhes deste processo.
O processo
Como já mencionamos, um barril de petróleo bruto é composto por diversos tipos de
hidrocarbonetos. O refino de petróleo separa tudo isso em várias substâncias úteis. Para
isso, os químicos seguem algumas etapas.
1. A maneira mais antiga e comum de separar os vários componentes (chamados
de frações) é usar as diferenças entre as temperaturas de ebulição. Isso é chamado
de destilação fracionada. Basicamente, esquenta-se o petróleo bruto deixando-o
evaporar e depois condensa-se este vapor.
2. Técnicas mais novas usam o processamento químico, térmico ou catalítico em
algumas das frações para criar outras, em um processo chamado de conversão. O
processamento químico, por exemplo, pode quebrar cadeias longas em outras
menores. Isso permite que uma refinaria transforme óleo diesel em gasolina, de
acordo com a demanda por gasolina.
3. As refinarias devem tratar as frações para remover as impurezas.
4. As refinarias combinam as várias frações (processadas e não processadas) em
misturas para fabricar os produtos desejados. Por exemplo, as diferentes misturas de
cadeias podem criar gasolinas com diferentes índices de octanagem.
Foto cedida pela Phillips Petroleum Company
Refinaria de petróleo
Os produtos são armazenados no local até que sejam entregues aos diferentes
compradores, como postos de gasolina, aeroportos e fábricas de produtos químicos. Além
de fazer produtos baseados no petróleo, as refinarias também devem tratar os dejetos
envolvidos nos processos para minimizar a poluição do ar e da água.
Na próxima seção, veremos como separar o petróleo bruto em seus diferentes
componentes.
Foto cedida Phillips Petroleum
Colunas de destilação em uma refinaria de petróleo
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 dedestilação fracionada. Veja abaixo as etapas.
1. 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.
2. A mistura entra em ebulição formando vapor (gases). A maior parte das substâncias
passam para a fase de vapor.
3. O vapor entra no fundo de uma coluna longa (coluna de destilação fracionada)
cheia de bandejas ou placas.
1. ela possuem muitos orifícios ou proteções para bolhas a fim de permitir a
passagem do vapor
2. as placas aumentam o tempo de contato entre o vapor e os líquidos na
coluna
3. elas ajudam a coletar os líquidos que se formam nos diferentes pontos da
coluna
4. há uma diferença de temperatura pela coluna (mais quente embaixo, mais
frio em cima)
4. O vapor sobe pela coluna.
5. Conforme o vapor sobe pelas placas da coluna, ele esfria.
6. 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.
7. As placas recolhem as diferentes frações líquidas.
8. As frações líquidas recolhidas podem:
0. passar por condensadores, onde serão resfriadas ainda mais, e depois ir
para tanques de armazenamento;
1. ir para outras áreas para passar por outros processos químicos, térmicos ou
catalíticos.
A destilação fracionada é útil para separar uma mistura de substâncias com diferenças
pequenas em seus pontos de ebulição sendo uma etapa muito importante no processo de
refino.
O processo de refino de petróleo começa em uma coluna de destilação fracionada.
Acima, podemos ver vários processadores químicos que serão descritos na próxima
seção.
Poucos compostos já saem da coluna de destilação prontos para serem comercializados.
Muitos deles devem ser processados quimicamente para criar outras frações. Por
exemplo, apenas 40% do petróleo bruto destilado é gasolina. No entanto, a gasolina é um
dos principais produtos fabricados pelas empresas de petróleo. Em vez de destilar
continuamente grandes quantidades de petróleo bruto, essas empresas utilizam processos
químicos para produzir gasolina a partir de outras frações que saem da coluna de
destilação. É este processo que garante uma porção maior de gasolina em cada barril de
petróleo bruto.
Na próxima seção, veremos como funciona o processamento químico de uma fração em
outra.
Processamento químico
Pode-se transformar uma fração em outra usando um destes três métodos:
• dividindo grandes cadeias de hidrocarbonetos em pedaços menores
(craqueamento);
• combinando pedaços menores para criar outros maiores (reforma);
• rearranjando vários pedaços para fazer os hidrocarbonetos
desejados (alquilação).
Craqueamento
O craqueamento divide grandes cadeias de hidrocarbonetos em pedaços menores.
O craqueamento divide cadeias grandes em outras menores
Há vários tipos de craqueamento.
•
Térmico: grandes cadeias de hidrocarbonetos são aquecidas a altas
temperaturas (e algumas vezes a altas pressões também) até que elas se
quebrem (craqueiem).
•
•
•
vapor: vapor de alta temperatura (816°C) é usado para craquear etano,
butano e nafta em etileno e benzeno, que são usados para fabricar
produtos químicos;
viscorredução: os resíduos da torre de destilação são aquecidos
(482°C), resfriados com gasóleo e rapidamente colocados em uma
torre de destilação. Este processo reduz a viscosidade de óleos
pesados e produz o alcatrão;
coqueamento: os resíduos da torre de destilação são aquecidos a
temperaturas acima de 482°C até que se quebrem em óleo pesado,
gasolina e nafta. Ao final do processo, sobra um resíduo pesado, quase
puro, de carbono (coque). O coque é limpo e vendido.
•
Catalítico: usa um catalisasor para
aumentar a velocidade da reação de
craqueamento. Os catalisadores incluem a
zeólita, hidrossilicato de alumínio, bauxita e
alumino-silicatos.
• craqueamento catalítico fluido
("fluid cracking catalysis", FCC):
um catalisador fluido aquecido
(538°C) craqueia gasóleo pesado em
óleo diesel e gasolina;
• hidrocraqueamento: semelhante ao
craqueamento catalítico fluído, mas
usa um catalisador diferente,
Foto cedida Phillips Petroleum Company
Catalisadores usados no
temperaturas menores, pressão maior
craqueamento ou reforma
e gás hidrogênio. Ele craqueia o óleo
catalítica
pesado em gasolina e querosene
(combustível de aviação).
Após vários hidrocarbonetos terem sido craqueados em outros menores, os produtos
passam por mais uma coluna de destilação fracionada para separá-los.
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.
Um reformador combina cadeias de hidrocarbonetos
Alquilação
Às vezes, as estruturas de moléculas em uma fração são rearranjadas para produzir outra.
Isso normalmente é feito por meio de um processo chamadoalquilação. 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
sãohidrocarbonetos ricos em octanas, usados em tipos de gasolina para reduzir o poder
de detonação (consulte O que é octano para mais detalhes).
Reorganizando cadeias
Agora que vimos como as diferentes frações são alteradas, vamos discutir como elas são
tratadas e misturadas para fabricar os produtos que são comercializados.
Uma refinaria de petróleo é uma combinação de todas essas unidades.
Tratando e misturando as frações obtidas no refino de petróleo
Frações destiladas e processadas quimicamente são tratadas para que as impurezas
como compostos orgânicos contendo enxofre, nitrogênio, oxigênio, água,
metais dissolvidos e sais inorgânicos sejam removidas. O tratamento costuma ser feito ao
passar as frações pelas seguintes etapas:
• uma coluna de ácido sulfúrico remove hidrocarbonetos insaturados (os que
possuem ligações duplas carbono-carbono), compostos de nitrogênio,
compostos de oxigênio e sólidos residuais (alcatrão, asfalto)
• uma coluna de absorção preenchida com agentes secantes para remover a água
• tratamento para remover o enxofre e compostos de
enxofre
Após o tratamento das frações, elas são resfriadas e
misturadas para formar vários produtos, tais como:
• gasolina de vários tipos, com ou sem aditivos
• óleos lubrificantes de diferentes pesos moleculares
e tipos (por exemplo, 10W-40, 5W-30)
• querosene de vários tipos
• combustível de aviação
• óleo diesel
• óleo combustível
• diferentes tipos de produtos químicos para a
produção de plásticos e outros polímeros
Foto cedida Phillips Petroleum
Plásticos produzidos a partir
de frações de petróleo refinado