Do petróleo à gasolina - Parte 1

Introdução Não é exagero dizer que o petróleo é o “sangue que corre nas veias” da sociedade moderna. Por isso, esse é um dos assuntos mais interessantes e importantes para quem quer entender a realidade econômica, tecnológica, energética e ambiental do país e do mundo. Muitos setores da economia dependem do petróleo, como a indústria química em geral (medicamentos, cosméticos, todos os vários tipos de plásticos, tintas, resinas e fibras), além da indústria de combustíveis (gasolina, diesel, querosene, gás de cozinha) e lubrificantes automotivos. Dentre os combustíveis derivados do petróleo, a gasolina é a mais valiosa e a mais utilizada em todo o mundo.

Abordaremos aqui os seguintes temas: 1- Composição química do petróleo 2- Processos físicos de “refino” 3- Craqueamento – “refino” químico mais importante 4- Outros processos de uma refinaria 5- Qualidade da gasolina

1- Composição química do petróleo O petróleo bruto não é uma substância. É uma mistura de vários compostos orgânicos e alguns inorgânicos, predominando os hidrocarbonetos, sendo que estes variam desde os alcanos mais simples até os aromáticos mais complexos. Essa mistura inflamável é conhecida desde a antiguidade, e já foi usada tanto para aquecer e preparar alimentos, quanto em guerras para incendiar o inimigo. Sua coloração não é sempre escura, podendo ir de amarela até preta, sendo muitas vezes marrom. É encontrado nas rochas sedimentares, originado da decomposição da matéria orgânica depositada no fundo de mares e lagos, depois de ter sofrido transformações químicas lentas, ao longo de milhões de anos, pela ação de temperatura, pressão, pouca oxigenação e bactérias.

Os hidrocarbonetos (formados apenas por hidrogênios e carbonos) formam cerca de 80% da composição do petróleo, podendo variar de um carbono (metano, CH4), até os compostos de mais de 60 carbonos. Estes podem estar conectados através de ligações simples, duplas ou triplas, apresentando geometrias lineares, ramificadas ou cíclicas, saturadas ou insaturadas, alifáticas ou aromáticas. Há, ainda, grande quantidade de complexos organometálicos (metais associados a compostos orgânicos) e também sais derivados de ácidos orgânicos. O gás sulfídrico (H2S) e o enxofre elementar (S8) respondem pela maior parte de sua constituição em elementos inorgânicos, constituindo importante poluente atmosférico. O petróleo bruto contém também quantidades expressivas de gases e de água, especialmente o petróleo brasileiro atual, que é extraído principalmente do subsolo subterrâneo marinho.

Os alcanos têm fórmula química geral CnH2n+2 e são conhecidos na indústria de petróleo como “parafinas”. São os principais constituintes do petróleo “leve” (frações de menor densidade). Quanto maior o número de átomos de carbono na cadeia, maior será a temperatura de ebulição do hidrocarboneto. C1 até C4 Hidrocarbonetos Gasosos C5 até C17 Hidrocarbonetos Líquidos ≥ C18 Hidrocarbonetos Sólidos Elemento Porcentagem em peso no petróleo Carbono 83,9 a 86,8 Hidrogênio 11,4 a 14,0 Enxofre 0,06 a 9,00 Nitrogênio 0,11 a 1,70 Oxigênio 0,50 Metais (Fe, Ni e V outros) 0,30

As olefinas são hidrocarbonetos de cadeia aberta e insaturada; ou seja, as cadeias carbônicas possuem uma ligação dupla entre carbonos, podendo ser “normais” ou “ramificadas”, seguindo a fórmula química geral CnH2n, e são mais reativas que os hidrocarbonetos saturados. OBS.: As olefinas não são encontradas no petróleo bruto, mas aparecem durante os processos físico-químicos de refino do petróleo, como o craqueamento. Os hidrocarbonetos acetilênicos são compostos que possuem ligação tripla, seguindo a fórmula química geral CnH2n-2.

Os ciclanos (CnH2n) saturados são conhecidos na indústria de petróleo como compostos naftênicos, por se concentrarem na fração de petróleo denominada nafta. São classificados como cicloparafinas de cadeia do tipo fechada e saturada, podendo também conter ramificações. As estruturas naftênicas que predominam no petróleo são os derivados do ciclohexano e do ciclopentano. Em vários tipos de petróleo, podem-se encontrar compostos naftênicos com 1, 2 ou 3 ramificações parafínicas como constituintes principais. Em certos casos, podem, ainda, ser encontrados compostos naftênicos formados por dois ou mais anéis conjugados ou isolados

GRAUS API Assim que um poço é perfurado, o petróleo é analisado e sofre uma primeira classificação em graus API, para determinar o grau de “leveza” do petróleo; ou seja, se predominam moléculas de menor massa (menos carbonos) ou moléculas maiores (mais carbonos). Quanto maior o grau API, mais leve é o petróleo: Grau API maior que 30: petróleo leve ou de base parafínica, com alto teor de alcanos e de 15 a 25% de cicloalcanos; ou seja, muito rico em hidrocarbonetos saturados (ligações simples). Grau API entre 22 e 30: petróleo médio ou de base naftênica, com alto teor de alcanos e de 25 a 30% de hidrocarbonetos aromáticos, estes últimos formados por anéis benzênicos e, portanto, hidrocarbonetos insaturados (apresentando ligações duplas). Grau API abaixo de 22: petróleo pesado, contendo principalmente hidrocarbonetos aromáticos. Grau API abaixo de 10: petróleo extrapesado, rico em compostos de cadeia mais longa, de características asfálticas.

Benzeno, tolueno e duas formas de xileno Existem ainda compostos aromáticos no petróleo: Na parte referente à nafta, há uma pequena proporção de compostos aromáticos de baixo peso molecular (benzeno, tolueno e xilenos). Benzeno, tolueno e duas formas de xileno Os derivados “intermediários” (nem leves nem pesados), como querosene e gasóleo, contêm alguns compostos aromáticos com ramificações parafínicas. Podem ser encontrados ainda compostos mistos, que apresentam núcleo aromáticos e naftênicos. O ciclohexil-benzeno (esquerda) tem núcleo aromático e naftênico. Dois compostos aromáticos com ramificações “parafínicas” (direita).

HIDROCARBONETOS (cerca de 80% do petróleo) SATURADOS (apenas ligações simples entre carbonos)  “parafinas” ALIFÁTICOS (cadeia aberta) INSATURADOS (pelo menos uma ligação dupla ou tripla)  “olefinas” e “acetilênicos” CICLOPARAFÍNICOS ou NAFTÊNICOS (apenas ligações simples) CÍCLICOS (cadeia fechada) AROMÁTICOS (pelo menos um anel benzênico)

HIDROCARBONETOS PARAFÍNICOS (principais propriedades físico-químicas) Substância Ponto de fusão (oC) Ponto de ebulição (oC) Densidade (estado líquido) Metano CH4 -182,5 -161,7 0,2600 Etano C2H6 -183,3 -88,6 0,3400 Propano C3H8 -187,7 -42,0 0,5000 Butano C4H10 -138,4 -0,5 0,5788 Pentano C5H12 -129,7 36,1 0,6262 Hexano C6H14 -95,3 68,7 0,6594 Heptano C7H16 -90,5 98,4 0,6837 Octano C8H18 -56,8 125,6 0,7025 Nonano C9H20 -53,7 150,7 0,7176 Decano C10H22 -29,7 174,0 0,7300 A grande variação dos pontos de ebulição (muito maior que a variação dos pontos de fusão ou da densidade) é a base para a primeira fase do “refino”: a destilação fracionada.