Notas das aulas da disciplina de INSTALAÇÕES E SERVIÇOS ... - Combustiveis_ISI.pdf · 2006 Instalações e Serviços Industriais 3 Recursos energéticos •A escassez dos chamados

1Instalações e Serviços Industriais2006

Combustíveis

Notas das aulas da disciplinade

INSTALAÇÕES E SERVIÇOS INDUSTRIAIS


Temas a discutir

• Recursos energéticos• Tipos de combustíveis• Transporte e armazenagem


Recursos energéticos

• A escassez dos chamados combustíveis clássicos é cada vez mais frequente.

• A procura das energias alternativas é cada vez maior, principalmente nas sociedades industrializadas. No entanto não foram ainda desenvolvidos métodos economicamente viáveis para a produção destas energias, capazes de superar o rendimento, a simplicidade e a versatilidade da utilização dos combustíveis clássicos.


Reservas energéticas mundiais

Fonte de energia Tipo Reservas (x1021 J)

Química (Fossil) Carvão,Petróleo e Gás

326

Fissão nuclear Uránio/ Tório 600Fusão Deutério 1010

Outras fontes de energiasolar, eólica,

hídrica, geotérmica, resíduos industriais e urbanos.


Combustíveis clássicos

• A maior parte dos combustíveis são fósseis.

ExEx: : carvão, petróleo e seus derivados e o gás natural.

• Combustíveis não fósseisExEx: : madeira e seus derivados - carvão vegetal,

cascas, resíduos sólidos.


Característica térmica dos combustíveis

• Composição química:– CnHm - hidrocarbonetos– CnHmNoOpSq - composição geral tipo

• Tipo de reacção química: reacção exotérmica• Poder calorífico: calor libertado na combustão

completa por unidade de massa, volume ou mole de combustível (normalmente kJ/kg, kJ/m3

ou kJ/mole)– PCS = PCI + m(água)*λ

λ - calor latente de vaporização da água


Combustíveis sólidos

• Coque• Carvão: antracite, hulha, lenhite,

betuminoso, sub-betuminoso, turfa• Madeira: casca, serrim, serradura, estilha

(pinho, eucalipto, oliveira, etc.)• Resíduos sólidos: casca de arroz, bagaço

de azeitona, bagaço de cana de açúcar, lixo urbano, lixo hospitalar, pneus, restos de materiais poliméricos.


Coque de petróleo

• Coque de petróleo– Produto sólido, negro e brilhante, obtido por

craqueamento de resíduos pesados, essencialmente constituído por carbono (90 a 95%)

– Combustível sólido muito poluente e com um elevado potencial de perigosidade para a saúde humana e para o ambiente, nomeadamente pela sua composição em enxofre e metais pesados. Queima sem deixar cinzas

– Usado na indústria metalurgia, cerâmica e mais recentemente nas cimenteiras


Coque de petróleo e a poluição

• O aumento da utilização do coque petróleo decorre do facto deste combustível ser mais barato do que outras alternativas menos poluentes, nomeadamente o gás natural, por, inexplicavelmente, não estar sujeito ao Imposto Sobre Produtos Petrolíferos (ISP).

• Com o objectivo de corrigir as assimetrias criadas pela preferência do coque de petróleo em algumas indústrias portuguesas, os Ministérios da Economia e do Ambiente publicaram a Portaria 1387/2003 de 22 de Dezembro, tornando obrigatória a monitorização das emissões de gases e o cumprimento da legislação em vigor nas instalações que utilizem este combustível.


Processo de obtenção do coque


Imagens de combustíveis sólidos

Antracite

Preto com brilho metálico.Duro, parte formando estiletes muito finos.

Estilha

Bagaço de azeitona


Preparação dos combustíveis sólidos para queima

• Preparação:– secagem, – trituração, – corte, – separação granulometrica


Secadores


Trituradores


Principais propriedades características dos combustíveis

sólidos• Densidade• Teor de humidade• Percentagem de C• Percentagem de O2, H2, N2, S• Percentagem de matérias voláteis e minerais• Percentagem de cinzas e sua temperatura de fusão• Granulometria• Coesão• Dureza/Resistência • Dilatação por efeito de humidade• Fusibilidade das cinzas• Poder calorífico


Quando surge a utilização industrial do carvão?

• O uso generalizado iniciou-se na Europa no século XVI, se bem que antes da era Cristã já os Chineses e os Romanos o tivessem utilizado.

• Inglaterra: País da Europa que começou a substituir a madeira pelo carvão, na fabricação do ferro, papel e na indústria têxtil (revolução industrial).


Como resulta o carvão?

• Série de transformações sobre os restos vegetais acumulados em fundos pantanosos, lagunas ou deltas fluviais, e sua subsequente consolidação em areias e rochas.

• Acção de bactérias anaeróbicas, que produzem a decomposição dos hidratos de carbono e um comcomitante enriquecimento progressivo em carbono.


Reservas e formação do carvão


Classificação do carvão por grau de incarbonização (%)

1. Antracite 92 - 95 2. Hulha 91 - 93 3. Betuminoso 80 - 914. Sub-betuminoso 75 - 805. Linhite 60 - 756. Turfa < 60


Armazenagem do carvão

Céu abertoÁreas cobertasPerigo de combustão espontânea

devido ao calor produzido por oxidação atmosférica– carvão recém extraído e– montes de altura elevada

Pilha de 2,5 m, ventilação adequada, cobertura e pulverização com água.


Transporte do carvão e de outros combustíveis sólidos

• Do local de extracção até ao consumidor– via marítima ou terrestre (férrea)

• Do local de armazenagem até à caldeira– tela transportadora– sem-fim– cabazes em rotação vertical– gravidade– transporte pneumático– manualmente


Movimentação do carvão


Dados sobre Explosividade de poeiras

Material d50 [mm] Concentração Explosiva

Mínima [g/cm3]

Pmax[bar]

(dP/dt)max V1/3

[bar m/s]

Alumínio 29 30 12,4 415Carvão Bituminoso 24 60 9,2 129

Cortiça 7 - 10,3 202Polimetilmetacrilato 21 30 9,4 269

Polipropileno 25 30 8,4 101

Policloreto de Vinil 107 200 7,6 46

Açúcar 30 200 8,5 138

Zinco 10 250 6,7 125


Combustíveis líquidos• Derivados do petróleo

– gasolina– gasóleo– diesel-oil– burner-oil– thick-fuel-oil– thin-fuel-oil– coque

• Outros– alcóol, azeite, solventes, licor negro, restos de

tintas e vernizes


Principais propriedades dos combustíveis líquidos

• Viscosidade• Percentagem de enxofre• Temperatura de inflamação• Limite de inflamabilidade• Pressão de vapor• Cor/cheiro• Percentagem de água• Percentagem de sedimentos• Densidade• Coeficiente de dilatação• Poder calorífico• Toxicidade


Quando surge a utilização do petróleo ?

• 3 séculos a.c. já os SumSumééricosricos utilizavam o asfalto proveniente do Vale de Eufrates para embalsamar os mortos e calafetar os barcos e ajudar a fixar as pedras dos templos. O petróleo era também usado para tratar de doenças de pele.

• As origens da indústria do petróleo situam-se por volta do ano 18591859, quando o norte americano DrakeDrake, realizou o 1º furo no subsolo (21 m). Actualmente os furos chegam a ultrapassar 5,5 km de profundidade.


Como resulta o petróleo ?

• Encontra-se nos meios de origem sedimentar, formados no fundo de uma baía, um meio marítimo, ou em lagoas profundas e num ambiente químico redutor.

• As rochas devem ser suficientemente porosas, para permitir que o petróleo se armazene e permeáveis para permitir a sua circulação.

• A matéria orgânica deposita-se, e pouco a pouco vai-se cobrindo de sedimentos. À medida que a profundidade aumenta vai-se degradando por efeito de bactérias, transformando-se em hidrocarbonetos.


Reservas de petróleo


Evolução recente do preço

do petróleo


Esquema simplificado das várias fases na destilação do petróleo e

produtos finais

GPLButano e Propano

Normal Super

Gasolinas Solventes

Petró leop/ motores

Carboreactores(JP1/JP4)

Petró leos Gasó leos

Fuel oil AlfaltosÓleos lubrificantes

Resí duo

Destilação do petróleo bruto


Refinaria da GALP - Porto


Unidades processuais do processo de destilação

• Destilação AtmosféricaNesta unidade realiza-se, por destilação, a separação primária de matéria prima (petróleo bruto) em quatro grandes fracções, designadas por:– produto topo (leves)

• O produto de topo é depois redestilado, dando origem a gases incondensáveis (fuel-gás), GPL e naftas leve e pesada

– petróleo, – gasóleo e – resíduo atmosférico.


Adoçamento do Petróleo

•O petróleo separado na destilação atmosférica contém vários contaminantes, especialmentesulfuretos orgânicos, designados tióis ou mercaptanos, que corroem os metais e exalam um odor desagradável.

• Por esta razão, o petróleo é sujeito a um tratamento específico, no qual os sulfuretos são convertidos em dissulfuretos não corrosivos e eventuais traços de gás sulfídrico e ácidos carboxílicos são removidos.

• A maior parte do petróleo tratado é usado como combustível para a aviação, sob a designação de jet-fuel.


Dessulfuração de Gasolina Pesada

•Remove por via catalítica em atmosfera de hidrogénio, os compostos orgânicos de enxofre, oxigénio e azoto presentes na gasolina pesada, os quais actuariam como veneno permanente ou temporário do catalisador da Unidade de Reformação Catalítica (Platforming) situada a jusante, na fileira de tratamento.

• O produto gasoso da reacção, constituído por hidrogénio e hidrocarbonetos muito leves gás sulfídrico (H2S) e amoníaco (NH3), é submetido a um tratamento de purificação por aminas (tratamento de gases);

• o gás sulfídrico separado é enviado para a unidade de recuperação de enxofre e os hidrocarbonetos encaminhados para a rede de fuel-gás.


Platformings semi-regenerativo e de regeneração contínua (CCR)

• O propósito desta operação é converter os hidrocarbonetos nafténicos e parafínicos em aromáticos (reformação catalítica), libertando hidrogénio como sub-produto de reacção.

• A carga à unidade é constituída por nafta pesada dessulfurada; o produto líquido obtido, designado "reformado", com elevado teor em hidrocarbonetos aromáticos e um número de octano muito alto, é usado como componente de gasolinas ou como matéria prima para a Fábrica de Aromáticos.

• O hidrogénio produzido, depois de purificado (PSA), é usado como co-reagente nos processos catalíticos hidrogenantes. Os hidrocarbonetos leves produzidos na reacção são enviados para a recuperação


Tratamento de GPL e de Gasolina Leve

•Este processo de tratamento, designado Merox, tem como objectivo remover os mercaptanos (tióis) presentes nas correntes de GPL e nafta leve, através duma extracção com uma solução aquosa de soda cáustica.

• Os mercaptitos de sódio formados são depois removidos da solução de soda cáustica (regeneração da soda) por oxidação com ar na presença dum catalisador, convertendo-se em dissulfuretos orgânicos insolúveis na solução aquosa, separando-se por decantação.

• Os G.P.L. tratados são enviados para a Unidade de Recuperação de Gases. A gasolina leve tratada, segue para a armazenagem.


Tratamento de Gases I e II e Recuperação de Gases

•O tratamento de gases realiza a extracção do gás sulfídrico contido nas várias correntes gasosas destinadas a fuel-gás, utilizando uma lavagem, em contra-corrente, com uma solução aquosa de dietanolamina. A recuperação de gases, compreende a separação dos gases incondensáveis contidos nas correntes GPL (propano e butano) provenientes de diferentes unidades. Os produtos resultantes destas operações são: gás sulfídrico que é enviado à Unidade de Recuperação de Enxofre, os incondensáveis de petróleo (fuel-gás) e os G.P.L., que depois de sujeitos ao tratamento Merox, são separados em Propano e Butano comerciais.


Dessulfuração de Gasóleo I e II

• Trata-se dum processo de hidrodessulfuração do gasóleo (reacção catalítica, realizada a alta pressão parcial de hidrogénio, na presença dum catalisador apropriado) que reduz drasticamente o seu teor de enxofre.

• Em consequência da severidade da operação, formam-se alguns leves por craqueamento da carga, que são separados por stripping do gasóleo tratado, antes de este ser enviado para a armazenagem.

• pelos respectivos processos de purificação.


Produção de Enxofre

•Converte o sulfureto de hidrogénio (H2S) contido na corrente gasosa proveniente do Tratamento de Gases, em enxofre elementar. Este processo, designado “Claus”, compreende a queima de 1/3 da corrente de H2S para formação de SO2 que, reagindo com os 2/3 remanescentes, na presença dum catalisador, produz enxofre elementar. É um processo importante da fileira de tratamento na medida em que recupera, como produto comercial, todo o enxofre removido dos diferentes produtos pelos respectivos processos de purificação.


Principais combustíveis líquidos usados em caldeiras

Gasóleo Diesel Burner Thin Thick

Gasóleo 100 85 50 20 0

Thick 0 15 50 80 100


Armazenagem dos combustíveis líquidos

• Depósitos verticais ou horizontais– capacidade p/ 15 a 30 dias de consumo– materiais de construção: aço, fibra de vidro

• Equipamento de apoio para combustíveis pesados (i.e. elevada viscosidade)

– permutador de fundo (p/ limpeza)– permutador de choque (p/ bombagem)– resistências eléctricas

• Equipamento de controle de nível



UNIDADES PROCESSUAIS

• U0100 - Pré - DestilaçãoEsta unidade é, normalmente, alimentada com reformado (efluente da reformação catalítica), produzido na Fábrica de Combustíveis. É constituída por três colunas de destilação em série, que separam a alimentação nas seguintes correntes processuais: fracção gasolina leve C5-; corte de C6/C7; corte de C8's e um corte de aromáticos pesados C9+. A gasolina leve é devolvida à refinaria como componente de gasolinas e de nafta química; os aromáticos pesados são usados como matéria prima na Unidade Solventes (U0500), para a produção de solventes industriais aromáticos (C9+ tipo I e II) e comocomponente de gasolinas na refinaria.

• U0200 - ArosolvanEsta unidade trata o corte C6/C7 proveniente da U0100. Os componentes alifáticos são separados dos aromáticos por extracção líquido-líquido, usando como solvente a N-metil-2-pirrolidona (NMP). O extracto, após recuperação do solvente por destilação e lavagem com água, é submetido a uma destilação para obtenção do benzeno e o tolueno de elevada pureza. A corrente de refinado alifático, após lavagem com água, é usada na U0500 para produção de solventes industriais alifáticos (hexano, heptano, solvente borracha, etc.) ou devolvida à refinaria como componente de nafta química e gasolinas.



• U0300 - ParexA U0300 destina-se a produzir para-xileno de elevada pureza, a partir do corte C8 recebido da U-100, quase inteiramente constituído por p-xileno e seus isómeros. O para-xileno é separado por um processo de adsorção selectiva realizada em fase líquida; o adsorvente (peneiro molecular) é um material zeolítico cuja natureza e tipo de porosidade favorece a adsorção do p-xileno em detrimento dos outros hidrocarbonetos presentes. A desadsorção do paraxileno, faz-se usando a um desorvente específico, neste caso o para-dietilbenzeno, do qual finalmente se separa por destilação.

• U0400 - IsomarEsta unidade recebe a mistura pobre em para-xileno proveniente da U0300. Esta corrente, essencialmente constituída pelos isómeros ortoe meta-xileno e por etilbenzeno, segue para um reactor onde, em atmosfera hidrogenante e na presença de um catalisador especifico, ocorre a isomerização dos C8's, restabelecendo o equilíbrio em xilenos. De seguida, por destilação é retirado o orto-xileno como produto final e a restante corrente de C8's (rica em paraxileno) retorna à U0300.



• U0500 - SolventesFunciona alternadamente, produzindo por destilação do refinado da unidade Arosolvan (U-0200) solventes alifáticos, designadamente hexano e heptano, ou solventes aromáticos (C9+ tipo I e II) por destilação da corrente de aromáticos pesados proveniente da U0100.

• GZ0600 - Produção de AzotoA Fábrica de Aromáticos possui uma unidade de produção de azoto. O azoto é obtido por destilação criogénica do ar liquefeito. Como gás inerte, o azoto é utilizado na instalação para inertização de equipamentos e circuitos por razões de segurança e na cobertura de produtos armazenados para evitar a sua oxidação.


Características dos principais combustíveis líquidos

• Massa volúmica• thick-fuel-oil = 940,5 - 0,7 T (kg/m3)• thin-fuel-oil = 930,5 - 0,7 T (kg/m3)• gasóleo = 850,5 - 0,7 T (kg/m3)

• PCI• thick-fuel-oil = 40195 kJ/kg• thin-fuel-oil = 41030 kJ/kg• gasóleo = 42705 kg/kg

• Viscosidade cinemática• thick-fuel-oil = 300 - 800 CSt• thin-fuel-oil = 100 - 200 CSt• gasóleo = 2,1 - 5,8 CSt


Temperaturas mínimas recomendadas para armazenagem e

transporte da nafta

• Armazenagemthick-fuel-oil = 40 oCthin-fuel-oil =25 oC

• Saída do tanque para alimentação do queimador

thick-fuel-oil = 50 oCthin-fuel-oil =30 oC


Reservatórios de combustível


Transporte de combustíveis líquidos

• Da refinaria até ao consumidor– via marítima ou terrestre (camiões cisternas)

• Do local de armazenagem até à caldeira– gravidade– bombagem: bomba de engrenagens

equipamento da linha:filtro, permutador, resistências eléctricas, válvula de comando modulado, by pass, circuito de retorno


Combustíveis gasosos

• Derivados dos processos químicos– gás de refinaria (H2S)– gás de alto forno (da volatiliz. de comb. sólidos)

• Derivados do petróleo– propano, propeno– butano

• Gás natural– metano, etano


Principais propriedades dos combustíveis gasosos

• Densidade (d)• Densidade em relação ao ar seco• Temperatura de ebulição à pressão atmosférica• Temperatura de inflamação no ar• Limite de inflamabilidade• Massa molecular• Índice de Wobbe: Wo=Ho/(d)0,5

• Odor (artificial, para efeito de detecção)• Poder calorífico (Ho)


Quando surgiu a utilização do gás natural ?

• Iniciou-se no princípio do século XX nos EUA• Relação percentual de consumo mundial em

1955: EUA

90

Europa Oriental

5

Europa Ocidental

1

Resto do Mundo

4

• Nos anos 70 houve um impacto no consumo de gás natural

• Entrada do gás natural em Portugal: 1997


Reservas de GN no Mundo


Gás natural em Portugal

• O gás natural é totalmente importado• Existem normas que regulamentam:

– importação, ordenamento, armazenamento, transporte e distribuição (concessão de um serviço público)

• Prevê-se que entre o ano 2000 e 2010 o gás natural seja responsável por 8 a 10% do consumo energético nacional.

• Prevê-se que a dependência em relação ao petróleo diminua para cerca de 55 a 60 %.


Principais combustíveis gasosos usados em caldeiras

• Gás natural (inst. de média e grande dimensão)

• Propano/butano (instalações pequena dimensão)

• Biogás (ETAR´s)

• Gás de cidade (Lisboa)


Rede nacional de GN


Rede ibérica de GN


Preço do Gás Doméstico


Armazenagem dos combustíveis gasosos

• Reservatórios sob pressão: gás no estado líquido

• Reservatórios (normalmente subterrâneos) nos pontos terminais das condutas ou próximo dos consumidores: gás natural

• Espaços porosos ou com fendas: campos de exploração de gás abandonados e minas de hidrocarbonetos

• Cavernas artificiais


Tanque de armazenagem


Transporte dos combustíveis gasosos

• Do posto até ao consumidor– via marítima ou terrestre (camiões cisternas), para

pequenas quantidades e locais em que não há rede de distribuição

– pipelines, a uma pressão de 80 bar, podendo subir até 180 bar, quando estes estão submersos

• Do ramal (válvula de seccionamento da concessionária) até à caldeira: Existem 3 categorias em função da pressão de serviço (>20 bar, entre 4 e 20 bar, e < 4 bar)– tubagem, válvulas de seccionamento, unidades de

contagem e instrumentação de registo, uniões, purgadores de ar


Rede de gás


VF de diversos combustíveisφ =0,8 φ =0,9 φ =1,0 φ =1,1 φ =1,2 VFmax φ p/ VFmax

Etano 36,0 40,6 44,5 47,3 47,3 47,6 1,14

Propano - 42,3 45,6 46,2 42,4 46,4 1,06

Metano 30,0 38,3 43,4 44,7 39,8 44,8 1,08

Isopentano 33,0 37,6 39,8 38,4 33,4 39,9 1,01

Acetileno 107 130 144 151 154 155 1,25

Etileno 50,0 60,0 68,0 73,0 72,0 73,5 1,13

Propileno - 48,4 51,2 49,9 46,4 51,2 1,00


Limites de inflamabilidade

• Temperaturas baixas ⇒ baixas taxas de reacção

• Existe uma gama restrita de condições que dão origem a taxas de reacção suficientemente elevadas para permitir combustão auto-sustentada.

• Limites de inflamabilidade –corresponde às percentagens volumétricas de combustível na mistura gasosa entre as quais épossível ter uma combustão auto-sustentada.


Limites de inflamabilidadede alguns combustíveis

Determinados à pressão atmosférica e temperatura ambiente num tubovertical de 50 mm de diâmetro co propagação de baixo para cima

Combustível LII (% Volumétrica) LSI (% Volumétrica)

Metano 5,3 15

Etano 3,0 12,5

Propano 2,2 9,5

Etileno 3,1 32

Propileno 2,4 10,3

Acetileno 2,5 80

Benzeno 1,4 7,1

Alcool metílico 7,3 36

Etanol 4,3 19


Limites de inflamabilidade em Ar e O2

LII LII LSI LSI

Ar O2 Ar O2

CO 12 16 75 94

Amoníaco 15 15 28 79

Hidrogénio 4 4 74 94

Acetileno 2,5 2,5 80 93

Etileno 2,7 2,9 36 80

Metano 5 5 14 61

Propano 2,2 2,2 10 55

Etano 3 3 12,5 66

Butano 1,8 1,8 8,4 49

Hexano 1,2 1,2 7,5 52


Distribuição dos combustíveis no sector cerâmico

Dados de 2004

Fonte:


Combustíveis no sector cerâmicoDados 2004


Tabela de factores de emissão

Combustível Factor de emissão

(ton CO2/TJ)

Biomassa 0

Gás natural 56,1

Gás propano 63,0

Fuel 73,3

Coque de petróleo 100,8


LINKS

• http://www.galpenergia.com/Galp+Energia/Portugues/a+Galp+Energia/a+refinacao/refinaria+porto/Ref_Porto_default.htm

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