Estequiometria e Gáses Essenciais: GNL, GPL, GNV e GN

Estequiometria: Cálculo de Proporções Químicas

Em química, a estequiometria é o cálculo das relações quantitativas entre reagentes e produtos em uma reação química. Essas relações podem ser deduzidas da teoria atômica, embora historicamente tenham sido enunciadas sem referência à composição da matéria, de acordo com várias leis e princípios.

O primeiro a estabelecer os princípios da estequiometria foi Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) em 1792. Ele escreveu:

A estequiometria é a ciência de medir as proporções quantitativas ou razões de massa nas quais os elementos químicos estão envolvidos.

Mistura, Razões e Condições Estequiométricas

Quando os reagentes de uma reação estão em quantidades proporcionais aos seus coeficientes estequiométricos, diz-se:

• A mistura é estequiométrica;
• Os reagentes estão em proporção estequiométrica;
• A reação ocorre em condições estequiométricas;

As três expressões têm o mesmo significado.

Sob essas condições, se a reação for completa, todos os reagentes são consumidos, resultando na quantidade estequiométrica dos produtos em questão. Caso contrário, haverá um reagente limitante, que é aquele em menor proporção e no qual se baseiam todos os cálculos.

Exemplo de Cálculo Estequiométrico

• Qual a quantidade de oxigênio necessária para reagir com 100 gramas de carbono e produzir dióxido de carbono?

Massa atômica do oxigênio = 15,9994.
Massa atômica do carbono = 12,0107.

A Reação Química:

Para formar uma molécula de dióxido de carbono, são necessários um átomo de carbono e dois de oxigênio, ou seja, um mol de carbono e dois mols de oxigênio.

Resolvendo para X:

Operações Realizadas:

GNL: Gás Natural Liquefeito

O Gás Natural Liquefeito (GNL) é o gás natural que foi processado para ser transportado na forma líquida. É a melhor alternativa para monetizar reservas em áreas remotas onde não é economicamente viável o transporte direto de gás para o mercado, seja por gasoduto ou para geração de energia. O gás natural é transportado como um líquido à pressão atmosférica e a -161 °C, o que reduz seu volume em 600 vezes em comparação com o gás transportado.

Razões para Liquefazer Gás Natural (GNL)

O gás natural é normalmente transportado por meio de gasodutos, mas para longas distâncias, o transporte por navio é mais econômico. Para o transporte, é necessário liquefazê-lo, pois à temperatura ambiente e pressão atmosférica, ele ocupa um volume considerável. O processo de liquefação reduz o volume do gás natural em mais de 600 vezes o seu volume original. Cerca de metade das reservas conhecidas de petróleo são hoje campos de gás natural, muitas vezes localizadas em regiões com baixa demanda por gás. No entanto, com a liquefação, podem ser transportadas com segurança para o seu mercado-alvo, utilizando navios, de forma semelhante ao petróleo bruto.

Impacto Ambiental do GNL

O GNL tem o menor impacto ambiental de todos os combustíveis devido ao seu alto teor de hidrogênio. Derramamentos de GNL dissipam-se no ar e não contaminam o solo ou a água. Como combustível para veículos, ele reduz as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx) em 70% e não produz compostos de enxofre nem partículas. Para a geração de eletricidade, as emissões de dióxido de enxofre (SO₂) são praticamente eliminadas e as emissões de CO₂ são reduzidas em 40%.

Todos os sistemas de produção e transporte, bem como a planta de processamento, são projetados para prevenir vazamentos e incêndios, como é o caso dos sistemas de transferência de GNL e dos navios de transporte ou regaseificação (ou gaseificação) do GNL. Existem algumas diferenças no design em relação às plantas de gás, mas as considerações de ordem ambiental, segurança e saúde são as mesmas ou mais rigorosas. Os principais riscos são a baixa temperatura (risco criogênico) e sua inflamabilidade.

GPL: Gás de Petróleo Liquefeito

O Gás de Petróleo Liquefeito (GPL) é uma mistura de gases condensáveis presentes no gás natural dissolvido em óleo. Embora os componentes do GPL sejam gases à temperatura e pressão ambientes, são fáceis de condensar, daí o seu nome. Na prática, pode-se dizer que o GPL é uma mistura de propano e butano.

Propano e butano estão presentes no óleo cru e no gás natural, embora parte seja obtida durante o refino de petróleo, principalmente como um subproduto do craqueamento catalítico fluido (FCC, do inglês Fluid Catalytic Cracking).

Usos do Gás Liquefeito de Petróleo (GPL)

• Obtenção de olefinas, usadas para a produção de vários produtos, incluindo a maioria dos plásticos.
• Combustível veicular.
• Combustível para refinarias.
• Combustível doméstico (em botijões ou usando redes de distribuição).

Gás Natural (GN)

O gás natural é uma fonte de energia não renovável, sendo uma mistura de gases comumente encontrados em campos de petróleo (não-associado, dissolvido ou associado) e depósitos de carvão. Embora sua composição varie de acordo com o local de extração, é composto principalmente de metano em quantidades que podem normalmente exceder 90% ou 95% (por exemplo, o gás não-associado do poço West Sole no Mar do Norte), e muitas vezes contém outros gases como nitrogênio, CO₂, H₂S, hélio e mercaptanas. Exemplos de contaminantes incluem o gás não-associado de Kapuni (NZ), contendo até 49% de CO₂. Como fontes adicionais deste recurso natural, estão sendo investigados depósitos de hidrato de metano, que, segundo estimativas, poderão resultar em reservas de energia muito maiores do que as atuais de gás natural.

Também pode ser obtido pela decomposição de resíduos orgânicos (lixo, vegetais – gás de pântano) em usinas de tratamento de resíduos (tratamento de águas residuais urbanas, estações de tratamento de resíduos, etc.). O gás assim obtido é chamado de biogás.

Geração de CO2 em Comparação com Outros Combustíveis

O gás natural produz muito menos CO₂ do que outros combustíveis, como o petróleo e, especialmente, o carvão. É também um combustível que queima de forma mais limpa e eficiente.

A razão pela qual produz pouco CO₂ é que seu principal componente, o metano, contém quatro átomos de hidrogênio e um de carbono, produzindo duas moléculas de água para cada uma de CO₂, enquanto os hidrocarbonetos de cadeia longa (líquidos) produzem apenas uma molécula de água por CO₂ (lembre-se que o calor de formação da água é muito alto).

Como benefício adicional, é um combustível versátil que pode ser utilizado em sistemas de geração mais eficientes, como ciclo combinado ou células de combustível, e sua aquisição é mais fácil em comparação com outros combustíveis. No entanto, seu conteúdo energético por unidade de volume é baixo quando comparado com outros combustíveis.

LGN: Líquidos de Gás Natural

Os Líquidos de Gás Natural (LGN), que consistem em etano, propano, butano e outros componentes de hidrocarbonetos mais pesados, são utilizados no mercado doméstico como combustível e matérias-primas (incluindo petroquímica).

Para converter gás natural em estado líquido, o gás tratado é resfriado a cerca de -161 °C, que é a temperatura na qual o metano, seu componente principal, se torna líquido. O processo de liquefação é semelhante ao resfriamento comum, produzindo gases refrigerantes líquidos frios, como etano, propano, etileno, metano, nitrogênio ou suas misturas, que então se evaporam à medida que trocam calor com o fluxo de gás natural. Assim, o gás natural é resfriado até o ponto em que se torna líquido. Uma vez liquefeito, o gás sofre uma expansão de Joule-Thompson ou remoção de trabalho para que possa ser armazenado à pressão atmosférica. O GNL produzido é armazenado em tanques especiais para ser transferido para navios-tanque de transporte especial.

O gás natural extraído das jazidas é um gás incolor, inodoro, não tóxico e mais leve que o ar. Formado a partir da decomposição de matéria orgânica em sedimentos presos entre camadas de rocha, é uma mistura de hidrocarbonetos leves na qual o metano (CH4) é encontrado em grandes proporções, em conjunto com outros óleos e gases, cuja concentração depende da localização do sítio.

GNV: Gás Natural Veicular - Vantagens e Desvantagens

GPL ou Autogás.

O GPL é constituído principalmente de butano e propano, e é obtido a partir do gás natural e do processo de refino de petróleo. O gás natural está disponível em grandes quantidades em todo o mundo, de modo que, em princípio, não é facilmente exaurível.

Sua principal vantagem é que qualquer carro a gasolina pode, com uma ligeira modificação, utilizá-lo, tornando-se bicombustível e podendo operar com qualquer um dos dois combustíveis.

Vantagens do GNV

• Economia para o usuário: Devido ao seu menor custo de produção, o gás natural será sempre mais barato do que os combustíveis tradicionais. Essa economia não se deve apenas ao seu preço, mas também às economias nos custos de manutenção dos veículos e ao aumento da vida útil de determinados itens, como velas, sistema de escape, carburador, bem como o lubrificante.
• Proteção do meio ambiente: Por ser o gás natural um combustível limpo, os produtos de sua combustão produzem menor poluição ambiental em comparação com outros combustíveis automotivos, como gasolina e diesel.
• Transporte e distribuição: Aproveita a infraestrutura existente de dutos, linhas de transmissão e redes domésticas de gás natural, bem como as estações de serviço de gasolina existentes, que podem se tornar pontos de abastecimento de gasolina/GNV.
• Confiabilidade do fornecimento do produto: O GNV é muito mais seguro e confiável do que outros combustíveis automotivos, pois o recebimento do produto é feito diretamente através das redes de gás, sem depender de caminhões. Além disso, as características do produto dificultam a adulteração.
• Entrada de divisas adicionais: A conversão para GNV representa a geração adicional de divisas para o país, produto da exportação dos volumes de hidrocarbonetos líquidos liberados no mercado interno.

Desvantagens do GNV

• Peso/Volume dos cilindros: O peso e o volume dos cilindros de armazenamento de gás resultam em espaço extra e redução da capacidade de carga, o que é particularmente crítico para carros pequenos. Essa desvantagem não existe para veículos comerciais (micro-ônibus, ônibus, picapes, etc.), pois podem suportar o peso dos tanques e também ter mais espaço disponível para colocar os cilindros de armazenamento.
• Perda de aceleração: Por suas características, o gás natural produz uma perda de potência no veículo de cerca de 15%, o que se torna mais evidente na fase de arranque, especialmente em veículos com motores de pequeno deslocamento.

Segurança do GNV

Por suas propriedades, o GNV é um combustível mais seguro do que os tradicionais, porque é mais leve que o ar e dissipa-se rapidamente, enquanto os vapores de gasolina são 5 vezes mais pesados e, portanto, podem se acumular em lugares baixos e pouco ventilados, criando misturas potencialmente explosivas.

A faixa de formação de misturas explosivas da gasolina é mais ampla que a do GNV. O limite inferior de inflamabilidade é inferior na gasolina quando comparado com o GNV, o que significa que é mais provável formar misturas inflamáveis de ar-combustível com gasolina do que com ar-GNV. Além disso, o GNV requer uma temperatura de ignição espontânea mais elevada no ar do que a gasolina.