ENE-101 Fundamentos da Energia Aula 7 ENE-101 Fundamentos da Energia Aula 7

ENE-101 Fundamentos da Energia

Aula 7

ENE-101 Fundamentos da Energia

Aula 7

Pr of. D r . Jose Ru ben s Ma i or i n o En g en h a r i a d e En er gi a

CECS

Joser u ben s.m a i or i n o@u fa bc.ed u .br

Fontes Não Renováveis I

•

Petróleo& Gás-

Introdução

Fonte Primária Energia Interna (química/nuclear)

Combustão

Fissão Calor

Máquinas

PETRÓLEO: BASE TEÓRICA

• Nome genérico dado a um líquido oleoso inflamável formado de hidrocarbonetos, C_nH_m

• Formado pela transformação de matéria orgânica, depositada na terra, fundo dos oceanos e mares, durante milhões de anos, sob pressão de camadas de sedimentos, formando as rochas sedimentares (rochas reservatórios)

• A densidade do óleo varia de 0,8-0,95 g/cm3 _{sendo usualmente}

de cor preta: hidrocarbonetos constituem em geral de 95-98%, o resto sendo formado por matéria orgânica contendo

oxigênio, nitrogênio ou enxofre e traços de compostos organometálicos

• Poços antigos _ rasos _ petróleo de má qualidade (devido à presença de oxigênio na sua formação)

• Poços atuais:

Hidocarbonetos Alifáticos

Nome Fórmula Química Formula Estrutural Metano CH4

Etano C2H6

Propano C3H8

Butano C4H10

C_nH_2n+2- cadeias Abertas(Parafinas); C_nH_2n- Oleifinas

Oleifinas:

Hidrocarbonetos Aromáticos

Os Hidrocarbonetos Aromáticos Derivam da cadeia do Benzeno, C₆ H₆

Benzeno Tolueno

TIPOS DE PETRÓLEO

• PARAFÍNICO (ou ALCANO): (Brasil e EUA)

Cadeias carbônicas retilíneas, ramificadas ou

não ,Ligações simples entre os átomos de

TIPOS DE PETRÓLEO

• NAFTÊNICO (ou CICLO-ALCANO):

TIPOS DE PETRÓLEO

TIPOS DE PETRÓLEO

• ÓLEO CRU: Pode conter hidrocarbonetos que apresentam

CONTAMINANTES DO

PETRÓLEO

• Contaminantes_→ Heteroátomos:

Cadeias envolvendo Nitrogênio, Enxofre, Oxigênio e Metais Predominância: Enxofre (presente em vários tipos de petróleo)  problemas de manuseio, transporte (corrosão de dutos) e

INDÚSTRIA DO PETRÓLEO

CINCO ATIVIDADES PRINCIPAIS:

EXPLORAÇÃO

Métodos e técnicas para a descoberta e comprovação da existência

de petróleo

Envolve equipes de sísmica, geofísica e geólogos EXPLOTAÇÃO (Perfuração + Produção)

Perfuração e posterior produção através do poço perfurado TRANSPORTE

Poços longe de terminais e refinarias de óleo e gás

Transporte da produção por embarcações, vagões, caminhões ou

tubulações

REFINO

Processamento do óleo cru para obtenção dos derivados de

petróleo e descontaminação

DISTRIBUIÇÃO

Comercialização dos derivados com as distribuidoras que farão os

EXPLORAÇÃO

 Análise do solo (preparação de mapas geológicos)

 Fotografias aéreas (alguns aspectos do solo podem passar

despercebidos)

 Fotografias em infravermelho (observação de formações rochosas

que podem conter petróleo)

 Métodos geofísicos:

Sismográficos (explosões seguida de observação das ondas

sísmicas : comportamento elástico dos diferentes tipos de rochas)

Gravimétricos (domos salinos - armadilhas para acumulação de

óleo e avaliação da espessura das rochas sedimentares)

Magnetométricos (deformações do campo magnético : presença

Exploração

MÉTODO SÍSMICO

• Em terra: dinamite

• No mar: canhão de ar

PERFURAÇÃO DE POÇOS

HISTÓRICO

Primeiros poços perfurados : procura de

água

Sec. III A.C. chineses - utilização de

fluido de perfuração (água): amolecia a rocha e facilitava a remoção de pedaços da rocha pulverizada

Em 1833 eng. francês Flauville observou

COMPLETAÇÃO DE POÇOS

COMPLETAÇÃO DE POÇOS:

 Conjunto de operações destinadas a

equipar o poço e deixá-lo em condições de operar, de forma segura e econômica, durante toda a sua vida produtiva:

Instalação de Equipamentos de

superfície (cabeça de produção, etc…)

Condicionamento do revestimento de

produção

Substituição do fluido do poço ( lama )

por fluido de completação, isento de sólidos;

Avaliação da qualidade da cimentação Descida da cauda de produção com

coluna de trabalho

Descida da coluna de produção até o

suspensor de coluna

Instalação da Arvore de Natal

Indução de surgência. Injeção de Gás

PRODUÇÃO

Plataforma Marítima

FIXAS _{SEMI-SUBMERSíVEL}

O Petróleo do Pré sal

O termo pré-sal refere-se a um conjunto de rochas localizadas nas porções marinhas de grande parte do litoral brasileiro, com potencial para a geração e acúmulo de petróleo.

Convencionou-se chamar de pré-sal porque forma um intervalo de rochas que se estende por baixo de uma extensa camada de sal, que em certas áreas da costa atinge espessuras de até 2.000m. O termo pré é utilizado porque, ao longo do

tempo, essas rochas foram sendo depositadas antes da camada de sal. A profundidade total dessas rochas, que é a distância entre a

superfície do mar e os reservatórios de petróleo abaixo da camada de sal, pode chegar a mais de 7 mil metros.

As maiores descobertas de petróleo, no Brasil, foram feitas recentemente pela Petrobras na camada pré-sal localizada entre os estados de Santa Catarina e Espírito Santo, onde se

encontrou grandes volumes de óleo leve. Na Bacia de Santos, por exemplo, o óleo já

Pré Sal

O Transporte de Petróleo

• O petróleo, derivados e álcool podem ser transportados por navios ou através de dutos. Os navios, operados pelo Frota Nacional de Petroleiros (FRONAPE), unidade da PETROBRÁS, são utilizados no transporte de petróleo e seus derivados do exterior para os terminais marítimos brasileiros, e do Brasil para o exterior. A FRONAPE efetua, também, o transporte de cabotagem de petróleo, seus derivados e álcool ao longo da costa brasileira. Os dutos são classificados em:oleodutos (transporte de líquidos) e gasodutos(transporte de gases)

e em terrestres esubmarinos(construídos no fundo do mar). Os oleodutos que transportam

produtos derivados e álcool são também chamados de polidutos. Outras modalidades de

transporte, como o rodoviário e o ferroviário, são ocasionalmente empregadas para a transferência de petróleo e derivados, embora não estejam abrangidas pelo monopólio instituído pela Lei 2.004.

• O petróleo é transportado por oleodutos, dos campos de produção terrestres e marítimos, para as refinarias. Quando o petróleo é importado, e descarregado nos terminais marítimos e transferido para as refinarias, também através de oleodutos. Processado nas refinarias, seus derivados são transportados para os grandes centros consumidores e para os

terminais marítimos, por onde são embarcados para distribuição ao longo da costa. O gás natural, por sua vez, é transferido dos campos de produção para as plantas de gás natural, onde, depois de processado para a retirada das frações pesadas, é enviado para os grandes consumidores industriais e para a rede de distribuição domiciliar. Para evitar o problema de contaminação, os derivados são transportados em oleodutos especiais, também chamados polidutos, que não são usados para transportar petróleo. A PETROBRÁS dispõe de extensa rede de oleodutos, gasodutos e polidutos (cerca de 7.000 km) que interligam campos

petrolíferos, terminais marítimos e terrestres, bases de distribuição, fábricas e aeroportos.

PROCESSOS DE REFINO DE

PETRÓLEO

• Destilação: separação de grupos de componentes por diferentes pontos de ebulição

• _Craqueamento (cracking): quebra de moléculas de

hidrocarbonetos pesados gerando produtos mais valiosos • _Polimerização: moléculas mais leves são combinadas para

produzir gasolina com alto teor de octano (oposto do craqueamento) • _Alquilação: semelhante à polimerização, embora possa combinar

moléculas diferentes entre si (importante para produção de gasolina para aviação)

• _Dessulfurização: remoção de compostos de enxofre do petróleo e seus derivados

• _Dessalinização: remoção de sal e água do óleo cru

Refinarias Brasileiras

• As refinarias transformam óleo bruto em derivados de petróleo utilizando a matéria prima disponível para atender às necessidades de produtos do mercado consumidor.

• Atualmente há treze refinarias em operação no Brasil, sendo doze da Petrobrás e uma privada, Manguinhos (tabela 1).

TABELA 1 – Refinarias Brasileiras 2009

REFINARIA SIGLA UF PRODUÇÃO M3_/DIA

Refinaria de Paulínia REPLAN SP 58.000 Refinaria Landulfo Alves RLAM BA 44.360 Refinaria Henrique Lage REVAP SP 40.000 Refinaria Duque de Caxias REDUC RJ 38.500 Refinaria Getúlio Vargas REPAR PR 30.000 Refinaria Alberto Pasqualini REFAP RS 30.000 Presidente Bernardes RPBC SP 27.000 Refinaria Gabriel Passos REGAP MG 24.000 Refinaria de Capuava RECAP SP 8.500 Refinaria de Manaus REMAN AM 7.300 Refinaria de Manguinhos RJ 2.000 Refinaria Ipiranga IPIRANGA RS 1.900 Fabrica de Lubrif. do Nordeste LUBNOR CE 1.100 TOTAL BRASIL 312.660

PREVISÃO DA PRODUÇÃO DE

PETRÓLEO

RND = Reservas Não Descobertas

Gás Natural

O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos leves encontrada

no subsolo, na qual o metano tem uma participação superior a 70 % em volume. A composição do gás natural pode variar bastante dependendo de fatores relativos ao campo em que o gás é produzido, processo de produção, condicionamento, processamento, e transporte

O gás natural é encontrado no subsolo através de jazidas de petróleo, por acumulações em rochas porosas, isoladas do exterior por rochas

impermeáveis, associadas ou não a depósitos petrolíferos. É o resultado da degradação da matéria orgânica de forma anaeróbica oriunda de quantidades extraordinárias de microorganismos que, em eras pré-históricas, se

acumulavam nas águas litorâneas dos mares da época. Essa matéria

BASE TEÓRICA

• COMPOSIÇÃO:



Muito variável, de campo para campo



Acima de 70% de metano (CH4)



Restante de etano (C

H

) e propano (C

H

)



Impurezas: CO

, N



Poder calorifico superior (PCS): entre 35000 e

43000 KJ/m



Quanto maior a concentração de componentes

CATEGORIAS DE GÁS NATURAL



petróleo (gás surge da produção prioritária do petróleo)

Gás natural não associado:

Gás natural liquefeito

GNL

• Gás natural liquefeito ou GNL é basicamente gás natural que, após purificado, é condensando ao estado líquido por meio da redução da sua temperatura a -1630_C

• Liquefação do Gás:consiste em processos termodinâmicos que promovem a mudança de estado dos gases para o estado líquido. Devido às características de alguns gases, o metano entre eles, a mudança para o estado líquido pode não ocorrer com a elevação da pressão, sendo necessário a adoção de resfriamento. Para tais

gases, chamados criogênicos, a temperatura acima da qual não existe uma mudança distinta das fases líquido e vapor, a

temperatura crítica, se encontra abaixo da temperatura ambiente. A liquefação do gás natural permite estoca-lo e transporta-lo sob

forma condensada em condições técnico-econômicas viáveis.

Como sua densidade é menor de 500 kg/m³, não necessita de uma estrutura mais forte do que se fosse para água. Se o gás fosse

GNL-Características relevantes

• incolor

• temperatura do líquido à

pressão atmosférica é entre (-165) °C e (-155) °C,

dependendo da composição • pressão operacional da planta

entre poucos mbar até 75 bar • densidade relativa entre 0,43 a

0,48, conforme a composição • calor de vaporização latente

de 120 Kcal/kg

USO DE GÁS NATURAL, NO

BRASIL

INDÚSTRIA DO GÁS NATURAL

MESMAS ETAPAS DA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO:



Exploração



Produção



Processamento

→

UPGN (Unidades de

Processamento do Gás Natural)



Transporte



GNC (Gás Natural Comprimido

→

gasodutos,

cilindros de alta pressão, etc)



GNL (Gás Natural Liquefeito

→

Tanques

criogênicos a -160

_C



Navio metaneiros, vagões, barcaças, caminhões,

etc)

_→

volume reduzido em 600 vezes

UNIDADES DE PROCESSAMENTO DO

GÁS NATURAL



Desidratação (remoção de vapor d’água)



Fracionamento

Carvão

Carvão mineral é o nome dado ao produto que se assemelha a uma rocha marrom ou preta resultante de resíduos

florestais acumulados sob a forma de turfa. Este material orgânico sepultado passou por vários processos geológicos sendo progressivamente comprimido e endurecido

DADOS GERAIS



Existe em grande abundância em vários países: EUA,

Índia, China, Rússia, etc.



Carvão é formado a partir de material vegetal

acumulado em pântanos há milhões de anos.



A turfa formada é compacta ao longo dos anos e forma

os veios de carvão.



Os tipos de carvão são formados de acordo com as

pressões e temperaturas que são submetidos.



O poder calorífico aumenta com o teor de carbono

presente.

TIPOS DE CARVÃO

Empregam-se, em geral, dois métodos para determinar a composição dos carvões: a "análise elementar", estabelece as porcentagens totais dos elementos presentes

(carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre e nitrogênio); e a "análise aproximada" fornece uma estimativa empírica das quantidades de umidade, cinza e materiais voláteis, e de carbono fixo. Os carvões classificam-se ou ordenam-se de acordo com o seu conteúdo de carbono fixo, cuja proporção aumenta à medida que o minério se forma. Em ordem ascendente, os principais tipos são: linhito, que se desgasta rapidamente, pode incendiar-se

espontaneamente e tem baixo valor calorífico; é usado sobretudo na Alemanha e na Austrália; carvão sub-betuminoso, utilizado principalmente em estações geradoras; carvão betuminoso, o tipo mais comum e que, transformado frequentemente em coque tem amplo emprego

Extração do Carvão

Minas do Leão-RS

Lavra Subterrânea

Produção de carvão por países e anos (milhões de toneladas)[4][5][6]

País 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 % Reservas (anos)

China 1834.9 2122.6 2349.5 2528.6 2691.6 2802.0 2973.0 3240.0 48.3 % 35

Estados

Unidos 972.3 1008.9 1026.5 1054.8 1040.2 1063.0 975.2 984.6 14.8 % 241

União

Europeia 637.2 627.6 607.4 595.1 592.3 563.6 538.4 535.7 4.2 % 105

Austrália 350.4 364.3 375.4 382.2 392.7 399.2 413.2 423.9 6.3 % 180

Rússia 276.7 281.7 298.3 309.9 313.5 328.6 301.3 316.9 4.7 % 495

Indonésia 114.3 132.4 152.7 193.8 216.9 240.2 256.2 305.9 5.0 % 18

África do Sul 237.9 243.4 244.4 244.8 247.7 252.6 250.6 253.8 3.8 % 119

Alemanha 204.9 207.8 202.8 197.1 201.9 192.4 183.7 182.3 1.2 % 223

Polónia 163.8 162.4 159.5 156.1 145.9 144.0 135.2 133.2 1.5 % 43

Cazaquistão 84.9 86.9 86.6 96.2 97.8 111.1 100.9 110.8 1.5 % 303 Total mundial 5,301.3 5,716.0 6,035.3 6,342.0 6,573.3 6,795.0 6,880.8 7,273.3 100 % 119

PRINCIPAIS USOS



Aquecimento de fornos de siderúrgicas



Indústria química (produção de corantes)



Fabricação de explosivos



Inseticidas



Plásticos



Medicamentos



Fertilizantes

CARVÃO MINERAL BRASILEIRO

• _Baixa qualidade:

• _Baixo poder calorífico

• _Quantidade elevada de cinzas

• _Santa Catarina: maior produtor brasileiro de carvão mineral (Vale do Rio Tubarão)

• _Rio Grande do Sul: grandes jazidas com produção utilizada em termoelétricas locais

• _Importação de 50% do carvão consumido, oriundo de:

Estados Unidos, Austrália, África do Sul e Canadá • _Principais usos no Brasil:

85% _ Termoelétricas

6% _ Indústria de cimento

4% _ Indústria de papel e celulose

Gaseificação do Carvão

• Conversão em Produtos gasosos pela reação com O₂; vapor

H₂O; CO₂(ou uma mistura deles)

• Produtos da Gaseificação: CO₂; CO; H₂; CH₄

• As razões para a gaseificação:

a) Produção de um substituto para o gás natural ( conteúdo calorífico de 30 kJ/m3.

b) Produção de um gás de baixo poder calorífico(4,5 kJ/m3_{) a partir}

de carvão de baixa qualidade em esquemas de cogeração em que o gás aciona uma turbina aumentando a eficiência de

geração de eletricidade

Gaseificação do Carvão

(continuação)

• A temperatura do Reator não é uniforme mas contém regiões em que as reações químicas ocorrem em uma certa seqüência à medida em que a temperatura aumenta e ~500-10000_C.

• Na primeira fase o carvão é introduzido no reator com vapor a alta temperatura ( 500-7500C) sendo volatilizado:

Carvão+H₂O+O_2→CH₄+C+CH₂(processo exotérmico)-fonte de gás e energia

• A seguir a temperaturas mais altas, o carbono reage com o hidrogênio pelo processo de hidrogaseificação( metanização) produzindo metano

C+2H_2→CH₄

• Simultaneamente carbono e vapor reagem através da reação endotérmica:

C+H₂O_→CO+H₂ e CO+H₂O_→CO₂+H₂

Gaseificadores

Gaseificador de Lurgi

Gaseificador Co-Corrente

Usados na 20 _{Guerra para Produção}

Liquefação do Carvão

• Conversão do Carvão num óleo sintético bruto adequado para ser refinado( produção de combustível) ou para a industria petroquímica

• Existe uma variedade de métodos , no principal deles o denominado Fisher-Tropsh, no qual o carvão é gaseificado num reator de Lurgi com oxigênio e vapor. Este gás é lavado com CH₄OH para remover o H₂S, compostos orgânicos de enxofre e CO₂. A seguir é préaquecido e passa através de um catalisador fixo produzindo hidrocarbonetos, incluindo gás de petróleo liquefeito, óleo diesel leve e compostos oxigenados.

• Este método foi usado na Alemanha, 20 _{guerra, para produzir gasolina e}

óleo diesel. É denominado método indireto uma vez que passa pelo processo de gaseificação.

• Nos métodos diretos o carvão é aquecido rapidamente sem contato com o ar(T>4000_{C), numa operação chamada pirólise, liberando matéria volátil.}

Os gases e vapores resultantes são resfriados produzindo hidrocarbonetos que são dessufirizados por aplicação de H_2. Este processo produz grandes quantidades de gás e resíduos sólidos que devem ser removidos

Diagrama de Processos dos processos de

Liquefação de Carvão

carvão Gaseificação

CO₂, H_2, CH₄, CO

H₂S Limpeza

Fisher

Tropsch Líquidos

Liquefação de Carvão, método indireto de Fisher Tropsch

Carvão PIRÓLISE Gás

óleos

Limpeza

H₂ H₂S

Líquido

Xisto Betuminoso

Xisto betuminoso

é uma rocha sedimentar

Xisto Betuminoso

• Sua origem é de depósitos lacustres ou marinhos e ricos em

matéria orgânica(~10%). A matéria orgânica, chamada querogênio

é insolúvel em solventes comum, mas se decompõem em óleo quando aquecida.

• O minério é extraído, fragmentado e aquecido para liberar o óleo, que a seguir é refinado como petróleo. É um processo de

rendimento baixo e muito poluente, no estágio atual da tecnologia. No entanto, calcula-se que a quantidade total de óleo que pode ser produzida a partir do xisto é quatro vezes maior que todas as

reservas de petróleo.

• Quartzo, pirita, feldspato, carbonatos minerais( dolomita e calcita) são frequentemente encontradas nos xistos em quantidades

Xisto( continuação)

• O querogênio é uma

substância muito complexa de composição variável, podendo ser genericamente descrito

como um composto orgânico

mineral de alto peso

molecular. Na tabela ilustra-se

a razão C/H comparada com carvão e Petróleo

• As reservas Mundiais de Xisto são ilustradas a baixo:

Região Reservas Conhecidas Reservas Estimadas (barrisx109_{) ( barrisx10}9₎

África pequenas 80000 Ásia 14 110000 Europa 6 26000 América

Do Norte 1600 50000 América

Do Sul 750 40000

• O numero de barris de óleo recuperável é muito maior do que as reservas de petróleo existentes, o problema é a tecnologia de extração.

Produção de Xisto

Produção de Xisto

O óleo é produzido do querogênio quando o Xisto é aquecido numa Retorta na ausência de Oxigênio( destilação Destrutiva).

Se a temperatura é ~5000_C

O Xisto no Brasil

Processo Petrosix:é uma tecnologia desenvolvida pela Petrobrás, com a finalidade de extrair óleo combustível das rochas de

folhelho betuminoso, também chamado de xisto betuminoso,

da Formação Irati, uma formação geológica Permianada Bacia do Paraná.

A principal característica desta tecnologia é a sua simplicidade operacional. Depois de minerado a céu aberto, o xisto vai para um britador, que reduz as pedras a tamanhos que variam de 6 a 70 milímetros. Então, estas pedras são levadas a um reator, ou retorta onde são pirolisada a uma temperatura de aproximadamente 500 graus centígrados, liberando-se a matéria orgânica nelas contida sob a forma de óleo e gás.

O calor para a pirólise é fornecido por uma corrente gasosa de elevada temperatura, que entra na zona de

retortagem e se mistura com uma segunda corrente, injetada pela base da retorta, para recuperar o calor do xisto já retortado.

Nas zonas de aquecimento e secagem, a massa gasosa ascendente cede calor ao xisto e se resfria, resultando na condensação dos vapores de óleo sob a forma de gotículas, transportadas para fora da retorta pelos gases. Estes, com as gotículas de óleo passam por dois outros equipamentos (ciclone e precipitador eletrostático), onde são coletados o óleo pesado e as partículas sólidas arrastadas na etapa anterior.

O gás limpo de neblina de óleo (ou seja, das gotículas de óleo pesado condensadas durante a retortagem) passa por um compressor e se divide em três correntes: uma retorna para o fundo da retorta, outra também volta à

retorta após ser aquecida em um forno, e a terceira, denominada gás produto, vai para um condensador onde o óleo leve é recuperado. Depois de retirado o óleo leve, o gás é encaminhado à unidade de tratamento de gás para a produção de gás combustível de xisto e para a recuperação do GLX (gás liquefeito de xisto), mais conhecido como gás de cozinha) e do enxofre.