A indústria petroquímica realiza uma variedade de processos baseados em moléculas de carbono e hidrogênio, primordialmente derivadas do petróleo e do gás natural. O setor foca na produção de “building blocks” (principalmente eteno e propeno), que são convertidos em uma ampla gama de produtos. As principais matérias-primas incluem carvão, petróleo, gás natural liquefeito e gás natural, cada uma com origem e processo de produção específicos.
Antes de tudo, a matéria-prima usada influencia diretamente a composição dos produtos. Primordialmente, em processos de craqueamento a vapor, matérias-primas mais pesadas produzem uma variedade maior de produtos em comparação às matérias-primas mais leves. O craqueamento a vapor quebra ligações C-C ou C-H, de forma térmica ou catalítica. A indústria petroquímica utiliza os produtos resultantes para fabricar tanto commodities quanto especialidades, voltados à produção de polímeros, fibras, borracha, entre outros.
No refino de petróleo, o craqueamento é o processo que quebra moléculas pesadas de hidrocarbonetos em moléculas mais leves utilizando calor e, geralmente, pressão e catalisadores. Esse é o processo mais importante para a produção comercial de gasolina e óleo diesel. Vamos entender um pouquinho mais ?
Processo de craqueamento
O craqueamento quebra grandes moléculas de hidrocarbonetos em moléculas menores e mais úteis. Esse processo ocorre sob altas pressões e temperaturas sem um catalisador ou com pressões e temperaturas mais baixas na presença de um catalisador. O craqueamento térmico ou craqueamento a vapor ainda é a principal rota para a produção de olefinas leves, sendo responsável por 95% da produção mundial de etileno e por 60% da produção de propileno, como subproduto da fabricação de etileno.
Durante o craqueamento do petróleo, são gerados óleos leves (equivalentes à gasolina), óleos de médio alcance usados em óleo diesel, óleos pesados residuais, coque (um produto carbonáceo sólido) e gases como metano, etano, etileno, propano, propileno e butileno. Tudo certo? Alguma dúvida? Não se preocupe, piora!
Nesse sentido, dependendo do produto final desejado, os óleos podem ser direcionados diretamente para a mistura de combustível ou submetidos a outras reações de craqueamento e processos de refino para atingir a densidade adequada.
Os gases (tudo é aproveitado) podem ser utilizados como combustível na própria refinaria, mas também são matérias-primas importantes para plantas petroquímicas, onde são transformados em diversos produtos finais, como borracha sintética, plástico e produtos químicos agrícolas.
Processo de craqueamento catalítico
As grandes moléculas de hidrocarbonetos geralmente provêm da fração de nafta ou de gasóleo, extraídas por destilação fracionada do petróleo bruto. Embora sejam obtidas como líquidos, essas frações são vaporizadas novamente antes do craqueamento. Em seguida, os hidrocarbonetos se misturam com um catalisador, atualmente composto por zeólitas (aluminossilicatos complexos), que são mais eficientes do que as antigas misturas de óxido de alumínio e dióxido de silício. Esse monte de nomes parece uma “festa estranha com gente esquisita”, mas não, é apenas a beleza da química!
Desse modo, a mistura de hidrocarbonetos e catalisador entra em uma câmara/reator de reação a cerca de 500 °C. Esse processo é chamado de craqueamento catalítico fluido, pois a mistura de gás e sólido fino se comporta como um líquido. Apesar disso, mesmo com característica fluida, o processo representa uma catálise heterogênea, já que o catalisador e os reagentes estão em fases diferentes.
Após o craqueamento, o processo recupera o catalisador, e a mistura resultante é separada por resfriamento e destilação fracionada. Além disso, no craqueamento, não ocorre uma única reação. O processo quebra as moléculas de hidrocarbonetos de maneira bastante aleatória, gerando misturas de hidrocarbonetos menores, alguns dos quais contêm ligações duplas carbono-carbono. Uma possível reação envolvendo o hidrocarboneto C₁₅H₃₂ é:
Ou, mostrando mais claramente o que acontece com os vários átomos e ligações:
Apesar disso, essa é apenas uma das maneiras pelas quais essa molécula específica pode se quebrar. Por fim, o eteno e o propeno são materiais essenciais na produção de plásticos e outros produtos químicos orgânicos. O octano é uma das moléculas presentes na gasolina. UFA! Acabou? Não mesmo, vamos continuar!
Processo de isomerização
Os hidrocarbonetos usados na gasolina recebem uma classificação de octanagem que se relaciona com a eficácia com que eles funcionam no motor. Um hidrocarboneto com uma alta classificação de octanagem queima mais suavemente do que um com uma baixa classificação de octanagem.
Moléculas com “cadeias retas” (chama de retilíneas) têm uma tendência à pré-ignição. Quando a mistura gasolina/ar é comprimida, elas tendem a explodir e, em seguida, explodem uma segunda vez quando a faísca passa por elas. Essa explosão dupla produz batidas no motor.
As classificações de octanagem são baseadas em uma escala na qual o heptano recebe uma classificação de 0 e o 2,2,4-trimetilpentano (um isômero da octanagem) uma classificação de 100.
Para aumentar a octanagem das moléculas presentes na gasolina e melhorar sua queima em motores modernos, a indústria do petróleo reorganiza moléculas de cadeia reta em isômeros de cadeia ramificada.
Um dos processos utiliza um catalisador de platina em uma base de zeólita, operando a cerca de 250 °C e sob uma pressão de 13 a 30 atmosferas. Esse processo é especialmente eficaz para transformar cadeias retilíneas com 5 ou 6 átomos de carbono em seus isômeros ramificados.
Óxidos catalisadores na indústria petroquímica
O craqueamento catalítico térmico usando catalisadores de alumina modificados em um reator de leito fixo, pode ser operando entre 760 e 820 °C e à pressão atmosférica. Onde há uma impregnação de catalisador de alumina com carbonato de potássio em concentrações de até 8,8% em peso. Visando reduzir a formação de coque. E assim, essa reação reduziu a deposição de coque, mas também diminuiu as quantidades de metano, etileno e propileno produzidas.
Já ao craquear cataliticamente a nafta sobre α-Al₂O₃ impregnado com KVO₃ em um reator de leito fixo, aumentando os rendimentos de etileno e propileno para 10% e 5% em peso, respectivamente, em comparação com um reator de tubo aberto nas mesmas condições operacionais. Sendo assim, a geração e deposição de coque nas superfícies do catalisador aumentaram com a temperatura da reação e o comprimento axial do reator, mas diminuíram com o aumento da quantidade de catalisador. Os resultados também mostraram que a adição de B₂O₃ ao catalisador gerou uma forte interação entre KVO₃ e α-Al₂O₃.
Outro processamento é craqueamento catalítico de n-hexano sobre o catalisador MoO₂ em uma faixa de temperatura entre 557 e 640 °C. Nesse processo houve um aumento a seletividade para olefinas e reduziu a seletividade para alcanos. Nos primeiros testes, observaram a formação de uma camada de MoOxCy no catalisador, que mostrou resistência contra a desativação pela deposição de coque.
Também existe a pirólise catalítica da nafta, realizada em um reator de quartzo com esferas de α-Al₂O₃ de 5 mm, buscando aumentar a produção de olefinas leves. A adição do catalisador aumentou os rendimentos de etileno e propileno para cerca de 10% e 5%, respectivamente, em comparação ao craqueamento térmico sem catalisador nas mesmas condições. Existem vários estudos e vários catalisadores, a indústria petroquímica investe pesado em pesquisa e desenvolvimento.
Conclusão
Em síntese, indústria petroquímica desempenha um papel crucial na produção de uma vasta gama de produtos químicos, plásticos e combustíveis, utilizando processos complexos e especializados. Os processos de craqueamento, tanto quanto o térmico quanto catalítico, são importantes para a transformação de moléculas pesadas de hidrocarbonetos em produtos mais leves e úteis, como etileno e propileno, essenciais para a fabricação de plásticos e outros.
Além disso, a contínua pesquisa e desenvolvimento na indústria petroquímica visam melhorar a eficiência energética, reduzir emissões e maximizar a recuperação de produtos valiosos. As inovações em catalisadores e processos são essenciais para atender à crescente demanda global por produtos petroquímicos, garantindo não apenas a sustentabilidade econômica do setor, mas também o compromisso com práticas ambientalmente responsáveis. Por fim, a indústria petroquímica, através de seus processos e tecnologias, se destaca proporcionando materiais essenciais para uma variedade de aplicações cotidianas e industriais.
Veja mais em nosso blog:
Resistência dos materiais
Climatologia
