Trabalho de sustentabilidade, tema: Petróleo e Gás

Trabalho de sustentabilidade, tema: Petróleo e Gás

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INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS: Medidas de sustentabilidade

OIL AND GAS: Sustainability measures

VILELA, Alisson H. F.; SILVA*, João B. A.; ROMANELLI, Marco T. D.; SOUZA, Max M.; ABRANTES, Paulo H. A..

Curso de Engenharia Química, Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas, DCET, Centro Universitário de Belo Horizonte, UNI-BH, Belo Horizonte, MG.

*jbasilva@gmail.com

RESUMO

Durante a Revolução Industrial a abundância dos recursos naturais desfocava a atenção da sociedade para as questões ambientais. Com a perspectiva de escassez dos recursos energéticos oriundos petróleo e o agravamento dos impactos ambientais, o conceito de sustentabilidade, a partir das discussões do Clube de Roma, em 1968, até a definição com o relatório Brundtland, em 1987, faz-se em voga cada vez mais na área industrial. O craqueamento catalítico consiste de uma das atividades mais poluente do refino cujos impactos agravam a saúde antrópica até o meio ambiente, nesse sentido a indústria do refino de petróleo possui medidas de caráter paleativo afim de atenuar tais impactos. Afim de fomentar o aproveitamento de resíduos de caráter altamente poluente, a piche de petróleo, resíduo do craqueamento catalítico, pode ser aproveitado como matéria prima para produzir nanoesferas de carbono, de dimensões situadas entre 2 a 20nm, cujo beneficiamento pode ser destinado produção de biosensores, moldes de biomateriais e eletrodos de baterias de íon-Lítio. A formação de incrustações por sulfatos de bário, estrôncio e cálcio em dutos e equipamentos podem comprometer a produtividade na obstrução de fluxo, redução de receita e aumento dos custos para a remediação. Nesse sentido a quitosana, obtida da desacetilação parcial da quitina sendo esta um produto de descarte da indústria pesqueira, pode ser empregada para remover incrustações pelo processo de complexação dos cátions além de evitar a disposição da quitina no meio ambiente. Tendo em vista que a indústria do refino em decorrência da limitação do uso do petróleo, sendo esta uma matéria prima não renovável, deve se comprometer a manutenção das atividades afim de que se tenha um melhor aproveitamento na respectiva utilização e cujos impactos tornem-se mínimos no meio ambiente e na sociedade.

Palavras – Chave: Petróleo, Gás, Sustentabilidade, Quitosana, Quitina, Nanoesferas.

ABSTRACT

During the Industrial Revolution the abundance of natural resources blurs the attention of society to the environmental issues. With the shortages prospects of energy resources from petroleum and the worsening of environmental impacts, the idea of sustainability, from the discussions of Rome’s club, in 1968, even with the Brundtland report, in 1987, makes it increasingly in vogue in the industrial area. The catalytic cracking is one of the most polluting activities of refining whose impacts aggravate the anthropic health up the environment, accordingly the industry of petroleum refining has character palliative measures in order to mitigate such impacts. In order to encourage the use of highly polluting waste of character, the tar oil, residue of catalytic cracking, can be used as raw material to produce carbon nanospheres, of biomaterials and electrodes for lithium-ion batteries. The scale formation of barium, strontium and calcium in ducts, and equipment can affect productivity in the obstruction of flow, reduction of revenue and increased costs for remediation, accordingly chitosan, derived from the partial deocetylation of chitin which is a product of disposal of the fishing industry, can be used to remove incrustations by the process of complexation of cations and prevents the disposal of chitin in the environmental. Knowing that, the refining industry due to the limitation of the use of petroleum, being this a nonrenewable raw material, must commit to maintenance activities in order that, it has a better use in their utilizations whose impacts become minimal on the environment and society.

Keys words: Oil, Gas, Sustainability, Chitosan, Chitin, Nanospheres.

Introdução

Durante o período da chamada Revolução Industrial não havia preocupação com a questão ambiental. Os recursos naturais eram abundantes, e a poluição não era foco da atenção da sociedade industrial e intelectual da época. A partir da escassez dos recursos naturais, somado ao crescimento desordenado da população mundial e intensidade dos impactos ambientais, surge o paradigma da sustentabilidade dos sistemas econômico e natural, e faz do meio ambiente um tema literalmente estratégico e urgente. O homem começa a entender a impossibilidade de transformar as regras da natureza e a importância da reformulação de suas práticas ambientais (OLIVEIRA et al., 2007).

Duas grandes percepções estão se instalando na opinião pública global. Uma diz respeito à exaustão mundial das reservas do petróleo, cujo consumo tem impactado a economia e a sociedade mundial desde o século passado. A outra, por sua vez, diz respeito à intensificação das chamadas mudanças climáticas e suas repercussões negativas no mundo todo. Ambas contribuem para um ambiente de incerteza, de risco, mas também de novas oportunidades, que deveria permear as grandes decisões estratégicas tanto das empresas de energia quanto dos governos (BRAÑA, 2008).

Nos últimos tempos, o crescimento econômico foi repensado e chegou-se a fórmulas alternativas, como o desenvolvimento sustentável, que segundo a Comissão Mundial sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento, o desenvolvimento sustentável é “aquele que atende as necessidades do presente sem se comprometer a possibilidade de as gerações futuras atenderem as suas próprias necessidades” (OLIVEIRA et al., 2007).

A importância do petróleo em nossa sociedade, tal como está atualmente organizada, é extensa e fundamental. O petróleo não é apenas uma das principais fontes de energia utilizadas pela humanidade. Além de sua importância como fornecedor de energia, os seus derivados são a matéria-prima para a manufatura de inúmeros bens de consumo, e, deste modo, têm um papel cada dia mais presente e relevante na vida das pessoas. A concepção de um mundo sem as comodidades e benefícios oferecidos pelo petróleo implicaria na necessidade de uma total mudança de mentalidade e hábitos por parte da população, numa total reformulação da maneira como a nossa sociedade funciona. (MARIANO, 2001).

Do ponto de vista ambiental, as refinarias são grandes geradoras de poluição. Elas consomem grandes quantidades de água e de energia, produzem grandes quantidades de despejos líquidos, liberam diversos gases nocivos para a atmosfera e produzem resíduos sólidos de difícil tratamento e disposição (MARIANO, 2001).

Devido ao enorme potencial poluidor de sua atividade, o refino do petróleo deve ser conduzido com extrema precaução ambiental. A construção de chaminés, filtros e demais mecanismos de controle de poluição atmosférica é indispensável, assim, o volume e a concentração de gases, vapores e material particulado, emitidos durante o processo de refino, são reduzidos ou controlados a níveis toleráveis (CUNHA, 2009).

O craqueamento catalítico quebra grandes estruturas de hidrocarbonetos em moléculas mais leves através do aquecimento, da pressão e da ação de um catalisador. No refino, tal processo constitui uma das maiores fontes de poluentes, devido à queima de combustíveis na geração de calor no processo (CUNHA, 2009). A partir de resíduos, da produção de piches de petróleo, derivados do craqueamento catalítico, é possível produzir nanoesferas de carbono com alto rendimento, sendo as propriedades do produto pouco afetadas pela composição do resíduo (CASTRO et al., 2009).

Um problema comum na indústria do petróleo está relacionado à produção de água associada ao óleo e ao gás natural, obstruções em válvulas e equipamentos, colunas e linhas de produção, telas de contenção de areia entre outros. (ROSA, 2007). A quitosana é uma biomacromolécula que tem atraído a atenção dos pesquisadores no campo de tratamento de efluentes (LEITE, 2006).

Por fim, este trabalho visa analisar algumas medidas das quais são aplicadas para o desenvolvimento sustentável da Indústria de Petróleo e Gás afim de avaliar os impactos dos quais poderão advir no meio ambiente, bem como no âmbito político, econômico e social brasileiro

As últimas décadas trouxeram à tona diversas preocupações sobre o futuro da humanidade e do planeta Terra, pondo em dúvida muitas verdades à época cristalizadas, dentre elas a que associava desenvolvimento a crescimento econômico ilimitado. Acreditava-se que a imposição de limites ao crescimento seria um entrave às oportunidades que as diversas nações do mundo teriam para se desenvolver. Com base nesse ponto de vista, a sociedade urbano-industrial mais destruiu que criou. A poluição em seus diversos aspectos, a extinção de espécies da flora e da fauna, o desmatamento, o inchamento das cidades, as graves disparidades regionais e a má distribuição de renda são exemplos dos efeitos provocados pelo paradigma do crescimento econômico (OLIVEIRA et al., 2007).

A discussão sobre políticas de desenvolvimento que levassem em conta os impactos sobre o meio ambiente teve início com as discussões do “Clube de Roma” (1968), defendida logo em seguida na Conferência de Estolcomo (1972) e, posteriormente, com Maurice Strong (1973) e a defesa da tese do desenvolvimento preocupado com a dimensão ecológica, passa-se pelo relatório Dag-Hammarskjold(1975), em que se aponta a interligação entre o abuso de poder e a degradação ecológica. Enfim, chega-se ao Relatório Brundtland (1987), o qual solidificou o conceito de desenvolvimento sustentável (KONRAD ADENAUER, 2004).

Estima-se que cada barril de petróleo extraído produza, cerca de, 436 quilos de CO2, o que faz com que a indústria de petróleo seja conhecida como uma das maiores emissoras de CO2 na atmosfera. Além disso, a queima de combustível de origem fóssil é a maior fonte de emissão antropogênica de CO2, perde somente para outras atividades industriais e para a produção de cimento (FILHO et al., 2009).

A maior parte das correntes gasosas que deixam as unidades de processo das refinarias contém quantidades variáveis de gás de refinaria, tais como CO, SOX e NOX. Tais correntes são usualmente coletadas e enviadas para as unidades de tratamento de gás e de recuperação de enxofre, com a finalidade de se recuperar o gás de refinaria, que é usado como combustível e o enxofre elementar, que pode ser posteriormente vendido (MARIANO, 2001).

Muitas refinarias liberam, não intencionalmente, hidrocarbonetos líquidos no solo ou mesmo em águas superficiais. Em algumas refinarias, a contaminação do solo migra e escoa para águas superficiais próximas. Tal problema, de acordo com os volumes liberados, é grave e representa um substancial risco para o meio ambiente e para a saúde humana (MARIANO, 2001).

Os poluentes atmosféricos, além dos efeitos específicos relativos à sua natureza química, também possuem efeitos de caráter geral, tais como irritação nos olhos em decorrência da exposição a aldeídos químicos e a oxidantes fotoquímicos, efeitos diretos ou indiretos no sistema cardiovascular. Isso ocorre por conta do monóxido de carbono no qual pode ser absorvido pela corrente sangüínea, pode causar, também, bronquite, enfisema pulmonar, câncer de pulmão e asma brônquica (MARIANO, 2001).

Nesse contexto, os gases emitidos por uma refinaria provocam as chuvas ácidas, cujos impactos podem ocasionar corrosão de metais, pinturas e monumentos históricos, a exemplo do que pode ser visto na figura 1, dos valiosos monumentos históricos gregos de Atenas. Tanto mais grave é quanto for mais próximo das fontes poluidoras é a destruição da cobertura vegetal tais como na Floresta Negra, situada na Alemanha, e em Cubatão, município litorâneo do estado de São Paulo (SENE, 2002).

Figura 1 - Efeitos danosos da chuva ácida

Fonte: Sene, 2002.

Para controlar essas emissões são necessárias algumas medidas, a exemplo do tratamento com DEA (dietilamina) no qual remove, por absorção, o ácido sulfídrico do gás combustível e do GLP (gás liquefeito de petróleo), adsorventes sólidos de sílica gel, alumina ativada e bauxita são destinadas para a remoção de solventes orgânicos voláteis. Queimadores ou flares de CO, NH3, H2 e HCN além de outros que possam ser eventualmente emitidos em situações de emergência, as quais exigem liberação imediata de grandes volumes desses gases, seja para proteção da planta ou das pessoas (MARIANO, 2001).

No processo de craqueamento catalítico, também conhecido como FCC (“Fluid catalytic cracking”), ocorre a quebra de grandes estruturas de hidrocarbonetos em moléculas mais leves através do aquecimento, da pressão e da ação de um catalisador. Em geral, os catalisadores utilizados são compostos por aluminossilicato, alumina, argila e um ligante (CUNHA, 2009).

Como os demais processos que utilizam catalisadores, o craqueamento catalítico produz coque, que tende a se depositar sobre a superfície do catalisador, na qual altera suas propriedades, por tal é necessário que o mesmo seja regenerado periodicamente, isto é feito essencialmente através da queima do coque em altas temperaturas (MARIANO, 2001).

Alguns modelos matemáticos podem ser úteis quando se procura reduzir a formação de incruste. A proposta baseia-se na determinação de uma velocidade média do escoamento que retarde o início do processo de incrustação e reduza a taxa líquida de acúmulo de incrustante (FIORENTINI, 2004).

Levinter e seus colaboradores (1966) mostraram que o coque é produzido como um subproduto da decomposição térmica de uma seqüência de polimerização/condensação, como pode ser visto na figura 2.

COQUE

(IQ)

ÓLEOS

(SH)

RESINAS

(SH)

ASFALTENOS

(IHST)

CARBENOS

(ITSQ)

Figura 2 – Seqüência de produção de coque

Fonte: Fiorentin, 2004.

Takatsuka e seus colaboradores (1989) mostraram em seu estudo um modelo matemático de reação baseado em quatro classes, como mostra a figura 3. As quatro classes consideradas por Takatsuka e seus colaboradores (1989) foram: C1 que corresponde aos óleos + resinas (SH), C2 que corresponde aos asfaltenos (IHST), C3 que corresponde aos carbenos (ITSQ) e C4 que corresponde ao coque (IQ). Os componentes de C1 a C4, correspondem à fase líquida, sendo que apenas C1 , C2 e C3 reagem. Os componentes de C5 a C8 correspondem à fase vapor e como o tempo de residência da fase vapor é muito curto, Takatsuka e seus colaboradores. (1989) consideraram que estes não reagiam.

Figura 3 – Mecanismo do modelo de reação química

Fonte: Fiorentin, 2004.

Takatsuka e seus colaboradores (1989) foram os únicos autores que sugeriram um modelo que conseguia prever a quantidade de óleos, resinas, asfaltenos, carbenos e coque formado durante a reação química. No entanto, tal modelo é composto por uma série de constantes de difícil determinação. Na figura 4, os k ’s são as constantes de cinéticas químicas de cada reação, enquanto que os C ’s são as concentrações dos reagentes consumidos durante a reação. De uma forma geral, tem-se a taxa da concentração ao longo de todas as possíveis reações de craqueamento.

Figura 4 – Modelo matemático do mecanismo de reação

Fonte: Fiorentin, 2004.

Wiehe (1992) mostrou que o coque não possui a característica de se agrupar através de reações de policondensação, mas sim os asfaltenos. Segundo este autor, a reação de formação de coque inicia-se com a precipitação dos asfaltenos na região de completa turbulência. Na seqüência, ocorre a deposição do precursor na superfície do tubo onde se tem o início das reações de decomposição térmica/policondensação e conseqüentemente a formação do coque. Logo, a causa da incrustação seria os asfaltenos e não as reações de policondensação como propuseram Takatsuka e seus colaboradores (1989). Outro tipo de resíduo formado nesse processo consiste em um de caráter aromático denominado como óleo decantado de FCC ou óleo clarificado do qual pode ser destinado à fabricação de piches de petróleo (JULIÃO, 2002).

Nanoesferas de Carbono

Nos processos de leito fluidizado do FCC, o óleo e seu vapor, pré - aquecidos a uma temperatura de cerca de 260 - 430 ºC entram em contato com o catalisador quente, a uma temperatura de 700 ºC, dentro do próprio reator ou antes, na própria linha de alimentação. Esta linha de alimentação, chamada de “riser”, é a zona na qual a maioria das reações ocorre, já que o tempo de contato catalisador/óleo é inferior a um segundo nos sistemas mais modernos (MARIANO, 2009).

Este processo é uma das maiores fontes de poluentes atmosféricos de uma refinaria. Tal fato é devido à queima de combustíveis para geração de calor no processo, às emissões fugitivas e às emissões geradas durante a etapa de regeneração do catalisador, grandes concentrações de monóxido de carbono, gases sulfonados e nitrogenados, material particulado de alumina e níquel (MARIANO, 2001). Outro tipo de resíduo formado nesse processo consiste em um de caráter aromático denominado como óleo decantado de FCC ou óleo clarificado do qual pode ser destinado à fabricação de piches de petróleo (JULIÃO, 2002).

Os piches de petróleo (PP) tal como são produzidos, nem sempre estão enquadrados nas especificações requeridas para um bom precursor de nanoesfera de carbono. Faz-se necessário, muitas vezes, um processo de tratamento para especificar o produto, principalmente quanto ao teor de frações leves e, também, de mesofase (JULIÃO, 2002).

Os piches de petróleo em mesofase (PPM) são compostos orgânicos, os quais, exceto certos raros piches de base parafínica, são constituídos essencialmente por hidrocarbonetos aromáticos de anéis condensados e, portanto, diz-se que têm uma base aromática. Dado que as moléculas que constituem estes compostos orgânicos são comparativamente pequenas, apresentam um peso molecular médio não superior a umas poucas centenas e atuam entre si só fracamente, estes são de natureza isotrópica (JULIÃO, 2002).

O processo empregado no tratamento consiste da conversão catalítica com cloreto de alumínio(Al2O3) ou cloreto férrico(FeCl3), nos quais ocorrem reações químicas de determinados tipos de hidrocarbonetos na carga pela ação de um catalisador. A vantagem desse tipo de tratamento baseia-se no caráter seletivo da reação, além de temperatura e pressão menor do que às utilizadas no processo de conversão térmica, além de uma maior eficiência no processo de conversão (JULIÃO, 2002).

Apesar da maior parte dos estudos na área de nanomateriais de carbono ser direcionado para nanofilamentos (nanotubos e nanofibras), várias aplicações foram identificadas para as nanoesferas, isso inclui suportes para catalisadores ou biosensores, moldes para síntese de biomateriais, e eletrodos para baterias de íon-lítio. Assim como outros materiais de carbono, as nanoesferas apresentam potencial emprego em compósitos poliméricos. Revelam uma possível aplicação em compósitos piezoresistivos à base de resinas epóxi, utilizados como sensores de pressão, e compósitos condutores à base de poliuretanos (CASTRO et al., 2009).

A partir da destilação de óleo decantado ou piche de petróleo, resíduo do craqueamento catalítico, é possível produzir nanoesferas de carbono com auxílio de nitrogênio e argônio, como gases de arraste, através da vaporização em um forno tubular vertical a 1200ºC, a uma taxa de 15 mL/h. Apesar de inertes, as diferentes propriedades físicas dos gases afetam significativamente os processos de transferência de massa, calor e quantidade de movimento dentro da zona de reação (CASTRO et al., 2009).

As nanoesferas apresentam uma distribuição de diâmetros lognormal, de acordo com a figura 5, resultante de processos típicos de crescimento de partículas na qual a velocidade de crescimento é proporcional a sua área de superfície e sujeitos a fenômenos simultâneos de arraste e difusão (CASTRO et al., 2009).

Figura 5 – Microfotografia de nanoesferas de carbono.

FONTE: Castro et al., 2009.

Outro segmento que pode beneficiar sustentavelmente a indústria do petróleo, consiste da indústria pesqueira na qual dispõe da quitina, um resíduo até então descartado, que todavia começa atrair, do ponto de vista tecnológico e ambiental, para atenuar os problemas de incrustação decorrentes do processo de refino do petróleo.

A extração e produção de petróleo, tanto em terra firme como em alto mar, pode gerar rejeitos de diferentes tipos, tais como borras, incrustações e oxidações, que se formam na superfície interna dos dutos e equipamentos. Ao se perfurar um poço petrolífero é usado a água do mar, no caso de plataformas marinhas, para manter a pressão do óleo constante, de modo que , não prejudique o sistema do poço e nem altere a qualidade desse óleo. Essa água do mar pode causar diversos problemas quando a mesma percorre algum duto da plataforma. O mais preocupante deles são as incrustações.(MAITHANI, 1998).

As incrustações formadas no interior dos dutos são constituídas basicamente de precipitados de BaSO4 (Equação I), SrSO4(Equação II) e CaCO3 (Equação III) (TESTA, 1994). Em geral, estas incrustações ocorrem quando há as supersaturações envolvendo a água do mar e a água de formação, encontrada no poço. Como a água do mar é rica em sulfatos e a água de formação contém quantidades significativas de cátions divalentes, tais como cálcio, magnésio, bário e estrôncio, pode ocorrer precipitação e cristalização, com conseqüente formação de incrustação (PETROBRAS/CENPES/SD).

Ba2+ + SO4-2 → BaSO4 ↓ (Equação I)

Sr2+ + SO4-2 → SrSO4 ↓ (Equação II)

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