Destilação Fracionada

Transcrição

1 Destilação Fracionada O processo de obtenção dos produtos do petróleo. Para obtermos os derivados do petróleo e os torná-los utilizáveis, o óleo cru, passa por uma série de processos até atingir seu estado final, e será, então, consumido. O que é destilação fracionada? Para separarmos uma mistura de produtos, utilizamos de uma propriedade físico-química: o ponto de ebulição, ou seja, a certa temperatura o produto irá evaporar. A destilação fracionada é um processo de aquecimento, separação e esfriamento dos produtos. O Processo de refino: 1- Retirada do sal e da água, que se misturaram ao petróleo. 2 - Aquecimento do óleo em fogo direto a 320ºC e então, começa a se separar. 3 - Na coluna atmosférica, o petróleo é aquecido junto com vapor de água, para facilitar a destilação. 4 - Saída dos produtos, já separados Produtos consumíveis. Os pontos de ebulição dos subprodutos do petróleo FRAÇÃO INTERVALO DE TEMPERATURA PRINCIPAIS COMPONENTES GLP -165º a 30ºC CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 Éter do petróleo 30º a 90ºC C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 Gasolina 30º a 200ºC C 10 H 22 C 11 H 24 C 12 H 26

2 C 13 H 28 C 14 H 30 C 15 H 32 Querosene 175º a 275ºC Moléculas maiores Óleos Lubrificantes 175º a 400ºC Moléculas maiores Parafina 350ºC Moléculas maiores Alcatrão resíduo Moléculas maiores Por essa tabela, podemos perceber que os gases são os primeiros produtos a se separar do óleo bruto. DESTILAÇÃO FRACIONADA INTRODUÇÃO A destilação fracionada é o método utilizado para separar misturas homogêneas, do tipo líquido líquido. Exemplo de mistura deste tipo é o petróleo, ou uma simples mistura de água e álcool, que será demonstrada a seguir. Na destilação fracionada os líquidos são separados através de seus pontos de ebulição, desde que eles não sejam muito próximos. Durante o aquecimento da mistura, é separado, primeiramente o líquido de menor P.E ( ponto de ebulição ), depois o líquido de P.E intermediário e sucessivamente até o líquido de P.E maior. QUESTÃO DESENCADEADORA Como separar duas substâncias de uma mistura homogênea, como exemplo, água e álcool misturados? PREVISÃO DAS HIPÓTESES Filtração : Pelo próprio nome, você já pode imaginar como se efetua o processo de filtração: através de um filtro, que retém a parte sólida e deixa passar a parte líquida. Existem vários tipos de filtros: de algodão, de papel, de porcelana, etc. Decantação : Há misturas que, se deixadas por um tempo em repouso, têm sua parte sólida depositada no fundo do recipiente. Isso pode ser percebido numa mistura de água com areia ou barro, por exemplo. Você mesmo pode

3 fazer essa experiência, sem dificuldade. Depois que a parte sólida se depositou no fundo do recipiente, podemos despejar a parte líquida em um outro recipiente separando-as. Evaporação : Nesse caso, trata-se de dois sólidos. Se adicionarmos água a essa mistura, o sal irá se dissolver. E, então, ao retirarmos a água salgada, estaremos separando a areia do sal. Se ainda aquecermos a mistura, a água irá se evaporar, ficando apenas o sal no estado sólido separado da areia. Destilação : é o processo de separação de uma mistura homogênea, constítuida por sólido e líquido ou por 2 ou mais líquidos com diferentes pontos de ebulição. PROPOSTA DE EXPERIMENTO Aquecer com manta elétrica o equipamento de destilação até a temperatura de ebulição do álcool que é em torno de ( 72 C a 78 C ). ORIENTAÇÃO SOBRE A ELABORAÇÃO DO ROTEIRO Para esse experimento utilizaremos os seguintes materiais : Manta elétrica, condensador, mangueira, béquer ou erlenmeyer, balão de destilação, mistura de álcool e água, termômetro. Exemplo de aparelhagem para destilação fracionada :

4 O funcionamento da aparelhagem para destilação fracionada é o seguinte : Utilizando uma coluna de fracionamento como a da figura acima, é necessário levar alguns fatores em em consideração. Nesta aparelhagem só há uma passagem para o vapor passar, quando ele é formado no balão volumétrico, ele passa pelo condensador reto onde é resfriado pela passagem de água corrente que está com temperatura inferior, se condensa transformando em líquido que é recolhido no béquer ou erlenmeyer. Serão montados os equipamentos com o objetivo de compor um sistema de destilação. Em seguida, inicia-se o aquecimento da manta, e deve se atentar à indicação do termômetro que até 78,85 C o líquido que deverá estar completamente evaporado é o álcool por ser mais volátil, ou seja por ter um P.E menor evapora-se mais facilmente do que a água. A partir dessa temperatura o béquer ou erlenmeyer deve ser trocado, pois à temperatura de 96 C a água entra em ebulição. Portanto as duas misturas homogêneas estarão separadas. DISCUSSÃO

5 Não deve se utilizar o bico de bunsen para o aquecimento, porque o vapor de álcool pode escapar do sistema e provocar um incêndio. Por isso a manta elétrica é a mais indicada para evitar possíveis acidentes. Obs : Devemos adicionar etileno glicol na mistura, pois o mesmo aumentará o ponto de ebulição da água aumentando a eficiência do experimento. O elileno glicol deve ser adicionado de 5 a 10% do volume de água. Deve-se observar que o álcool após destilado não contém água, porque os pontos de ebulição da água e do álcool são diferentes e há uma diferença de aproximadamente 20 C. CONCLUSÕES POSSÍVEIS Os alunos podem concluir que não está havendo uma separação, ou seja, a mistura que está sendo aquecida está somente transferindo-se de recipiente. Outros podem confundir-se com relação ao líquido que está evaporando primeiro, ou seja, podem ficar em dúvida se é a água ou o álcool. E a última conclusão possível é a correta, ou seja, o líquido de menor P.E o álcool evapora-se antes da água que tem maior P.E. Para demonstrarmos que houve separação das misturas água e álcool, podemos molhar um pequeno chumaço de algodão no recipiente que está a água e outro chumaço no recipiente que está o álcool puro. Em seguida, com o cuidado de manter os alunos bem distantes, tentamos colocar fogo no algodão imerso em água, e posteriormente no algodão imerso em álcool desidratado. O resultado previsto é que o algodão imerso em água deve não pegar fogo, ou se pegar, será com maior dificuldade. No caso do álcool a combustão será com maior facilidade e a partir dessas observações poderemos argumentar para os alunos, que realmente houve uma separação das substâncias. CONCLUSÃO Após termos posto a " mão na massa " tivemos a seguinte conclusão : Dada a dificuldade do experimento podemos mostrar ao aluno uma destilação simples utilizando tinta de carimbo e água, mostrar aos alunos o processo e depois pedir a eles uma solução para separar água e álcool e como provar que o álcool e a água estão separados após o experimento. Temos que explicar com detalhes sobre a função do comprimento do tubo, cuja função é separar o vapor de água do vapor de álcool, que possivelmente

6 possam estar misturados durante a evaporação no tubo. Contudo, além das observações descritas anteriormente neste reste relatório, agora também o aluno teria que observar as seguintes questões?. Por que o tubo de fracionamento tem que ser comprido?. Qual a diferença entre a destilação fracionada e a destilação simples, feita com água e anilina ou tinta de carimbo solúvel em água. 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,

7 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 (CH 4 ), 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: Parafinas fórmula geral: C n H 2n+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: C 6 H 5 - 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: C n H 2n (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: C n H 2n (n é um número inteiro, geralmente de 1 a 20) moléculas de cadeias ramificadas ou não que contêm uma ligação dupla carbono-carbono 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)

8 podem apresentar-se nos estados líquido ou gasoso exemplos: etileno, buteno, isobuteno Dienos e Alcinos fórmula geral: C n H 2n-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: 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

9 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

10 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. 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 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. Foto cedida Phillips Petroleum Colunas de destilação em uma refinaria de petróleo 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.

11 O processo de refino de petróleo começa em uma coluna de destilação fracionada. À direita, 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.

12 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.

13 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, temperaturas menores, pressão maior e gás hidrogênio. Ele craqueia o óleo pesado em gasolina e querosene (combustível de aviação). Foto cedida Phillips Petroleum Company Catalisadores usados no craqueamento ou reforma catalítica 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.

14 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 chamado 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 (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.

15 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 Para mais informações sobre o mundo fascinante do refino e da química do petróleo, confira os links da próxima página. Foto cedida Phillips Petroleum Plásticos produzidos a partir de frações de petróleo refinado