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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto PROJETO FEUP 2016/2017- MESTRADO INTREGADO EM ENGENHARIA QUIMICA Turma 4 Equipa 1 Supervisor: Eugénia Macedo Monitor: Joana Matos Realizado por: Daniel Oliveira [email protected] Inês Gonçalves [email protected] Joana Mendes [email protected] Luana Valente [email protected] Magda Dias [email protected] Pedro Matos [email protected] Dessulfuração da gasolina por líquidos iónicos

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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

PROJETO FEUP 2016/2017- MESTRADO INTREGADO EM ENGENHARIA QUIMICA

Turma 4 Equipa 1

Supervisor: Eugénia Macedo Monitor: Joana Matos

Realizado por: Daniel Oliveira [email protected]

Inês Gonçalves [email protected]

Joana Mendes [email protected]

Luana Valente [email protected]

Magda Dias [email protected]

Pedro Matos [email protected]

Dessulfuração da gasolina por líquidos iónicos

Projeto FEUP

MIEQ 1

ÍNDICE

RESUMO ................................................................................................................ 2

INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 3

TEORIA .................................................................................................................. 4

IMPORTÂNCIA ECONÓMICA E SOCIAL .......................................................................... 5

LÍQUIDOS IÓNICOS NA DESSULFURAÇÃO .................................................................... 7

LIQUIDO IÓNICO 1-METIL-3-OCTILIMIDAZÓLIO TETRAFLUOROBORATO ........................ 8

DESCRIÇÃO DO PROCESSO ...................................................................................... 8

IMPLEMENTAÇÃO A NÍVEL INDUSTRIAL ..................................................................... 11

CONCLUSÃO ......................................................................................................... 12

BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................... 13

Projeto FEUP

MIEQ 2

RESUMO

No âmbito da unidade curricular de Projeto FEUP, elaborámos um trabalho acerca

do tema proposto Dessulfuração de gasolina com líquidos iónicos.

O objetivo principal deste trabalho foi estudar em que consiste o processo de

dessulfuração da gasolina, o que são líquidos iónicos e porque se usam neste processo e

os seus impactos tanto económicos como ambientais.

Dessulfuração é o processo de remoção do enxofre ou de compostos de enxofre

principalmente de combustíveis. Existem vários métodos de dessulfuração, tais como:

dessulfuração por absorção, por oxidação, com membranas de separação de aromáticos e

com líquidos iónicos. Este último foi o processo de estudo proposto.

A temperatura a que os líquidos iónicos normalmente se encontram faz com que

estes sejam uma mais-valia a nível de estudo das várias interações moleculares. Além

disso, tornam possível adaptar as suas propriedades físico-químicas de acordo com a

aplicação pretendida. Posto isto, os líquidos iónicos são materiais promissores para a

aplicação industrial, e, por isso, cada vez mais, têm sido alvo de estudos científicos. Os

líquidos iónicos também poderão vir a ser muito úteis na dessulfuração da gasolina como

processo complementar, uma vez que estes capturam, eficazmente, os compostos

sulfurosos.

Projeto FEUP

MIEQ 3

INTRODUÇÃO

Atualmente, existe uma grande preocupação relativamente ao impacto das

atividades antropogénicas no ambiente, particularmente na qualidade do ar. O constante

aumento de emissões de poluentes atmosféricos (dióxido de carbono - CO2, óxidos de

azoto - NOx, dióxido de enxofre - SO2 e partículas em suspensão) tem sido associado a

efeitos negativos na saúde humana e na flora. No caso particular de NOx e SO2, estes

poluentes são óxidos de não metais e portanto em solução aquosa formam soluções

ácidas. A emissão destes poluentes e posterior dissolução pela água da chuva, acidifica a

mesma (chuvas ácidas). Grande parte das emissões destes poluentes está associada ao

consumo de combustível.

Deste modo, a sociedade começa a tomar medidas e, em 1997, na União Europeia,

surge uma diretiva com o intuito de diminuir a emissão de gases causadores de chuvas

ácidas para a atmosfera, tais como o dióxido de Enxofre.- «Para os fuelóleos pesados

(utilizados principalmente em centrais elétricas e unidades industriais) é legislado um teor

de enxofre máximo de 1% e para os gasóleos (utilizados, por exemplo, no aquecimento

doméstico) o teor de enxofre máximo é mantido em 0,2%. Estima-se que, em resultado da

proposta, a redução das emissões de dióxido de enxofre poderá chegar a 1 milhão de

toneladas por ano.»

Para estes elementos serem extraídos dos combustíveis há vários métodos, tais

como: membranas de separação de aromáticos, biodessulfuração e dessulfuração por

absorção (utilizando materiais com grande área de contacto como o carvão ativado) ou

com líquidos iónicos.

Projeto FEUP

MIEQ 4

TEORIA

Um dos líquidos iónicos que se tem vindo a utilizar para o processo de

dessulfuração é o C8mim BF4 - 1-metil-3-octilimidazólio tetrafluoroborato - pois este tem

muitas vantagens em relação a muitos outros líquidos iónicos, tais como: este é um líquido

que pode ser utilizado em laboratórios com diferentes temperaturas, enquanto muitos

outros só são úteis à temperatura ambiente; é muito higroscópico, isto é, absorve muito

bem a humidade do ar; é possível visualizar o efeito da temperatura e da pressão sobre a

densidade; não é corrosivo; pode ser usado em múltiplos ciclos para a remoção de

hidrocarbonetos aromáticos e compostos sulfurados e/ou nitrogenados de combustíveis,

visto que podem ser reutilizados sem perderem a capacidade de extração; e têm uma

pressão de vapor praticamente nula, o que faz com que não se evaporem no ar e, por isso,

não o poluam.

Comprovou-se, através de experiências realizadas, que o líquido iónico proporciona

uma alta tendência para extrair alguns constituintes aromáticos como os compostos de

tiofeno nas amostras de gasolina.

Como os líquidos iónicos não conseguem extrair os compostos de enxofre até ao

grau de purificação desejado, normalmente usam-se como processo complementar da

dessulfuração. A quantidade de enxofre contido nas amostras, depois de tratadas com

uma combinação de métodos de dessulfuração, reduz bastante (mais que 70% em todas

as amostras). Estudos indicam que a extração usando líquido iónico complementar a outro

processo de dessulfuração - dessulfuração por absorção - proporciona uma grande

eficácia e seletividade em relação à remoção dos compostos desejáveis, já que

apresentam diferentes solubilidades para várias substâncias e por isso pode ser visto

como uma estratégia de dessulfuração promissora na produção de gasolina com baixo teor

de enxofre. É expectável que a eficiência da dessulfuração possa ser aumentada,

otimizando os parâmetros operacionais como a temperatura de reação e as proporções

dos reagentes.

Projeto FEUP

MIEQ 5

IMPORTÂNCIA ECONÓMICA E SOCIAL

Os combustíveis fósseis existem em 3 fases: carvão, petróleo e gás natural,

representando, atualmente, um papel essencial no mundo e, consequentemente, na

economia mundial. Neste relatório/trabalho a atenção é focada no petróleo, mais

propriamente, na gasolina que resulta dele, nas refinarias.

O petróleo tem várias utilidades que determinam o funcionamento da sociedade de

hoje, pois serve como matéria-prima de vários plásticos e é fundamental em vários tipos de

indústrias, como a indústria automóvel.

No entanto, para além de fazer parte das energias não renováveis, os combustíveis

fósseis são muito poluentes.

A queima de combustíveis fósseis liberta enxofre, que se combina com oxigénio,

dando origem ao óxido de enxofre. Esse gás tem várias consequências nefastas na saúde

pública (o dióxido de enxofre é tóxico) e no ambiente.

No sentido de se combater a poluição gerada pela queima dos combustíveis fósseis,

é feita a dessulfuração da gasolina com líquidos iónicos.

A dessulfuração é também utilizada com o objetivo de aumentar o índice de octanas

da gasolina que está diretamente ligado com o grau de pureza.

Importância da dessulfuração da gasolina com líquidos iónicos na economia

nacional

A Petrogal é a única empresa em Portugal com capacidade produtiva de

combustíveis fósseis, possuindo duas refinarias, uma em Sines e outra em Leça da

Palmeira. É detida a 70% pela Galp Energia e 30% pela SinopecInternational.

A nível nacional, o teor de enxofre nas gasolinas tem vindo a diminuir por obrigação

legislativa e, face a essas leis, as empresas tiveram e têm de responder produzindo

gasolinas menos poluentes.

Apesar de a dessulfuração com líquidos iónicos não ser utilizada em Portugal,

outros métodos de dessulfuração são.

Na Galp, nos finais dos anos 90, foram feitas várias alterações na refinaria de Sines

com o objetivo de produzir gasolina com menor teor de compostos de enxofre.

Importância da dessulfuração da gasolina com líquidos iónicos na economia

mundial

Atualmente, os derivados de petróleo correspondem a cerca de 50% do total dos

produtos do mercado mundial, representando a gasolina, o gasóleo e o petróleo, cerca de

80% da energia total consumida em todas as atividades.

O petróleo apresenta impurezas que podem ser classificadas de oleofílicas e

oleofóbicas. As impurezas oleofílicas são solúveis no petróleo enquanto as oleofóbicas

não. O petróleo impuro é muito mais poluente, principalmente, devido ao elevado teor de

Projeto FEUP

MIEQ 6

enxofre, e, por isso, essas impurezas têm de ser removidas, podendo ser recuperadas e

utilizadas para outros fins.

Os combustíveis fósseis têm um papel de grande importância no mundo atual e, por

isso, devem conter o menor número possível de impurezas para que possam ser

consumidos de uma forma sustentável. Com todos os problemas ambientais com que a

humanidade se depara é necessário intervir com vista a tornar o consumo de combustíveis

o menos prejudicial possível para o planeta. Um tratamento eficaz da gasolina é essencial

para cumprir esse objetivo.

Para além das várias vantagens ambientais que advêm das gasolinas com baixo

teor de enxofre, estas também melhoram a ignição dos carros, o que tem influência sobre

o mercado automóvel.

As refinarias, um pouco por todo o mundo, têm investido na purificação da gasolina

com a finalidade de diminuir o teor de enxofre, como por exemplo a Petrobrás.

Apesar da dessulfuração com líquidos iónicos ter elevados custos, é o processo

com menor impacto ambiental. Por vezes a dessulfuração com líquidos iónicos é utilizada

como processo complementar. No entanto a dessulfuração da gasolina com líquidos

iónicos não é economicamente rentável, o que explica o baixo número de empresas que a

utilizam.

Projeto FEUP

MIEQ 7

LÍQUIDOS IÓNICOS NA DESSULFURAÇÃO

Os líquidos iónicos são substâncias que apresentam pontos de fusão e de ebulição

elevados devido a fortes interações iónicas que não são direcionais e têm um alcance

muito maior que a ligação covalente. A elevada estabilidade térmica e condutividade

elétrica, a grande resistência a oxidações e reduções, a possibilidade de solubilizarem

compostos orgânicos, inorgânicos e polímeros, de terem uma pressão de vapor quase

inexistente, o que elimina perdas por evaporação, baixa inflamabilidade e de serem

recicláveis são algumas das principais características dos líquidos iónicos. (2004; José

Esperança)

Existe uma grande variedade de iões, o que permite sintetizar um grande número de

líquidos iónicos diferentes e, consequentemente, com diferentes características.

Os líquidos iónicos, como todos os sais, contêm um anião e um catião. O par

formado por estes, assim como os seus tamanhos, influenciam as diferentes

características de cada líquido iónico. O catião é normalmente maior que o anião. Isto

implica que as organizações estruturais por eles formadas sejam complexas de modo a

manter a carga total da agregação dos iões neutra.

As propriedades físicas dos líquidos iónicos podem ser influenciadas pelo teor de

água, como por exemplo diminuir a solubilidade dos gases nestes, diminuir a viscosidade,

influenciar a sua densidade, alterar a sua tensão superficial. Um baixo teor de água

contribui para uma diminuição da tensão superficial dos líquidos iónicos. (Serra, Paulo

2013)

Os líquidos iónicos têm-se mostrado cada vez mais promissores em diversas áreas

de síntese, catálise/biocatálise, ciência dos materiais, eletroquímica e em tecnologias de

separação, tanto a nível laboratorial como à escala industrial. Com o desenvolvimento dos

processos industriais e das aplicações comerciais, existe a necessidade sistemática de

obter conhecimento acerca das propriedades físico-químicas dos líquidos iónicos, pois é

com base nessas propriedades que se escolhe o composto apropriado para determinada

aplicação, bem como o correto dimensionamento de equipamentos industriais. (Vânia

Filipa batista Martins, 2012)

Apesar de serem muito eficazes, os líquidos iónicos também apresentam algumas

desvantagens, como o facto de a sua utilização estar condicionada pelo grau de

viscosidade do líquido. Abaixo de -10ºC a 0°C a maior parte dos líquidos iónicos

conhecidos torna-se demasiado viscosa para ser útil como solvente. A viscosidade está

relacionada com a estrutura do catião. O aumento das cadeias dos grupos alquilos

aumenta a viscosidade devido a fortes interações entre as mesmas. Silva, “Líquidos

Iônicos - Alguns Aspectos Sobre As Propriedades , Preparação E Aplicações Líquidos

Iônicos - Alguns Aspectos Sobre As Propriedades , Preparação E Aplicações.”

Outra desvantagem será o facto de, apesar de os líquidos iónicos serem pouco

voláteis e não libertarem os resíduos para a atmosfera, ficam retidos na água, poluindo-a.

Projeto FEUP

MIEQ 8

Liquido iónico 1-metil-3-octilimidazólio tetrafluoroborato

Está provado que os líquidos iónicos com um maior grupo alquilo oferecem uma

melhor extração dos componentes contendo enxofre.

Através de estudos efetuados, demonstrou-se que, recorrendo a diferentes líquidos

iónicos, o C8mim BF4, 1-metil-3-octilimidazólio tretafluoroborato, tem a capacidade de

extrair tiofeno (composto aromático) enquanto a maior parte dos hidrocarbonetos

permanecem no refinado. Assim sendo, este líquido iónico é um dos escolhidos para a

realização da dessulfuração da gasolina.(Ferreira e Trierweiler 2009)

Figura 1: Catião imidazólio (Wikipedia, “Imidazol.”, 2007)

Figura 2: Anião tetrafluoroborato (Wikiwand, “Nekoordinirajoč Anion.”)

Projeto FEUP

MIEQ 9

DESCRIÇÃO DO PROCESSO

Dessulfuração é o processo de remoção de enxofre de um composto para evitar a

contaminação. Também conhecido como hidrodessulfuração, ou HDS, este processo

químico tem como objetivo converter o dióxido de enxofre em ácido sulfúrico, que pode ser

utilizado em baterias de automóveis e fertilizantes.

Como já referimos, há vários métodos para a extração do enxofre da gasolina, tais como:

membranas de separação de aromáticos, biodessulfuração e dessulfuração por absorção.

Porém, apesar de serem muitos, não são eficazes, pois apresentam uma estabilidade

muito reduzida e dissociam-se muito dificilmente. Cassol, “Líquidos Iônicos Em Processos

de Extração Seletiva de Compostos Aromáticos , Nitrogenados E Sulfurados Em Frações

Do Petróleo.”

Desta forma, muitas refinarias utilizam como processo principal (ou complementar

da dessulfuração por absorção) a dessulfuração com líquidos iónicos, pois é mais estável e

consegue ser efetuada a pressões e temperaturas normais.

Os líquidos iónicos são sais constituídos exclusivamente por aniões e catiões, que

fundem a uma temperatura igual ou inferior a 100ºC, geralmente encontram-se no estado

líquido à temperatura ambiente. E têm uma pressão de vapor quase nula.

A gasolina, para além de conter átomos de carbono e hidrogénio, contém também

compostos que contêm átomos de enxofre que são altamente indesejáveis, pois resultam

em corrosão de equipamentos e poluição ambiental. Em geral, alguns dos compostos

sulfurados são os tióis, tiósteres e compostos aromáticos como o tiofeno, benzenotiofeno,

dibenzotiofeno, sendo estes três últimos removidos mais dificilmente pelo método industrial

de hidrodessulfuração (HDS). Ibid.

Um dos fatores que influencia a percentagem de extração por parte dos líquidos

iónicos é o facto dos compostos de enxofre possuírem grupos alquilo, que reduzem a

capacidade de absorção dos líquidos iónicos, pois dificultam a interação das moléculas de

enxofre com as zonas de interação nos líquidos iónicos. Ou seja, a capacidade de extração

é influenciada pelo grau de alquilação dos compostos a remover. Outro fator é, também, o

tamanho dos substituintes do catião. (Cassol 2007)

Além dos compostos sulfurados, a gasolina também tem na sua constituição uma

variedade de compostos nitrogenados, que são prejudiciais para o meio ambiente, e, para

além disso, em concentrações consideráveis, podem envenenar os catalisadores

empregados no processo de remoção de contaminantes da gasolina, inibindo a reação de

dessulfuração no processo HDS. É, por isso, importante remover os compostos

nitrogenados.

A absorção destes compostos (nitrogenados) está relacionada com a interação do

átomo de nitrogénio destas moléculas com os hidrogénios do anel imidazólio. A absorção é

favorecida com o aumento da basicidade das moléculas nitrogenadas. A interação dos

líquidos iónicos com os compostos nitrogenados é através da ligação de hidrogénio entre o

imidazólio e composto nitrogenado.

Projeto FEUP

MIEQ 10

Para se conseguir a dessulfuração de líquidos iónicos utiliza-se a extração líquido-

líquido. (Seeberger, A and A Jess. 2010)

A extração líquido-líquido é um processo em que um ou mais solutos são

removidos de um líquido através da transferência do/s soluto/s (presente/s no primeiro

líquido) para um segundo líquido. O segundo líquido, o solvente, é um agente de

separação de massa que deve ser recuperado mais tarde. Os dois líquidos têm de ser

imiscíveis, isto é, insolúveis um no outro, ou parcialmente imiscíveis. (Wankat, P. 2012)

Neste caso específico, obter-se-á gasolina como um primeiro líquido, o enxofre como soluto e o líquido iónico em causa como o segundo líquido. Através de uma pesquisa ficou comprovado que o grau de sucesso da

dessulfuração com líquidos iónicos é de 95,2%, sob as condições ideais de pressão e

temperatura. Ibid.

Projeto FEUP

MIEQ 11

IMPLEMENTAÇÃO A NÍVEL INDUSTRIAL

Como já foi referenciado anteriormente, o recurso a compostos derivados do

petróleo, como a gasolina, contempla graves efeitos ambientais que, posteriormente, se

refletem em consequências nefastas para a sociedade. Estas consequências, que têm sido

observadas nos últimos anos, têm motivado os órgãos governamentais dos diversos

países a aprovarem leis que condicionam o fabrico de produtos cujo uso implica a

libertação de substâncias potencialmente nocivas. Um dos produtos ao qual têm sido

impostas condições de produção é a gasolina, visto que, quando queimada como

combustível, liberta substâncias poluentes como o óxido de enxofre. Consequentemente,

as empresas que controlam as refinarias de petróleo, para se adaptarem às legislaturas

impostas, têm desenvolvido diferentes processos que visam a dessulfuração da gasolina.

As tecnologias desenvolvidas pelas empresas para a dessulfuração das gasolinas

têm, cada vez mais, utilizado os líquidos iónicos, apesar de estes serem utilizados de

diferentes maneiras e com determinados objetivos no tratamento da gasolina.

Apesar do recurso aos líquidos iónicos tornar o processo de dessulfuração eficaz, as

empresas petrolíferas não os utilizam como componente principal nesse processo, isto é,

os líquidos iónicos representam uma pequena parte do processo total e estão quase

sempre associados a outro componente que, com estes, remove os compostos sulfurados

da gasolina.

Um exemplo de um processo de dessulfuração de gasolinas em que os líquidos

iónicos são utlizados como reforço é o patenteado pela empresa SINOPEC (empresa

chinesa), no qual, numa fase inicial, a gasolina é divida em duas frações, fração pesada e

fração leve; a primeira é tratada através de um processo de hidrogenação que diminui o

número de compostos sulfurados nesta; a segunda é colocada numa unidade de extração,

em que é utilizado um líquido iónico como agente extrator, na qual este é adicionado à

fração leve. Posteriormente, o líquido iónico rico em compostos sulfurados é separado da

fração leve e, numa outra unidade processual, é-lhe adicionado água, o que permite depois

a obtenção separada da mistura de água com o líquido iónico e dos compostos sulfurados,

através de uma destilação. A fração leve é adicionada à fração pesada obtendo assim o

produto final. A SINOPEC, com este processo, consegue produzir gasolina com baixa

quantidade de compostos iónicos e, ao mesmo tempo, permite reutilizar o líquido iónico

que utiliza no processo, o que é uma vantagem económica para a empresa. Para as

empresas petrolíferas, a utilização dos líquidos iónicos em processos industriais de

dessulfuração de gasolina é então muitas vezes suportada pela capacidade regenerativa

dos líquidos iónicos.

Em Portugal, o processo utilizado para a dessulfuração da gasolina é

hidrodessulfração, processo que não inclui líquidos iónicos como componente.

Projeto FEUP

MIEQ 12

CONCLUSÃO

Este processo pode ser feito usando vários compostos com propriedades diferentes

que absorvem os compostos de enxofre presentes na gasolina. No entanto, a nível

ambiental e do processo, o ideal é usar líquidos iónicos para este fim, visto que estes

provocam um menor impacto ambiental e são dos mais eficazes, pelas suas diversas

características. Apesar disso, os líquidos iónicos apresentam algumas desvantagens, tais

como a sua utilização estar condicionada pelo grau de viscosidade e terem um elevado

custo, o que faz com que, economicamente, não passem de uma idealização na maior

parte das empresas.

Projeto FEUP

MIEQ 13

BIBLIOGRAFIA

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