Pré-visualização parcial do texto
Baixe Arquivos P1 - Jurandir Indiana Jones - hist?rico e refina??o e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!
Capítulo 1 MAKRON Books Histórico A mais antiga manifestação de lubrificação da qual se tem notícia foi achada no Egito, no túmulo de Ra-Em-Ka, 2600-1700 a.C.: é mostrado um tipo de trenó transportando um monu- mento de pedra e um homem que despeja um líquido para lubrificar os deslizadores do tre- nó. Matéria graxa foi realmente encontrada no eixo de uma carruagem enterrada no túmulo de Yuaa e Thuiu, datando de cerca de 1400 a.C. Há referências de que Noé, aproximadamente em 2500 a.C., construiu sua arca e “cala- fetou-a por dentro e por fora com piche”, e de que em 1600 a.C., aproximadamente, a mãe de Moisés, para salvar o filho, construiu uma arca de junco e “untou-a com lodo e piche”. À história do campo petrolífero de Baku está ligada aos adoradores do fogo, que por volta de 600 a.C. faziam peregrinações “ao fogo” proveniente de gás natural que emergia do solo. Hoje, Baku é um dos grandes campos petrolíferos da Rússia. Deve-se aos romanos o mais antigo registro de utilização do petróleo na iluminação. O óleo obtido em Agrigentum, na Sicília, era usado em lamparinas no templo de Júpiter. Há ain- da referências ao petróleo nos escritos gregos, sendo também conhecido na China de 2.000 anos atrás, bem como na Índia (“Rangoon Oil”). Os colonizadores da América do Norte desco- briram que os índios usavam o petróleo como remédio para toda sorte de doenças. A primeira notícia de destilação industrial de petrólco data de 1810, em Praga, com o objetivo de obter óleo para iluminação. Na Inglaterra, em 1826, Hildreth sugeriu que o petróleo fosse usado como material de iluminação em vez do óleo de baleia. Em 1846, Gesner produziu um óleo iluminante por desti- lação de carvão dando-lhe o nome de “querosene”. Kier, em Pittsburgh, usou o petróleo des- tilado como iluminante, logo a seguir. Importante papel coube à Escócia, no século passado, no desenvolvimento da indústria e comércio do petróleo. James Young, de Kelly, nascido em 1811, foi o primeiro a produzir, em 1848, “paraffin oil” em escala comercial, com seu sócio Meldrum. Elaborava dois tipos de óleo de parafina: um fino, para uso como “burning oil” (combustível) em lâmpadas, e ou- tro pesado, para fins lubrificantes. É interessante notar que o livro de Benjamim J. Crew, editado em 1887, em Filadélfia, não faz nenhuma referência ao famoso Edwin Drake. 4 Lubrificantes e Lubrificação Cap. 1 Da mesma forma, o livro de Iltid I, Redwood, membro da American Society of Mecha- nical Engineers, editado em Londres e Nova York em 1897, apesar de fazer um histórico sobre a ainda nascente indústria petrolífera, não faz referência alguma ao célebre “Cel”! Drake. É bem verdade, porém, que Redwood dá ênfase toda especial ao desenvolvimento do assunto apenas na Escócia. Edwin L. Drake foi recompensado por seus esforços ao perfurar deliberadamente um poço para encontrar petróleo no dia 27 de agosto de 1859. O poço perfurado por Drake, com profundidade de 69 1/2 pés (21 metros) e produção diária de 840 galões (3.200 litros aproxi- madamente), é considerado o primeiro poço de petróleo em todo o mundo. Drake foi auxilia- do por William A. Smith (“Uncle Billy”), merecedor também de citação. + Figura 1.1 Poço perfurado por Drake. (Cortesia da Esso Research and Engineering Co.) O Canadá, entretanto, reclama tal honra para James Miller Williams, considerando a data de junho de 1858. O primeiro poço escavado por Williams atingiu a profundidade de 27 pés (8 metros), nas margens do rio Thames, perto de Botwell, porém sem obter sucesso. Inician- do a perfuração de outro, perto de Enniskillen, encontrou o que procurava à profundidade de 65 pés (20 metros). No mesmo ano de 1859, na Inglaterra, o químico Eugene Carless iniciou em Hackney, perto de Londres, um estabelecimento de destilação de óleo mineral obtido do xisto esco- cês. Seu produto, denominado “Carburine”, foi usado em 1864 em carburadores primitivos de aquecimento, enriquecendo o gás fornecido às igrejas e outros edifícios de porte. Teria sido este o primeiro uso de um produto de petróleo como carburante. 1. Título honorífico concedido a Drake para impressionar a população. Edwin Drake era tão coronel quanto muitos “coronéis” do interior brasileiro... 6 Lubrificantes e Lubrificação Cap. 1 Finalmente, a tese do monopólio estatal, que teve no General Horta Barbosa um dos seus mais denodados defensores, prevaleceu, culminando com a assinatura, pelo presidente da Re- pública Getúlio Vargas, da Lei 2004, em 3 de outubro de 1953, que criou a Petrobrás, socie- dade por ações, de economia mista, com predominância obrigatória de capital subscrito pela União. Petrobrás Podemos considerar a Petróleo Brasileiro S.A. fruto da campanha “O Petróleo É Nosso”, cuja semente fora lançada por Monteiro Lobato ao fundar, em 1931, suà Cia. Petróleo do Brasil. Pa- radoxalmente, o mesmo Getúlio Dornelles Vargas, que, como ditador, foi responsável pela pri- são de José Bento de Monteiro Lobato e conseqiiente falência de sua firma petrolífera, devido à sua intransigente campanha em defesa da exploração do petróleo brasileiro por nacionais, foi, também, como presidente constitucional, o responsável pela criação da Petrobrás. Em 10 de maio de 1954, ao iniciar suas atividades, a estatal brasileira de petróleo recebeu do CNP os campos de petróleo do Recôncavo Baiano, com uma produção da ordem de 2700 barris diários, as refinarias de Mataripe (em operação) e Cubatão (em montagem), o acervo da Comissão de Industrialização do Xisto Betuminoso e uma frota de 22 petroleiros, com capa- cidade de carga de 227 mil toneladas. Tarefa prioritária foi a estruturação dos departamentos de exploração e produção. Para organizar o Departamento de Exploração foi contratado o geólogo norte-americano Walter Link, que recrutou outros profissionais no exterior e iniciou o treinamento dos técnicos bra- sileiros, que, mais tarde, vieram a substituir os estrangeiros. Após seus 45 anos de atuação, a Petrobrás tem por meta a auto-suficiência de petróleo. Nestas três décadas, o gigante empresarial em que se transformou teve, logicamente, não só acertos, omo também erros administrativos. É inegável, porém, a sua valiosíssima contribui- ção para o desenvolvimento da indústria nacional de bens de capital e para o progresso da engenharia brasileira. Origem A origem da palavra petróleo é latina; de petra (pedra) e oleum (óleo). Não existe, até hoje, unanimidade sobre a origem do petróleo. Didaticamente, três são as teorias principais a res- peito da origem: Teoria Inorgânica. O petróleo teria sido produzido no interior da Terra pela ação de ele- vada temperatura e pressão sobre minerais; o carbono e o hidrogênio teriam, então, se combi- nado, formando os hidrocarbonetos constituintes do petróleo. Somente uma pequena minoria de geólogos defendia esta teoria, hoje já praticamente superada. Teoria Vegetal. De acordo com esta teoria, matérias vegetais teriam sido cobertas por uma camada de material impermeável; com o ar sendo excluído, sobreveio a fermentação c a lenta deterioração durante centenas de milhares de anos transformou a matéria vegetal em petróleo. Esta teoria é defendida até hoje por vários geólogos. Cap. 1 Histórico 7 Teoria dos Animais Marinhos. Segundo esta teoria, o petróleo originou-se de pequenos animais marinhos que na ausência de ar transformaram-se lentamente em petróleo. A maioria dos geólogos é favorável a esta teoria. Não fica excluída, porém, a simbiose destas duas últimas teorias como hipótese possível. Geologia Muito embora não haja completo acordo quanto a origem do petróleo, existem algumas con- clusões que podem ser consideradas definitivas. Desde que o petróleo é de natureza orgânica, matéria orgânica, ou material que possa se transformar em matéria orgânica, deve ter estado presente durante o período de acumulação de óleo. O processo de transformação de matéria orgânica em petróleo deve ser: a) químico; b) bactericida; c) radioativo; ou d) a combinação dos três processos. As teorias atuais a respeito da acumulação do petróleo admitem que os locais onde foi encontrado não são necessariamente os locais de sua origem. A migração e acumulação é questão fundamental no estudo do petróleo. A teoria “anti- clinal” ou “estrutural” é aceita como explicação primeira para a migração e acumulação de petróleo. Esta teoria estabelece que o óleo se origina nos folhelhos e, então, quando cresce a sobrecarga e o folhelho é compactado, o petróleo é forçado a migrar para rochas mais per- meáveis, já saturadas de água. O óleo desloca a água até se acumular nas partes altas estrutu- rais, devido a sua menor densidade em relação à da água, ou até que uma rocha impermeável interrompa o fluxo dos fluidos. Esta interrupção pode ocorrer devido a uma falha geológica que coloque uma formação impermeável no caminho do fluxo fluido. Os requisitos geológicos fundamentais para as concentrações de óleo e gás são simples: uma formação rochosa permeável e porosa (reservoir rock), coberta por uma camada de ro- cha impermeável (roof rock ou cap rock), contendo óleo ou gás, ou ambos, e sendo deforma- da ou obstruída de forma tal que as duas espécies de rocha ficam interligadas. São formações geológicas típicas, com bolsões de petróleo potenciais, as feições estru- turais a saber: anticlinal, falha, bolsão estratistráfico, cúpula salina. Os depósitos de óleo cru e gás natural ocorrem quase sempre nos espaços porosos de rochas sedimentares. Qualquer rocha porosa ou permeável pode tornar-se reservatório bolsão (reservoir), mas estas propriedades são mais comumente encontradas nas rochas sedimentares, especialmente arenitos e carbonatos. O petróleo ocorre, principalmente, em rochas se- dimentares marinhas. NS. Camadas SN impermeáveis Figura 1.3 Seção transversal esquemática de um bolsão anticlinal. Cap. 1 Histórico 9 A água intersticial pode ocorrer sob três formas: a) como uma fina película úmida cobrin- do a superfície dos grãos minerais; b) como golas ao redor dos pontos de contato dos grãos minerais; c) como enchimentos completos dos poros rochosos que têm pequenos canais li- gando-os com os poros adjacentes. O componente principal do gás natural é, regra geral, metano (60% a 95% do total em volume). Etano, propano, butano, pentano, hexano e alguns isômeros estão presentes em me- nores proporções, sendo as quantidades dos isômeros inferiores às dos compostos de cadeia normal. Compostos naftênicos e aromáticos, quando existentes, o são em pequena proporção porque têm pressões de vapor mais baixas que os parafínicos mais leves. O dióxido de carbono é encontrado muitas vezes. Gases sulfurosos também são encontra- dos às vezes. As explorações preliminares do petróleo dependem em grande parte de cartografia e de aerofotogrametria do local. A geofísica utiliza diversos métodos (sísmico, gravimétrico, magnetométrico, elétrico) para a determinação da possível localização de bolsões que pos- sam conter quantidades comerciáveis de óleo. Não existe até hoje um método direto de localizar petróleo. Não se conhece nenhuma propriedade física do petróleo subterrâneo que se possa aferir na superfície. Os geólogos de petróleo localizam-no por meios indiretos e por tentativas. Pode-se dizer que cada bolsão de petróleo representa um problema inédito — é fruto da combinação de 20 ou 30 variáveis das quais apenas algumas poucas podem ser determinadas a priori. Perfuração de Poços de Petróleo Em 1859, Drake usou uma sonda de percussão acionada por máquina a vapor para perfurar o poço que lhe deu celebridade. O método de percussão continuou a ser usado durante várias décadas, sofrendo aperfeiçoamentos sucessivos, é claro, porém continuando basicamente o mesmo, isto é, uma pesada estaca levantada por meio de um cabo e deixada cair. No final do século passado e iní- cio deste, passou-se a empregar, inicialmente na Europa e posteriormente nos Estados Unidos, a perfuração rotativa. Este processo de perfuração é o mais empregado hoje em dia, muito embora o método de percussão continue a ser usado, em casos especiais. O equipamento necessário para perfuração petrolífera em terra firme é a sonda, composta de torre, talha de içar, mesa rotativa, bombas para lama de perfuração e conjunto motriz (moto- res). A torre sustenta a coluna de perfuração em cuja extremidade é acoplada a broca, que é a ferramenta de corte das rochas. A torre de perfuração, símbolo da indústria de petróleo, é uma pirâmide truncada de base quadrada. Nos tempos pioneiros, eram pesadas estruturas de madeira, acessórios permanen- tes dos poços. Hoje, as torres são constituintes das sondas de perfuração e fabricadas em aço ou alumínio. A sonda rotativa de perfuração pode ser estacionária ou móvel. A sonda móvel é aquela dotada de propulsão própria, isto é, montada sobre um caminhão especial. As modernas son- das são fabricadas de forma a reduzir ao mínimo possível o seu tempo ocioso, composto pe- las operações de desmontagem, transporte e montagem na locação seguinte. 10 Lubrificantes e Lubrificação Cap. 1 Para a perfuração marítima utilizam-se as plataformas ou navios-sonda. As plataformas podem ser semi-submersíveis, quando são apoiadas em flutuadores submarinos, cuja profundi- dade é regulada pelo bombeio de água dos tanques de lastro. Já as plataformas auto-eleváveis dispõem de pernas (três, quatro ou mais) que podem ser suspensas, para permitir a viagem da plataforma (rebocada) ou descidas ao fundo do mar (até 150 metros de profundidade) a fim de possibilitar o apoio necessário à operação perfuratória. O processo de perfuração rotativa exige a circulação de um fluido a fim de manter lim- pos o fundo do furo e a broca de perfuração. Também é função do fluido de perfuração lubrifi- car a broca e evitar desmoronamentos nas paredes do poço. Diversos fluidos são empregados, sendo muito usual a chamada lama de perfuração que consiste basicamente de quatro fases: 1) uma fase líquida, constituída por água; 2) uma fase coloidal, constituída por argilas, especialmente bentonita, em partículas co- * loidais; 3) uma fase inerte, constituída por compostos de bário, destinada a aumentar o peso es- pecífico da mistura; 4) uma fase química, constituída por íons e substâncias que condicionam o comporta- mento das argilas coloidais. Composição do Petróleo O petróleo consiste fundamentalmente de carbono (C) e hidrogênio (H) sob a forma de hi- drocarbonetos. A composição porcentual aproximada dos diversos elementos químicos constituintes do petrólgo é a seguinte: Carbono .smmesamenceamocreevaseacame ninar aim erica nor atos res acessarem 81 a 88% Hidrogênio .........eeiaeeaeaecereacereercereacereeenerereneearacereeeeeeeccereeo TO à 14% (9) dis [5 ig (Co PSA RR DDR 0,01 a 1,2% Nitrogênio a 17% Enxofre... a 5% O petróleo vem a ser uma mistura de centenas de hidrocarbonetos líquidos, com diversos hidrocarbonetos sólidos e gasosos dissolvidos, usualmente. Da forma pela qual é extraído do poço, o óleo cru contém impurezas, como água, lama, sal e certos compostos de enxofre, oxi- gênio e nitrogênio. Quando as quantidades de tais contaminantes são excessivas, o petróleo cru pode ser decantado para eliminar a água, ou aquecido para expelir sulfeto de hidrogênio. A maior parte das refinarias exige que seus suprimentos de cru não tenham mais de 0,25% de água e que o teor de sulfeto de hidrogênio esteja abaixo do ponto de perigo. As impurezas remanescentes podem compreender traços de diversos metais (vanádio e níquel, por exem- plo, criam problemas). Capítulo 2 MAKRON Books Refinação O petróleo (óleo cru) é a matéria-prima para óleos combustíveis e lubrificantes. A combina- ção de tratamentos executados no petróleo para a obtenção dos produtos desejados é chama- da refinação; os tratamentos podem ser classificados em operações de separação, processos de conversão e processos de tratamento químico. As operações de separação mais comumente em- pregadas são destilação, absorção, adsorção, filtração e extração por solvente. Processos de conversão são aqueles como cracking, polimerização e alquilação, que modificam a natureza química das moléculas durante o processo. Os processos de tratamento químico ou retiram constituintes indesejáveis que estão pre- sentes em relativamente pequenas quantidades ou os convertem em outros compostos cuja presença não seja prejudicial. O modo pelo qual esses métodos são combinados em uma determinada refinaria depende das características e composição do cru a ser processado, e das quantidades e especificações dos produtos a serem obtidos. Cada refinaria é projetada de per si, não havendo duas refinarias exatamente iguais. Na Figura 2.1 representamos um fluxo genérico de uma refinaria. Quebra de Emulsão Se o petróleo obtido encontra-se como emulsão de água em óleo, deve-se fazer a separação, que pode ser por tratamento químico ou elétrico. No tratamento químico, um aditivo desemulsificante é adicionado ao petróleo e remove o agente emulsificante na interface óleo-água. Isso permite às gotículas de água unirem-se por coalescência e separarem-se do óleo. No tratamento elétrico, a emulsão é aquecida para diminuir sua viscosidade e então submetida, ou a um campo elétrico alternativo para romper a película de óleo ao redor das gotículas de água, ou a um campo estacionário para obrigar as gotículas de água, que são ne- gativamente carregadas, a migrarem e se unirem no eletrodo positivo. Cap. 2 Refinação 13 Tratamento químico hi ; Gasolina de destilação direta Basolina natura, , Gasolina para, motor ou NA) él Jranque para aviação “misturador Tratamento Gasolina (N químico alquilizada | | Gasolina de craqueamento Querosene bruto Querosene final fe) E Unidade = alquilizada Óleo cru ê . E Combustível leve ou Geo para aquncimento a óleos diesel Torre de fracionamento Sen po cmi tv Aquecedor |) Unidade de, a õ cradusamento Do Lo, Gus g hidrocarbonetos = Gás - óleo Lo, Ólocombustível =: o industrial o Tratamento (Gás de petróleo uímico E A Desparafinação Filtro de el Lubrficante destilado, argila Óleo lubrificante acabado Gera paratínica Resíduo lubrificante Destiador de coque NA - A Gás-óleo Coque Destilador de asfalto CO Asfalto Figura 2.1 Fluxo genérico de uma refinaria. Sais minerais como os cloretos de sódio e de magnésio e compostos de vanádio, pre- sentes no óleo cru e indesejáveis por provocarem corrosão e formarem depósitos nos equipa- mentos de refinaria, podem ser removidos por uma lavagem a água seguida de tratamento elétrico ou decantação. As emulsões encontradas no campo de petróleo são em geral do tipo água em óleo. As emulsões de refinaria são geralmente do tipo óleo em água. O tratamento químico é mais comumente empregado nas emulsões de campo, e o elétrico nas emulsões de refi- naria. As emulsões de campo são geralmente quebradas no próprio campo. Destilação O primeiro passo no processamento do óleo cru na refinaria é a separação, por destilação, em frações de diversas faixas de pontos de ebulição. A separação por destilação é baseada em diferença de volatilidade dos componentes, e é feita por sucessivas vaporizações e condensações. A destilação do óleo cru em uma refinaria que produz óleo lubrificante é normalmente feita em dois estágios. O primeiro estágio é processado em uma torre de fracionamento que opera à pressão atmosférica. Nesta torre são separados os combustíveis destilados e gasóleo. No segundo estágio o resíduo é enviado ao aquecedor de uma segunda torre que opera a uma pressão reduzida (torre de vácuo). Esta torre produz gasóleo e diversos cortes (frações) de óleos lubrificantes. Cap. 2 Refinação 15 A gasolina obtida por cracking catalítico possui um número de octanas superior à obti- da por cracking térmico. Os processos de cracking catalítico são o Houdry, o Thermofor e o FCC (fluid catalytic cracking). Este último, dos mais modernos e eficientes, é o processo empregado na Refinaria Duque de Caxias (REDUC), da Petrobrás. A função do cracking é transformar produtos de relativamente baixo valor em produtos da faixa da gasolina, de maior valor. Polimerização Produtos gasosos insaturados podem vir a se combinar para formar moléculas de maior ca- deia, visando também obter produtos de maior valor. Este processo, portanto, tem o mesmo objetivo econômico do cracking, porém pode ser considerado como de sentido contrário, isto é, em vez de partir as moléculas, aglutina-as. É feito também por intermédio de calor ou ca- talisadores. Os catalisadores empregados são ácido sulfúrico, ácido fosfórico sólido, pirofosfato de cobre e argila ativada. A reação se processa a baixa temperatura (70 a 500 “F) e pressões de 200 a 1.200 psi. A polimerização térmica ocorre entre 900 e 1000 ºF e pressões de 1.500 a 2.000 psi. Os processos de polimerização podem ser seletivo ou não seletivo. No processo seletivo, parte-se de uma mistura de butenos (iso e normal) e obtém-se uma mistura de iso-octenos. No processo não seletivo, parte-se de uma mistura de olefinas de 2 a 4 átomos de carbono por moléculas e o produto final é uma mistura de olefinas isômeras de 4 a 8 átomos de carbono por molécula. . Reforming. O cracking de naftas que consiste quase inteiramente de frações da faixa da gasolina é chamado de reforming e tem por finalidade aumentar o número de octanas da gasolina. Alquilação. Da mesma forma que a polimerização, a alquilação combina hidrocarbonetos gasosos leves em moléculas maiores, porém parte de uma mistura de olefinas e isoparafinas. Iso-octana relativamente pura pode ser obtida por alquilação de buteno e isobutano. Esta alqui- lação pode ser feita cataliticamente usando-se ácido sulfúrico, à temperatura de 30 a 5 ºF, ne- cessitando, pois, equipamento de refrigeração. Hidrogenação. É a adição de hidrogênio a um hidrocarboneto não saturado. O proces- so é comumente empregado para transformar as olefinas obtidas por polimerização em hi- drocarbonetos saturados. Aromatização. Consiste em transformar hidrocarbonetos de cadeia aberta em hidro- carbonetos aromáticos. Isomerização. A isomerização transforma parafinas de cadeia reta em parafinas de ca- -deia ramificada. 
