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Trabalho Final de Mestrado em Engenharia Ambiental
Modalidade: Dissertação
RERREFINO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES DE MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA PELO PROCESSO DE ULTRAFILTRAÇÃO E
ADSORÇÃO
Autor: Jairo Guimarães
Orientador: Olavo Barbosa Filho
Co-orientador: Gandhi Giordano
Centro de Tecnologia e Ciências
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e do Meio Ambiente
JANEIRO - 2006
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ii
RERREFINO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES DE MOTORES DE COMBUSTÃO
INTERNA PELO PROCESSO DE ULTRAFILTRAÇÃO E ADSORÇÃO
Jairo Guimarães
Trabalho Final submetido ao Programa de Pós-
graduação em Engenharia Ambiental da
Universidade do Estado do Rio de Janeiro – UERJ,
como parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Mestre em Engenharia Ambiental.
Aprovada por:
__________________________________________________,
Prof. Olavo Barbosa Filho, D.Sc. - Presidente
PEAMB/UERJ
__________________________________________________
Prof. Gandhi Giordano, D.Sc.
PEAMB/UERJ
__________________________________________________
Prof. Odir Clécio da Cruz Roque, Doutor,
ENSP/FIOCRUZ/UERJ
_____________________________________________.
Roberto de Barros Emery Trindade. Doutor, University of
London
Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Janeiro de 2006
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GUIMARÃES, JAIRO
Rerrefino de Óleos Lubrificantes
de Motores de Combustão Interna
Utilizando o Processo de
Ultrafiltração e Adsorção [Rio de
Janeiro] 2006.
xiii, 83 p. 29,7 (FEN/UERJ),
M.Sc., Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Ambiental – Área de
Concentração: Controle da Poluição
Urbana e Industrial, 2006.
Dissertação – Universidade do
Estado do Rio de Janeiro – UERJ
1. Rerrefino de Óleos
Lubrificantes de Motores de
Combustão Interna Utilizando o
Processo de Ultrafiltração e
Adsorção;
I. FEN/UERJ II. Título (série)
iii
iv
Resumo da Dissertação apresentada à FEN/UERJ como parte dos requisitos necessários para
a obtenção do grau de Mestre em Ciência (M. Sc.).
Rerrefino de Óleos Lubrificantes de Motores de Combustão Interna
utilizando o Processo de Ultrafiltração e Adsorção.
Jairo Guimarães
Janeiro/2006
Orientador: Olavo Barbosa Filho
Co-orientador: Gandhi Giordano
Área de Concentração: Saneamento Ambiental – Controle da Poluição Urbana e Industrial
Nesta Dissertação foram apresentados vários processos de rerrefino de óleos lubrificantes,
utilizados nos motores de combustão interna.O óleo lubrificante representa 2% dos derivados
de petróleo, e é um dos poucos que não é consumido durante a sua vida útil. O uso nos
motores de combustão interna representa 70% do consumo desses óleos no Brasil. Durante a
sua utilização, há degradação e o acúmulo de contaminantes, tornando-se necessário sua troca.
O óleo usado, é uma matéria prima importante para o rerrefino, porém, agressivo ao meio
ambiente (quando descartado na natureza).
Neste trabalho optou-se pelo processo de ultrafiltração e adsorção para o rerrefino do óleo.
Uma das vantagens desse processo é a geração de resíduos de fácil tratamento e destinação
final e como desvantagens o alto preço e a baixa durabilidade das membranas e a formação de
fouling, durante o processo de purificação.
Palavras-chave; Rerrefino de óleos lubrificantes; recuperação de óleo usado; óleos
lubrificantes; rerrefino; membranas de ultrafiltração; reciclagem.
v
Abstract of Dissertation presented to FEN/UERJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Environmental Engineering
Re-refining of lubricant oils of internal combustion engines using
ultrafiltration/adsorption process.
Jairo Guimarães
January/2006
Supervisers: Olavo Barbosa Filho and Gandhi Giordano
Area: Environmental Sanitation – Urban and Industrial Pollution Control
This dissertation presents some re-refining processes of lubricant oils, used in
internal combustion engines. Lubricant oils represent 2% of the petroleum derivatives
and are not consumed during their life time. The application in internal combustion
engines sums up 70% of those oils in Brazil. During the using occurs the oil degradation
and accumulation of contaminants, being necessary its substitution. The post consumer
oil is an important raw material for re-refining; however, it is extremely aggressive to the
environment. In this work the ultrafiltration/adsorption process was chosen for the oil re-
refining. One of the advantages of the chosen process is the production of waste of easy
treatment and as disadvantages the membranes high price and low durability and the
fouling formation during the purification process.
Keywords: Mineral-based used crankcase oil; used motor oil; waste crankcase oil.
vi
DEUS A ENERGIA UNIVERSAL DE ONDE TUDO PRINCIPIA
MEUS PAIS A RAZÃO DA MINHA VIDA – SAUDADES
MINHA ESPOSA MARIA ANTÔNIA – AMOR
MEUS FILHOS- ADORAÇÃO . FRUTOS DO AMOR
MEUS NETOS ADORADOS – CONTINUAÇÃO DA MINHA EXISTÊNCIA
vii
AGRADECIMENTOS
- Aos orientadores Olavo Barbosa Filho e Gandhi Giordano;
- Aos Diretores do Instituto de Química da UERJ;
- A todos os professores do Departamento de Processos Químicos do Instituto de Química da
UERJ. Sempre com palavras de carinho, incentivo e apoio;
- A professora Maria Eugênia Ribeiro de Sena Piacsek Borges do Instituto de Química da
UERJ por todo seu apoio e disponibilização do Laboratório de Processos com Membranas e
Tecnologias Ambientais, sem o qual a minha Dissertação não seria possível;
- Ao professor Fernando Altino Medeiros Rodrigues do Instituto de Química da UERJ, um
grande amigo que sempre me incentivou;
- Aos professores Marcos Antonio da Silva Costa e Luiz Claudio de Santa Maria do Instituto
de Química da UERJ pela grande colaboração e contribuição. Disponibilizaram os seus
laboratórios e sempre proferiram palavras de otimismo. Guardo grande gratidão;
- A professora Mônica Regina Marques Palermo de Aguiar do Instituto de Química da UERJ
pelos empréstimos de vários livros e informações técnicas;
- Ao Químico Industrial Victor Manuel Saraiva Ferreira. Disponibilizou o laboratório onde
foi realizado uma série de ensaios. O seu apoio foi inestimável;
- Aos Engenheiros Químicos Márcia Cristina Castelo Araújo, Harrison Lourenço Corrêa e
Ricardo José Faustino de Souza. Suas participações na área de computação foram
fundamentais;
A Técnica Química Maria de los Dolores Josefa Fernandez Ferreira do Instituto de Química
da UERJ pela sua colaboração no laboratório;
Aos alunos de iniciação científica do Instituto de Química da UERJ em especial a Ricardo
Neves Motta. Participou na montagem do equipamento de ultrafiltração. Foi muito útil.
viii
SUMÁRIO
RESUMO
iv
ABSTRACT
v
LISTA DE FIGURAS
xi
LISTA DE TABELAS
xiii
CAPÍTULO 1
14
Introdução
14
1.1 O rerrefino de óleos automotivos e seus aspectos econômicos 14
1.1.1
Aspectos econômicos
15
1.2 Contribuição de rerrefino para mitigação dos aspectos ambientais
de óleos usados
15
1.3 Objetivos da dissertação
16
CAPÍTULO 2
18
Caracterização dos óleos
18
2.1 Propriedades físico-químicas dos lubrificantes 18
2.1.1
Viscosidade
18
2.1.2
Índice de viscosidade
20
2.1.3
Ponto de fulgor
21
2.1.4
Ponto de fluidez
22
2.1.5
Índice de acidez total
22
2.1.6
Número de alcalinidade total
22
2.1.7
Cinzas
22
2.1.8
Resíduo de carbono
22
2.1.9
Corrosividade ao cobre
22
2.1.10
Estabilidade a oxidação
22
2.1.11
Emulsão
22
2.1.12
Perda por evaporação (Noack)
22
2.1.13
Cor
22
2.2 Componentes e composição dos óleos lubrificantes 23
2.2.1
Constituição básica dos óleos lubrificantes nos motores de
combustão interna
23
2.2.2
Tipos de óleos básicos
23
2.2.3
Aditivos usados nos óleos lubrificantes
25
2.3 Classificação dos óleos lubrificantes 29
2.3.1
Classificação dos óleos quanto à viscosidade
30
2.3.2
Desempenho dos óleos – Classificação API
31
ix
2.3.3
Qualidades essenciais aos óleos lubrificantes
32
2.4 Especificação dos principais óleos básicos
33
CAPÍTULO 3
35
Processos de rerrefino dos óleos lubrificantes automotivos
35
3.1 Características gerais e objetivos dos processos de rerrefino 35
3.2 Processo ácido sulfúrico - argila 38
3.3 Processo evaporador de filme 39
3.4 Processo de destilação - hidrogenação 41
3.5 Processo de ultrafiltração por membranas e adsorção 42
CAPÍTULO 4
45
Aplicação das operações de separação com membranas
45
4.1 Tipos de membranas 47
4.2 Operações de separação com membranas 48
4.3 Aplicação ao rerrefino de lubrificantes automotivos 52
4.4 Equipamentos de ultrafiltração usados no rerrefino
54
CAPÍTULO 5
56
Argilas ativadas utilizadas após ultrafiltração
56
5.1 Processo de fabricação das argilas ativadas 57
5.2 Propriedades das argilas 60
5.3 Aplicação das argilas
61
CAPÍTULO 6
62
Metodologia experimental
62
6.1 Amostragem e caracterização das amostras de óleo usado 62
6.2 Procedimento experimental 63
6.2.1
Centrifugação
65
6.2.2
Ultrafiltração
65
6.2.2.a
Equipamento
66
6.2.2.b
Membrana
67
6.2.3
Destilação do solvente
68
6.2.4
Remoção das frações ácidas por troca iônica
68
6.2.5
Percolação em leito de argila ativada
70
6.3 Reagentes utilizados
71
x
CAPÍTULO 7
72
Resultados e discussão
72
7.1 Testes de ultrafiltração
73
CAPÍTULO 8
80
Conclusões de sugestões
81
Referências bibliográficas
82
xi
ÌNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Gráfico de viscosidade versus temperatura 19
Figura 2.2 Gráfico de índice de viscosidade 21
Figura 2.3 Fluxograma de destilação a vácuo 25
Figura 2.4 Estruturas químicas de fenóxidos e sulfonatos 26
Figura 2.5 Esquema da estrutura química do polialquileno amina do ácido poli-
isobutenil succínico
27
Figura 2.6 Estrutura química do dialquil ditiofosfato de zinco 27
Figura 2.7 Estruturas químicas de inibidores de ferrugem: sulfonatos de metal,
ésteres de fenol e ácido alquenilsuccínico
28
Figura 2.8 Estrutura química de naftalenos alquilados 28
Figura 2.9 Estrutura de polimetacrilatos e poli(metil siloxano) 29
Figura 2.10 Distribuição de tarefas de cada unidade (SAE-API-ASTM) 30
Figura 3.1 Fluxograma do processo ácido sulfúrico-argila 39
Figura 3.2 Fluxograma do processo do evaporador de filme 40
Figura 3.3 Fluxograma do processo destilação-hidrogenação 42
Figura 3.4 Fluxograma do processo de ultrafiltração por membrana 43
Figura 4.1 Esquema da morfologia da seção transversal de diferentes
membranas
46
Figura 4.2 Variação do fluxo permeado com o tempo de operação ocasionada
por polarização de concentração e fouling
52
Figura 4.3 Balanço de material de uma unidade piloto 53
Figura 4.4 Módulo com membranas na forma de fibras-ocas 55
Figura 5.1 Estrutura tetraédrica e octaédrica de argilominerais 56
Figura 5.2
Figura 5.3
Figura 5.4
Diagrama da produção da terra fuler
Diagrama de ativação ácida da montimorilonita
Diagrama da ativação térmica do bauxito
58
58
59
Figura 6.1 Procedimento experimental aplicado às amostras de óleos
lubrificantes a serem rerrefinados
64
Figura 6.2 Diagrama esquemático do sistema de ultrafiltração utilizado no
presente trabalho
66
Figura 6.3 Detalhe de célula de ultrafiltração 67
Figura 6.4 Módulo de ultrafiltração 67
xii
Figura 6.5 Evaporador rotativo 68
Figura 6.6 Esquema do sistema de neutralização e/ou clarificação 69
Figura 6.7 Sistema de neutralização 69
Figura 6.8 Sistema de percolação 70
Figura 7.1 Fluxo de permeação da amostra A
2
(Tasa Lubrificantes) 75
Figura 7.2 Fluxo de permeação da amostra B
2
(Lwart Lubrificantes) 75
Figura 7.3 Fluxo de permeação da amostra C
2
(Lwart Lubrificantes) 76
Figura 7.4 Fluxo de permeação da amostra D
2
(Lwart Lubrificantes) 76
Figura 7.5 Aspecto do fouling na membrana após 20 min de permeação 77
Figura 7.6 Amostras com o óleo bruto e com o óleo rerrefinado pelo processo
de ultrafiltração e adsorção
78
xiii
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 Relação entre propriedades e estruturas 24
Tabela 2.2 Classificação de viscosidade SAE para óleo de motor (J300) 31
Tabela 2.3 Especificação dos principais óleos básicos 34
Tabela 3.1 Limites de desgaste 37
Tabela 3.2 Valores limites para troca de óleo 37
Tabela 3.3 Especificação dos óleos rerrefinados (Resolução ANP 130) 44
Tabela 4.1 Principais membranas 47
Tabela 4.2 Processos de separação por membranas comerciais 49
Tabela 6.1 Parâmetros de caracterização/análise em função da etapa do
processo de rerrefino, tal e qual descrito na Figura 6.1
63
Tabela 7.1 Caracterização física das amostras de óleos tal e qual coletadas 72
Tabela 7.2 Caracterização física e química das amostras de óleos após a
destilação flash
73
Tabela 7.3 Caracterização física e química das amostras de óleos após a
ultrafiltração
74
Tabela 7.4 Resultados do índice de acidez total 78
Tabela 7.5 Caracterização física e química das amostras de óleos após a
percolação
79
ii
RERREFINO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES DE MOTORES DE COMBUSTÃO
INTERNA PELO PROCESSO DE ULTRAFILTRAÇÃO E ADSORÇÃO
Jairo Guimarães
Trabalho Final submetido ao Programa de Pós-
graduação em Engenharia Ambiental da
Universidade do Estado do Rio de Janeiro – UERJ,
como parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Mestre em Engenharia Ambiental.
Aprovada por:
__________________________________________________,
Prof. Olavo Barbosa Filho, D.Sc. - Presidente
PEAMB/UERJ
__________________________________________________
Prof. Gandhi Giordano, D.Sc.
PEAMB/UERJ
__________________________________________________
Prof. Odir Clécio da Cruz Roque, Doutor,
ENSP/FIOCRUZ/UERJ
_____________________________________________.
Roberto de Barros Emery Trindade. Doutor, University of
London
Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Janeiro de 2006
GUIMARÃES, JAIRO
Rerrefino de Óleos Lubrificantes
de Motores de Combustão Interna
Utilizando o Processo de
Ultrafiltração e Adsorção [Rio de
Janeiro] 2006.
xiii, 83 p. 29,7 (FEN/UERJ),
M.Sc., Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Ambiental – Área de
Concentração: Controle da Poluição
Urbana e Industrial, 2006.
Dissertação – Universidade do
Estado do Rio de Janeiro – UERJ
1. Rerrefino de Óleos
Lubrificantes de Motores de
Combustão Interna Utilizando o
Processo de Ultrafiltração e
Adsorção;
I. FEN/UERJ II. Título (série)
iii
iv
Resumo da Dissertação apresentada à FEN/UERJ como parte dos requisitos necessários para
a obtenção do grau de Mestre em Ciência (M. Sc.).
Rerrefino de Óleos Lubrificantes de Motores de Combustão Interna
utilizando o Processo de Ultrafiltração e Adsorção.
Jairo Guimarães
Janeiro/2006
Orientador: Olavo Barbosa Filho
Co-orientador: Gandhi Giordano
Área de Concentração: Saneamento Ambiental – Controle da Poluição Urbana e Industrial
Nesta Dissertação foram apresentados vários processos de rerrefino de óleos lubrificantes,
utilizados nos motores de combustão interna.O óleo lubrificante representa 2% dos derivados
de petróleo, e é um dos poucos que não é consumido durante a sua vida útil. O uso nos
motores de combustão interna representa 70% do consumo desses óleos no Brasil. Durante a
sua utilização, há degradação e o acúmulo de contaminantes, tornando-se necessário sua troca.
O óleo usado, é uma matéria prima importante para o rerrefino, porém, agressivo ao meio
ambiente (quando descartado na natureza).
Neste trabalho optou-se pelo processo de ultrafiltração e adsorção para o rerrefino do óleo.
Uma das vantagens desse processo é a geração de resíduos de fácil tratamento e destinação
final e como desvantagens o alto preço e a baixa durabilidade das membranas e a formação de
fouling, durante o processo de purificação.
Palavras-chave; Rerrefino de óleos lubrificantes; recuperação de óleo usado; óleos
lubrificantes; rerrefino; membranas de ultrafiltração; reciclagem.
v
Abstract of Dissertation presented to FEN/UERJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Environmental Engineering
Re-refining of lubricant oils of internal combustion engines using
ultrafiltration/adsorption process.
Jairo Guimarães
January/2006
Supervisers: Olavo Barbosa Filho and Gandhi Giordano
Area: Environmental Sanitation – Urban and Industrial Pollution Control
This dissertation presents some re-refining processes of lubricant oils, used in
internal combustion engines. Lubricant oils represent 2% of the petroleum derivatives
and are not consumed during their life time. The application in internal combustion
engines sums up 70% of those oils in Brazil. During the using occurs the oil degradation
and accumulation of contaminants, being necessary its substitution. The post consumer
oil is an important raw material for re-refining; however, it is extremely aggressive to the
environment. In this work the ultrafiltration/adsorption process was chosen for the oil re-
refining. One of the advantages of the chosen process is the production of waste of easy
treatment and as disadvantages the membranes high price and low durability and the
fouling formation during the purification process.
Keywords: Mineral-based used crankcase oil; used motor oil; waste crankcase oil.
vi
DEUS A ENERGIA UNIVERSAL DE ONDE TUDO PRINCIPIA
MEUS PAIS A RAZÃO DA MINHA VIDA – SAUDADES
MINHA ESPOSA MARIA ANTÔNIA – AMOR
MEUS FILHOS- ADORAÇÃO . FRUTOS DO AMOR
MEUS NETOS ADORADOS – CONTINUAÇÃO DA MINHA EXISTÊNCIA
vii
AGRADECIMENTOS
- Aos orientadores Olavo Barbosa Filho e Gandhi Giordano;
- Aos Diretores do Instituto de Química da UERJ;
- A todos os professores do Departamento de Processos Químicos do Instituto de Química da
UERJ. Sempre com palavras de carinho, incentivo e apoio;
- A professora Maria Eugênia Ribeiro de Sena Piacsek Borges do Instituto de Química da
UERJ por todo seu apoio e disponibilização do Laboratório de Processos com Membranas e
Tecnologias Ambientais, sem o qual a minha Dissertação não seria possível;
- Ao professor Fernando Altino Medeiros Rodrigues do Instituto de Química da UERJ, um
grande amigo que sempre me incentivou;
- Aos professores Marcos Antonio da Silva Costa e Luiz Claudio de Santa Maria do Instituto
de Química da UERJ pela grande colaboração e contribuição. Disponibilizaram os seus
laboratórios e sempre proferiram palavras de otimismo. Guardo grande gratidão;
- A professora Mônica Regina Marques Palermo de Aguiar do Instituto de Química da UERJ
pelos empréstimos de vários livros e informações técnicas;
- Ao Químico Industrial Victor Manuel Saraiva Ferreira. Disponibilizou o laboratório onde
foi realizado uma série de ensaios. O seu apoio foi inestimável;
- Aos Engenheiros Químicos Márcia Cristina Castelo Araújo, Harrison Lourenço Corrêa e
Ricardo José Faustino de Souza. Suas participações na área de computação foram
fundamentais;
A Técnica Química Maria de los Dolores Josefa Fernandez Ferreira do Instituto de Química
da UERJ pela sua colaboração no laboratório;
Aos alunos de iniciação científica do Instituto de Química da UERJ em especial a Ricardo
Neves Motta. Participou na montagem do equipamento de ultrafiltração. Foi muito útil.
viii
SUMÁRIO
RESUMO
iv
ABSTRACT
v
LISTA DE FIGURAS
xi
LISTA DE TABELAS
xiii
CAPÍTULO 1
14
Introdução
14
1.1 O rerrefino de óleos automotivos e seus aspectos econômicos 14
1.1.1
Aspectos econômicos
15
1.2 Contribuição de rerrefino para mitigação dos aspectos ambientais
de óleos usados
15
1.3 Objetivos da dissertação
16
CAPÍTULO 2
18
Caracterização dos óleos
18
2.1 Propriedades físico-químicas dos lubrificantes 18
2.1.1
Viscosidade
18
2.1.2
Índice de viscosidade
20
2.1.3
Ponto de fulgor
21
2.1.4
Ponto de fluidez
22
2.1.5
Índice de acidez total
22
2.1.6
Número de alcalinidade total
22
2.1.7
Cinzas
22
2.1.8
Resíduo de carbono
22
2.1.9
Corrosividade ao cobre
22
2.1.10
Estabilidade a oxidação
22
2.1.11
Emulsão
22
2.1.12
Perda por evaporação (Noack)
22
2.1.13
Cor
22
2.2 Componentes e composição dos óleos lubrificantes 23
2.2.1
Constituição básica dos óleos lubrificantes nos motores de
combustão interna
23
2.2.2
Tipos de óleos básicos
23
2.2.3
Aditivos usados nos óleos lubrificantes
25
2.3 Classificação dos óleos lubrificantes 29
2.3.1
Classificação dos óleos quanto à viscosidade
30
2.3.2
Desempenho dos óleos – Classificação API
31
ix
2.3.3
Qualidades essenciais aos óleos lubrificantes
32
2.4 Especificação dos principais óleos básicos
33
CAPÍTULO 3
35
Processos de rerrefino dos óleos lubrificantes automotivos
35
3.1 Características gerais e objetivos dos processos de rerrefino 35
3.2 Processo ácido sulfúrico - argila 38
3.3 Processo evaporador de filme 39
3.4 Processo de destilação - hidrogenação 41
3.5 Processo de ultrafiltração por membranas e adsorção 42
CAPÍTULO 4
45
Aplicação das operações de separação com membranas
45
4.1 Tipos de membranas 47
4.2 Operações de separação com membranas 48
4.3 Aplicação ao rerrefino de lubrificantes automotivos 52
4.4 Equipamentos de ultrafiltração usados no rerrefino
54
CAPÍTULO 5
56
Argilas ativadas utilizadas após ultrafiltração
56
5.1 Processo de fabricação das argilas ativadas 57
5.2 Propriedades das argilas 60
5.3 Aplicação das argilas
61
CAPÍTULO 6
62
Metodologia experimental
62
6.1 Amostragem e caracterização das amostras de óleo usado 62
6.2 Procedimento experimental 63
6.2.1
Centrifugação
65
6.2.2
Ultrafiltração
65
6.2.2.a
Equipamento
66
6.2.2.b
Membrana
67
6.2.3
Destilação do solvente
68
6.2.4
Remoção das frações ácidas por troca iônica
68
6.2.5
Percolação em leito de argila ativada
70
6.3 Reagentes utilizados
71
x
CAPÍTULO 7
72
Resultados e discussão
72
7.1 Testes de ultrafiltração
73
CAPÍTULO 8
80
Conclusões de sugestões
81
Referências bibliográficas
82
xi
ÌNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Gráfico de viscosidade versus temperatura 19
Figura 2.2 Gráfico de índice de viscosidade 21
Figura 2.3 Fluxograma de destilação a vácuo 25
Figura 2.4 Estruturas químicas de fenóxidos e sulfonatos 26
Figura 2.5 Esquema da estrutura química do polialquileno amina do ácido poli-
isobutenil succínico
27
Figura 2.6 Estrutura química do dialquil ditiofosfato de zinco 27
Figura 2.7 Estruturas químicas de inibidores de ferrugem: sulfonatos de metal,
ésteres de fenol e ácido alquenilsuccínico
28
Figura 2.8 Estrutura química de naftalenos alquilados 28
Figura 2.9 Estrutura de polimetacrilatos e poli(metil siloxano) 29
Figura 2.10 Distribuição de tarefas de cada unidade (SAE-API-ASTM) 30
Figura 3.1 Fluxograma do processo ácido sulfúrico-argila 39
Figura 3.2 Fluxograma do processo do evaporador de filme 40
Figura 3.3 Fluxograma do processo destilação-hidrogenação 42
Figura 3.4 Fluxograma do processo de ultrafiltração por membrana 43
Figura 4.1 Esquema da morfologia da seção transversal de diferentes
membranas
46
Figura 4.2 Variação do fluxo permeado com o tempo de operação ocasionada
por polarização de concentração e fouling
52
Figura 4.3 Balanço de material de uma unidade piloto 53
Figura 4.4 Módulo com membranas na forma de fibras-ocas 55
Figura 5.1 Estrutura tetraédrica e octaédrica de argilominerais 56
Figura 5.2
Figura 5.3
Figura 5.4
Diagrama da produção da terra fuler
Diagrama de ativação ácida da montimorilonita
Diagrama da ativação térmica do bauxito
58
58
59
Figura 6.1 Procedimento experimental aplicado às amostras de óleos
lubrificantes a serem rerrefinados
64
Figura 6.2 Diagrama esquemático do sistema de ultrafiltração utilizado no
presente trabalho
66
Figura 6.3 Detalhe de célula de ultrafiltração 67
Figura 6.4 Módulo de ultrafiltração 67
xii
Figura 6.5 Evaporador rotativo 68
Figura 6.6 Esquema do sistema de neutralização e/ou clarificação 69
Figura 6.7 Sistema de neutralização 69
Figura 6.8 Sistema de percolação 70
Figura 7.1 Fluxo de permeação da amostra A
2
(Tasa Lubrificantes) 75
Figura 7.2 Fluxo de permeação da amostra B
2
(Lwart Lubrificantes) 75
Figura 7.3 Fluxo de permeação da amostra C
2
(Lwart Lubrificantes) 76
Figura 7.4 Fluxo de permeação da amostra D
2
(Lwart Lubrificantes) 76
Figura 7.5 Aspecto do fouling na membrana após 20 min de permeação 77
Figura 7.6 Amostras com o óleo bruto e com o óleo rerrefinado pelo processo
de ultrafiltração e adsorção
78
xiii
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 Relação entre propriedades e estruturas 24
Tabela 2.2 Classificação de viscosidade SAE para óleo de motor (J300) 31
Tabela 2.3 Especificação dos principais óleos básicos 34
Tabela 3.1 Limites de desgaste 37
Tabela 3.2 Valores limites para troca de óleo 37
Tabela 3.3 Especificação dos óleos rerrefinados (Resolução ANP 130) 44
Tabela 4.1 Principais membranas 47
Tabela 4.2 Processos de separação por membranas comerciais 49
Tabela 6.1 Parâmetros de caracterização/análise em função da etapa do
processo de rerrefino, tal e qual descrito na Figura 6.1
63
Tabela 7.1 Caracterização física das amostras de óleos tal e qual coletadas 72
Tabela 7.2 Caracterização física e química das amostras de óleos após a
destilação flash
73
Tabela 7.3 Caracterização física e química das amostras de óleos após a
ultrafiltração
74
Tabela 7.4 Resultados do índice de acidez total 78
Tabela 7.5 Caracterização física e química das amostras de óleos após a
percolação
79
14
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
1.1 RERREFINO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES AUTOMOTIVOS
A produção mundial de petróleo em 2005 foi em torno de 85 milhões de barris por dia.
Dois por cento desta produção são transformados em lubrificantes, ou seja, 1,7 milhão de
barris por dia, quase a produção diária de petróleo no Brasil, e é um dos poucos que é
parcialmente consumido durante o seu uso. Em vista desse grande volume, a recuperação dos
lubrificantes usados se justifica por ser uma matéria-prima importante quanto devidamente
rerrefinada e agressiva ao meio ambiente quando descartado na natureza, uma vez que
possuem várias substâncias tóxicas e não são biodegradáveis (Sindicom,2005).
A primeira legislação a considerar o rerrefino foi a Resolução do Conselho Nacional de
Petróleo (CNP) 6/63. Durante o seu período de vigência -1963/77- a sua contribuição foi de
suma importância, pois estabeleceu princípios para a indústria de rerrefino “aquela que utiliza,
no aproveitamento do óleo lubrificante usado, os processos de regeneração, através de
destilação, do tratamento químico e da filtragem”.
Atualmente toda a atividade de rerrefino é regida pela Resolução do Conselho Nacional
de Meio Ambiente (CONAMA) n
o
362 de 23 de junho de 2005 e as Portarias da Agência
Nacional de Petróleo (ANP) n
os
125/99 a 128/99 e 130/99:
A resolução CONAMA n
o
362 de 23 de junho de 2005, no seu artigo 1
o
, estabelece que
todo óleo lubrificante usado ou contaminado deva ser recolhido, coletado e ter destinação
final, de modo que não afete negativamente o meio ambiente e propicie a máxima
recuperação dos constituintes nele contido, na forma prevista nesta Resolução.
A resolução ANP n
o
125 regulamenta a atividade de recolhimento, coleta e destinação
final do óleo lubrificante usado ou contaminado.
A resolução ANP n
o
128 estabelece a regulamentação da atividade industrial de rerrefino
de óleo lubrificante usado ou contaminado a ser exercida por pessoa jurídica sediada no País,
organizada de acordo com as leis brasileiras.
A resolução ANP n
o
130 estabelece o Regulamento Técnico n
o
005/99, que especifica os
óleos lubrificantes básicos rerrefinados.
15
1.1.1 Aspectos econômicos
A produção anual de óleos lubrificantes no Brasil é da ordem de 980.000 m
3
(ANP,
2004) da qual 70 % representa o uso em motores de combustão interna. Cerca de 30% são
consumidos nos próprios motores durante sua vida útil, rerrefinando aproximadamente
140.000 m
3
por ano. O restante é queimado em fornos ou despejado na natureza provocando
grande agressão ambiental. Nos manuais técnicos dos fabricantes de veículos, é considerado
normal um consumo de até um litro a cada 1.000 km percorrido. O óleo usado é o único
derivado de petróleo capaz de ser reciclado e quando atinge o seu grau de degradação é
trocado por óleo novo. Esta troca é realizada em garagens, postos de gasolina, oficinas
mecânicas, lojas de troca de óleos, nas indústrias e nas instalações portuárias de
reabastecimento de lubrificantes a embarcações. O CONAMA em combinação com a ANP,
através de normas, regulamenta toda a atividade de rerrefino, proibindo quaisquer outros usos
que não seja a reciclagem. O nível de regeneração atinge aproximadamente 20% do consumo
nacional de lubrificantes automotivos, devido principalmente aos seguintes fatores: custo da
coleta extremamente elevado, não só pelas distâncias continentais do Brasil como também
ocasionado pelo desvio e desperdício do óleo usado, somado ao baixo rendimento do rerrefino
que é da ordem de 60%. Os óleos rerrefinados são largamente usados na produção de novos
lubrificantes, uma vez que, a sua qualidade é tão boa quanto aos dos óleos básicos de primeiro
refino. Além da economia de divisas, aumenta a sua vida útil, evita a poluição ambiental e
gera novos empregos (Sindirrefino, 2003).
1.2 Contribuição do rerrefino para mitigação dos aspectos ambientais de
óleos usados
Os óleos usados se forem dispostos no solo, queimados ou descartados em corpos
hídricos, irão provocar forte agressão ao meio ambiente devido ao alto potencial poluidor.
Uma tonelada de óleo despejada nos rios provoca um impacto ambiental equivalente à carga
poluidora de uma cidade com 40.000 habitantes. Apenas um litro é capaz de esgotar o
oxigênio de um milhão de litros d’água, formando em poucos dias, uma fina camada sobre
uma superfície de 1000 m
2
, o que bloqueia a passagem de ar e luz, impedindo a respiração
dos seres vivos aquáticos e a fotossíntese (Digílio, 1986). Outro grande risco é quando
atingem o solo, este se torna uma espécie de reservatório que irá afetar severamente o subsolo
e o lençol freático, formando uma pluma de contaminação, limitando a circulação do ar
através das partículas do solo, inibe a ação dos microrganismos e impede o acesso das plantas
aos nutrientes. Os óleos contêm metais tóxicos provenientes dos aditivos como também do
16
desgaste dos motores, além de conterem em sua composição hidrocarbonetos poliaromáticos,
tais como benzo(a)pireno, fenantreno, fluoreno, que se formam por processos de oxidação
durante a sua vida útil. Embora em pequenos teores, são considerados carcinogênicos, e por
todos esses motivos, são classificados como contaminante Classe I, código de identificação
conforme a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) NBR 10004, F130.
Pelo exposto, é altamente relevante que essa matéria-prima seja regenerada através de
uma tecnologia mais limpa, proporcionando proteção ao meio ambiente, evitando o
desperdício e promovendo um uso inteligente dos recursos naturais.
O programa das Nações Unidas para o meio ambiente (UNEP) define tecnologia mais
limpa, como sendo uma aplicação continuada de uma estratégia ambiental preventiva
integrada aos processos, produtos e serviços, para incrementar a eficiência geral e reduzir os
riscos às pessoas e ao meio ambiente. A produção mais limpa pode ser aplicada a qualquer
tipo de processo industrial, aos produtos e aos diversos serviços disponíveis na sociedade.
A Associação Americana dos Engenheiros Lubrificantes (ASLE) assim define o
rerrefino dos óleos usados: “É o tratamento do óleo lubrificante usado em uma seqüência de
processos que remove todos os contaminantes, incluindo água, partículas sólidas, produtos de
diluição, produtos de oxidação e os aditivos previamente incorporados ao óleo básico”
(Raldens et al, 1981).
1.3 Objetivos da dissertação
O rerrefino de óleos lubrificantes usados, tanto no Brasil quanto no exterior, constitui
atividade industrial de especial significado visto tratar-se de solução prática e racional para os
problemas de poluição ambiental e aumentar significativamente a sua vida útil.
Quando havia grande disponibilidade de petróleo a baixo custo, o significado do
rerrefino era quase nulo do ponto de vista comercial, pois muito mais fácil era a utilização de
óleo básico de primeira refinação, contudo, o descarte inadequado gerava graves problemas
ambientais.
Hoje a situação é outra, o rerrefino é uma solução que evita a poluição, o desperdício e
aumenta a produção de lubrificantes, além de economizar energia, uma vez que a energia
gasta no rerrefino é um terço da energia despendida para produzir a mesma quantidade de
óleo virgem (primeira destilação).
Essa medida de racionalização encontrou adeptos em diversos países, que em função de
suas necessidades e da viabilidade econômica, desenvolveram tecnologia adequada visando
obter, a partir do óleo usado, um produto com características físico-químicas similares ao óleo
básico de primeira destilação.
17
O processo de ultrafiltração utilizando membrana assimétrica, que é o propósito desta
dissertação, foi desenvolvido pelo Instituto Francês de Petróleo, cuja finalidade é diminuir ao
máximo produtos de difícil eliminação , como por exemplo, a borra ácida gerada no processo
por tratamento ácido. Nos últimos 20 anos, trabalhos de pesquisa têm desenvolvido novas
membranas com melhor desempenho. Evidentemente alguns problemas ainda precisam ser
solucionados, como, por exemplo, a formação elevada de fouling.
A técnica de ultrafiltração é na realidade uma filtração em escala molecular. Nesta
técnica um solvente e componente do óleo usado (óleos básicos não degradados) tendo
relativamente baixa massa molar, são permeados através da membrana, enquanto que os
componentes de massa molar elevada são retidos.
18
CAPÍTULO 2
CARACTERIZAÇÃO DOS ÓLEOS
2.1 Propriedades físico-químicas dos lubrificantes
A qualidade de um lubrificante é comprovada somente após a aplicação e avaliação de
seu desempenho em motores de bancada que simulam a realidade da operação em serviço
seguido por testes de campo. No entanto, foram desenvolvidos vários ensaios de laboratório,
que combinados, produziram as informações necessárias para acompanhar o desempenho do
óleo. Esse conjunto de ensaios denomina-se “Especificação do Produto”. Cada especificação
preconiza uma série de testes, porém somente os mais importantes serão abordados.
Normas aplicáveis: a verificação das características dos óleos far-se-á mediante o
emprego das Normas Brasileiras Registradas (NBR), dos métodos da American Society for
Testing and Materials (ASTM) e da Deutsche Norm (DIN). (Portaria n
o
129 da ANP, 1999).
2.1.1 Viscosidade: é a resistência de um fluido ao escoamento. É uma das mais importantes e
evidentes propriedades dos fluidos. Sua influência é sentida em muitos aspectos de diferentes
setores industriais: óleos, graxas, tintas, polímeros, etc. A viscosidade é fundamental em todos
os estágios da indústria de lubrificantes, uma vez que ela possui caráter essencial em todos os
aspectos da lubrificação.
A viscosidade (η) é definida como sendo a relação entre tensão de cisalhamento (τ) e
grau de cisalhamento (S), é por vezes denominada viscosidade dinâmica (absoluta), cuja
unidade é o milipascal segundo (mPa.s) ou centipoise (cP) em homenagem a Poiseuille.
η =
S
τ
(2.1)
Na indústria de petróleo, é muito utilizada a viscosidade cinemática (ν) que é definida
como sendo a relação entre a viscosidade absoluta (η) e a massa específica (ρ), cuja unidade é
mm
2
/s ou centistokes (cSt) em homenagem a George Stokes:
ν =
ρ
η
(2.2)
19
A viscosidade varia muito rapidamente com a temperatura. Para produtos de petróleo,
verificou-se que a relação entre viscosidade cinemática e temperatura segue a equação de
Walther:
LogLog (ν + 0,7) = A + B.logT (2.3)
Onde: ν = viscosidade cinemática, cSt; T = temperatura em Kelvin; A e B = constantes,
específicas para cada óleo.
Essa equação é a base dos gráficos de viscosidade versus temperatura, publicados pela
American Society for Testing and Materials (ASTM), Figura 2.1. Estas curvas permitem que
os dados de viscosidade cinemática versus temperatura, para óleos derivados de petróleo,
sejam representados graficamente como linhas retas, sendo aplicáveis na faixa de temperatura
em que os lubrificantes são líquidos homogêneos.
Figura 2.1. Gráfico de viscosidade versus temperatura (Rein, S.W., 1978).
20
Há fluidos newtonianos e não newtonianos Um lubrificante com viscosidade constante,
independente do esforço cisalhante ou da taxa de cisalhamento é chamado de fluido
newtoniano. Como exemplo, destaca-se alguns solventes, óleos básicos minerais, óleos
básicos sintéticos e os óleos automotivos aditivados do tipo monograu. A maioria dos
modernos óleos de motor é do tipo multigrau e são não newtonianos. A viscosidade de tais
óleos diminui com o aumento na taxa de cisalhamento. Outros exemplos são alguns tipos de
tintas, areia movediça, lama de perfuração de poços de petróleo e soluções de polímeros de
massa molar elevada (Moura & Carreteiro, 1987).
A viscosidade é determinada em aparelhos denominados viscosímetros. Os
viscosímetros normalmente são divididos em três tipos:
y Viscosímetros capilares – são baseados na taxa de fluxo de um fluido através de um
capilar de pequeno diâmetro. A taxa de cisalhamento pode ser variada numa faixa desde
próximo de zero a 10
6
segundos
-1
mudando o diâmetro do capilar e a pressão aplicada.
y Viscosímetros rotativos - o torque aplicado a um eixo em rotação é a medida da
resistência de um fluido ao fluxo.
O simulador de partida a frio, o viscosímetro mini-rotativo e o viscosímetro brookfield
são viscosímetros rotativos. A taxa de cisalhamento pode ser alterada mudando as dimensões
do rotor, a folga entre o rotor e estator e a velocidade de rotação.
y Outros tipos de viscosímetros: viscosímetro saybolt, engler, redwood, hoppler etc.
(Runge et al, 1994).
2.1.2 Índice de Viscosidade: a sensibilidade da viscosidade à temperatura é importante nos
óleos lubrificantes. Geralmente, é desejável uma pequena alteração de viscosidade com a
temperatura. O método mais utilizado para avaliar a relação viscosidade versus temperatura
usa um número empírico denominado índice de viscosidade ou IV. Esse método foi
desenvolvido por Dean e Davis, em l928 (Figura 2.2). Um alto IV indica uma relativamente
pequena alteração da viscosidade com a variação da temperatura. O índice de viscosidade
descreve o comportamento viscosidade versus temperatura de um óleo em relação a um
sistema de dois óleos hipotéticos, ambos com valores arbitrariamente escolhidos, zero e cem.
Os óleos hipotéticos de referência são escolhidos de modo a terem a mesma viscosidade a
100
o
C do óleo em estudo. São usadas duas equações para determinar o índice de viscosidade:
Para IV ≤ 100:
IV =
HL
UL
−
−
x 100 (2.4)
Para IV > 100:
21
IV =
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
00715,0
1Nloganti
+ 100 (2.5)
IV =
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
00715,0
110
N
+ 100 (2.6)
N =
Ylog
UlogHlog
−
(2.7)
onde: IV = índice de viscosidade; Y = viscosidade cinemática (cSt) a 100
o
C do óleo cujo IV
está sendo calculado; U = viscosidade cinemática (cSt) a 40
o
C do óleo cujo IV está sendo
calculado; L = viscosidade cinemática (cSt) a 40
o
C de um óleo cujo IV = 0, tendo a mesma
viscosidade cinemática a 100
o
C que o óleo cujo IV está sendo calculado; H = viscosidade
cinemática (cSt) a 40
o
C de um óleo de IV 100, tendo a mesma viscosidade cinemática a
100
o
C que o óleo cujo IV está sendo calculado.
Os valores de L e H, encontram-se tabelados no método ASTM D 2270 (ASTM, 2004).
Figura 2.2. Gráfico de índice de viscosidade (Rein, S.W.;1978).
2.1.3 Ponto de Fulgor: dá a indicação da possível presença de compostos voláteis e
inflamáveis no óleo. É definido como a menor temperatura, sob determinadas condições de
22
teste, na qual o produto se vaporiza em quantidade suficiente para formar com o ar uma
mistura capaz de inflamar-se momentaneamente quando se aplica uma chama piloto sobre a
mesma. O resultado é expresso em
o
C.
2.1.4 Ponto de Fluidez: é a menor temperatura na qual o óleo lubrificante flui quando sujeito
a resfriamento sob condições determinadas de teste. É principalmente controlado para avaliar
o desempenho nas condições de uso em que o óleo é submetido a baixas temperaturas ou em
climas frios. O resultado é expresso em
o
C.
2.1.5 Índice de Acidez Total: é uma medida da quantidade de substâncias ácidas presentes no
óleo e indica a eficiência do processo de neutralização dos resíduos ácidos resultantes do
tratamento do óleo. O resultado é expresso em mg KOH/g.
2.1.6 Número de Alcalinidade Total (TBN): mede a reserva alcalina dos óleos de motor.
O resultado é expresso em mg KOH/g.
2.1.7 Cinzas: a quantidade de cinzas presentes no óleo pode ser resultante da presença de
compostos metálicos no óleo ou solúveis em água, bem como de outros materiais tais como
poeira e ferrugem. O resultado é expresso em porcentagem.
2.1.8 Resíduo de Carbono: indica a tendência do óleo à formação de depósitos de carbono,
quando submetido a altas temperaturas. O resultado é expresso em porcentagem.
2.1.9 Corrosividade ao Cobre: dá uma indicação relativa do grau de corrosividade do óleo.
Esse teste é realizado colocando-se uma lâmina de cobre polida numa amostra de óleo a
100
o
C, durante 3 horas. O resultado é dado em função da coloração da lâmina de cobre, que é
expresso em um número seguido de uma letra. Exemplo: Resultado do teste de corrosão 1b.
Significa que não houve corrosão. Existe uma tabela de cores fornecida pela ASTM.
2.1.10 Estabilidade a Oxidação: indica a capacidade de resistência à oxidação do óleo
quando submetido a longos períodos de estocagem ou sob condições dinâmicas de uso.O
resultado é expresso em aumento do índice de acidez total (mg KOH/g).
2.1.11 Emulsão: é um indicativo da capacidade de separação da água do óleo, quando
submetido à contaminação por água. O resultado é expresso em mL de óleo emulsionado.
23
2.1.12 Perda por Evaporação (Noack): avalia as perdas dos hidrocarbonetos mais leves do
óleo, quando submetidos por uma hora a 250
o
C e pressão de 1,5 mm de Hg. O resultado é
expresso em percentagem de perda por evaporação.
2.1.13 Cor: é mais utilizada como um controle na produção do óleo lubrificante. As variações
de cor em um óleo lubrificante, podem indicar uma possível contaminação ou indícios de
oxidação. O resultado é expresso em um número, por exemplo, cor 4.
2.2 Componentes e composição dos óleos lubrificantes
2.2.1 Constituição básica dos óleos lubrificantes utilizados nos motores de combustão
interna:
► Óleos básicos: São hidrocarbonetos derivados de petróleo, cujas frações contêm
predominantemente 20 a 25 átomos de carbono, os quais sofrem uma série de etapas no
processo de refino. Estes óleos são de características parafinicas, constituindo-se em média
por 70% de parafinas ramificadas, 20% de naftênicos (cicloparafinas) e 8% de aromáticos.
Recentemente estão sendo usados óleos básicos sintéticos, porém em pequenas quantidades.
► Aditivos: São substâncias que melhoram as características dos óleos básicos, como
também potencializam novas qualidades que os óleos básicos não possuem. Aditivos são
compostos organometálicos, tais como sulfonatos, fenóxidos, na forma de cálcio, magnésio e
bário; dialquil ditiofosfato de zinco. Outros aditivos são unicamente de natureza orgânica, tais
como: tetraetileno pentamina do ácido poli-isobutenil succínico, polímeros a base de
metacrilato; copolímeros diversos, etc. (Schilling, A., 1968).
Os lubrificantes assim formulados, depois de determinada quilometragem ou horas de
uso, são degradados e, conseqüentemente, devem ser trocados, gerando dessa maneira o óleo
usado ou “óleo queimado” como popularmente são denominados.
2.2.2 Tipos de óleos básicos
Os óleos básicos derivados de petróleo dependem fundamentalmente das características
do óleo cru. Estes são constituídos predominantemente por hidrocarbonetos de caráter
parafínicos, naftênicos ou aromáticos. Os óleos básicos provenientes de petróleos com
características parafínicas e com cadeias ramificadas, quando devidamente refinados, são os
mais adequados para formulação dos lubrificantes utilizados nos motores de combustão
interna. O Brasil dispõe de duas unidades de refino de óleos lubrificantes básicos. Uma na
24
Refinaria Landulfo Alves – Mataripe - BA e outra com capacidade de produção maior, na
Refinaria Duque de Caxias – RJ.
A Tabela 2.1 mostra a relação entre as propriedades e estruturas de vários
hidrocarbonetos (Schilling,A., 1968)
Tabela 2.1: Relação entre propriedades e estruturas dos hidrocarbonetos encontrados
nos óleos básicos (Schilling, A., 1968)
Os óleos básicos são obtidos através do fracionamento a vácuo do óleo cru reduzido. O
fluxograma abaixo (Figura 2.3) mostra as principais frações, tais como, destilado leve,
destilado médio e destilado pesado. Cada uma dessas frações possui características próprias,
tais como: curvas de destilação, viscosidade, densidade, ponto de fulgor, etc.
p
Tipos de Hidrocarbonetos Principais Propriedades
Parafina com cadeia reta
A viscosidade varia pouco com a temperatura.
Boa resistência à oxidação.
Alto ponto de fluidez.
Parafina com cadeia ramificada
A viscosidade varia pouco com a temperatura.
Boa resistência à oxidação.
Pode ter baixo ponto de fluidez.
Anéis noftênicos com pequenas
cadeias laterais
A viscosidade varia muito com a temperatura.
Boa resistência à oxidação.
Baixo ponto de fluidez.
Torna-se pseudo-plástico em baixa temperatura.
Anéis aromáticos com pequenas
cadeias laterais
A viscosidade varia muito com a temperatura.
Facilmente oxidável.
O ponto de fluidez varia de acordo com a estrutura.
Anéis noftênicos com grandes
cadeias laterais
Anéis aromáticos com grandes
cadeias laterais
A viscosidade varia pouco com a temperatura.
Boa resistência à oxidação.
Pode ter baixo ponto de fluidez.
A viscosidade varia pouco com a temperatura.
Pode ter boa resistência à oxidação quando os anéis
aromáticos não são numerosos.
Pode ter baixo ponto de fluidez.
Anéis naftênicos com grandes
cadeias laterais
Anéis naftênicos com pequenas
cadeias laterais
25
Figura 2.3. Fluxograma de destilação a vácuo (Schilling, A., 1968).
Após o fracionamento a vácuo, as frações sofrem uma série de tratamentos de natureza
física e química, tais como: desparafinação, extração a solvente para diminuir o teor de
aromáticos, hidrogenação, hidro-isomerização (óleo básico grupo III) e tratamento com
argilas, etc.(Schilling,A., 1968).
2.2.3 Aditivos usados nos óleos lubrificantes
Conforme já descrito, os aditivos são substâncias que adicionados aos óleos básicos
minerais ou sintéticos melhoram algumas características já existentes e fornecem
propriedades inteiramente novas, cuja finalidade é adequar o lubrificante acabado, para
desempenhar todas as funções exigidas pelos motores modernos de combustão interna.
Os principais tipos de aditivos usados em lubrificantes são: detergente, dispersante,
anti-desgaste, inibidor de oxidação e corrosão, inibidor de ferrugem, abaixador do ponto de
fluidez, melhorador de índice de viscosidade, anti-espumante.
As principais funções desempenhadas pelos aditivos:
▪ Detergente: neutralizar os gases ácidos (SO
x
e NO
x
) que se dirigem ao cárter (blow-
by). Reduzir a formação de laca, carbono e depósitos de verniz nos pistões do motor. Evitar o
agarramento dos anéis sob severas condições de operação à elevada temperatura (Figura 2.4)
Gasóleo
Destilado Leve
Destilado Médio
Destilado Pesado
Asfalto
26
OMOH
R
OMOH
R
+ MCO
3
COLOIDAL
OMOH
R
OMOH
R
S
x
R
S
O
O
O M
O S
O
O
R
S
O
O
O
M
OH
R
R
S
O
O
O M
OH
+ MCO
3
COLOIDAL
M = Bário, Cálcio ou Magnésio
R = Cadeia Alquil
Figura 2.4. Estruturas químicas de detergentes: fenóxidos e sulfonatos (Runge et al, 1994).
▪ Dispersante: manter em suspensão a fuligem formada, principalmente, em motores a
diesel (partículas de carbono).
Reduzir o tamanho das partículas de borra e dispersá-las, particularmente, em motores
à gasolina operando sob condições de tráfego (anda e para).
Os dispersantes são atraídos para a borra por forças polares. A solubilidade do
dispersante em óleo mantém a borra em suspensão e reduz a formação de depósitos de verniz
encontrados nos motores de combustão interna (Figura 2.5).
27
Figura 2.5. Esquema da estrutura química dos dispersantes; polialquileno amina do ácido
poli-isobutenil succínico (Runge et al, 1994).
▪ Anti-desgaste: reduzir o desgaste no motor, particularmente no comando de válvulas.
Forma-se uma película de lubrificante sólido, através de uma reação química com o metal,
evitando a solda e o agarramento de superfícies, quando ocorre a ruptura da película de óleo
(Figura 2.6).
P
P
S
S
Zn
S
S
OR
OR
RO
RO
Figura 2.6. Estrutura química do anti-desgaste: dialquil ditiofosfato de zinco (Runge et al,
1994).
▪ Inibidor de oxidação e corrosão: reduzir a oxidação do lubrificante, medido pelo
aumento da viscosidade e pela acidez total. Prevenir a formação de verniz e reduzir a corrosão
nos mancais de cobre/chumbo. Um aditivo altamente eficiente é o dialquil-ditiofosfato de
zinco. Como podemos verificar, esse aditivo possui funções múltiplas.
28
▪ Inibidor de ferrugem: evita a formação de ferrugem nas partes ferrosas do motor.
Forma-se uma película preferencial do aditivo na superfície metálica, repelindo o ataque da
água e dos ácidos corrosivos provenientes da oxidação (Figura 2.7).
SO
3
M
/2
R
O(CH
2
CH
2
O)
n
CH
2
CH
2
OH
R
Ésteres de Fenol
HO
R
O
O
OH
Sulfonatos de Metal
Ácido Alquenil Succínic
o
M = Bário, Cálcio ou Magnésio
R = Cadeia Alquil
Figura 2.7. Estruturas químicas de inibidores de ferrugem: Sulfonatos de metal, ésteres de
fenol e ácido alquenil succínico (Schilling,A., 1968).
▪ Abaixador do ponto de fluidez: a finalidade é reduzir o ponto de fluidez dos
lubrificantes. Sua ação é devido à formação de um colóide protetor na superfície dos cristais
de parafina, inibindo o seu crescimento. Os cristais permanecem na forma de microcristais
uniformes e disperso no fluido. Este aditivo é usado predominantemente em óleos básicos
parafínicos (Figura 2.8)
▪ Produtos de condensação Friedel-Crafts de parafina clorada com naftaleno;
polimetacrilatos, etc.
R
R = Radical Alquil ( ~C20)
Figura 2.8. Estrutura química do abaixador do ponto de fluidez: naftalenos alquilados
(Schilling,A. 1968).
29
▪ Melhorador de índice de viscosidade: o uso desse aditivo faz com que a viscosidade
do óleo varie menos com a variação de temperatura. Ele aumenta mais a viscosidade a
elevada temperatura, devido as mudanças das características de solubilidade e, nessa
condição, o polímero aumenta de volume, conseqüentemente diminui quando a temperatura
abaixa. Vários polímeros têm essa propriedade de modificar o índice de viscosidade, tais
como, copolímeros de olefinas, copolímero de estireno e butadieno, etc, porém um dos mais
utilizados são os polimetacrilatos. Como foi relatado acima, estes polímeros também
diminuem o ponto de fluidez dos lubrificantes (Figura 2.9).
CH
2
C
COOR
n
O
Si
CH
3
CH
3
n
C
H
3
Figuras 2.9. Estrutura química dos melhoradores do índice de viscosidade: polimetacrilatos:
e do anti-espumante: poli(metil siloxano) (Schilling, 1968).
▪ Anti-espumante: evita a formação de espuma estável (Figura 2.9). Atua reduzindo a
tensão superficial, fazendo com que as bolhas de ar se separem do óleo com mais facilidade.
A quantidade de silicone (anti-espumante mais comum) utilizada no lubrificante acabado
raramente ultrapassa 10 ppm.
2.
3 Classificação dos óleos lubrificantes
Nos Estados Unidos, três entidades, SAE (Society of Automotive Engineers), API
(American Petroleum Institute) e ASTM (American Society for Testing and Materials),
constituíram um grupo de trabalho para desenvolverem em conjunto, em função das
necessidades da indústria automobilística, novas especificações, acompanhamento do
desempenho, atualização e criação de novos métodos de análises (Figura 2.10).
Se o grupo concorda com que uma nova categoria seja necessária, faz uma solicitação
oficial a ASTM para desenvolver ou selecionar as técnicas de ensaio necessárias. A tarefa do
API é a de desenvolver a linguagem usada para comunicar ao usuário a nova categoria.
30
Atingindo-se um consenso, o padrão final de desempenho é publicado pela SAE em seu
manual anual (Runge et al, 1994).
2.3.1 Classificação dos óleos quanto à viscosidade
Os óleos para motores de combustão interna seguem a classificação de viscosidade
SAE J300 (Tabela 2.2) Baseia-se única e exclusivamente na viscosidade, não levando em
consideração quaisquer outros pré-requisitos que o lubrificante deva desempenhar. Na
classificação SAE são estipuladas várias faixas de viscosidade, seguido ou não da letra W,
inicial de winter (inverno), nesses casos a viscosidade é realizada à baixa temperatura. Um
óleo muiltigrau é todo lubrificante cuja viscosidade se encaixa em três faixas de temperatura.
Exemplo: um óleo 20W/40. Significa que a -15
o
C a viscosidade é no máximo 9500 cP , a
100
o
C varia de 12,5 cSt a <16,3 cSt e em alto grau de cisalhamento ( 10
6
s
-1
) e a 150
o
C é 3,7
cP mínimo.
Comparando os óleos multigrau aos óleos monograu, há alguns pontos favoráveis no
uso dos primeiros, tanto em motores do ciclo Otto como no ciclo Diesel ( Runge et al, 1994).
O uso dos óleos classificados como multigrau resulta em economia de combustível,
menor consumo de lubrificantes e durabilidade maior dos motores.
Estudos de campo realizados em frota de veículos indicam economias de combustível
de 1% a 8% envolvendo ônibus urbano, automóveis e caminhões, usando óleos SAE 30 e
SAE 40 em relação a óleos SAE 10W/30, 15W/30, 20W/40. No mesmo estudo, foram
demonstradas reduções de consumo de óleo de 10% a 37%, além de redução de desgaste, em
media 30%, dos mancais, cilindros e dos anéis, aumentando a vida útil do motor.
Estas vantagens dos óleos multigrau em relação aos monograu são explicadas pelo alto
índice de viscosidade dos primeiros, onde a variação de viscosidade com a temperatura é bem
Figura 2.10. Distribuição de tarefas de cada unidade. Ilustra a relação entre a SAE, API, e ASTM
no desenvolvimento de novos produtos (Runge et al, 1994).
SAE
Define a necessidade
Desenvolve a linguagem
para o Consumidor - API
Define os métodos de ensaio e
limites de desempenho - ASTM
31
menor, mantendo dessa maneira, uma viscosidade adequada do óleo tanto em baixas
temperaturas como em altas.
Tabela 2.2: Classificação de viscosidade SAE para óleo de motor (J300) (Seminário
Lubrizol, 2002).
SAE Viscosidade a baixa temperatura Viscosidade a alta temperatura
Grau
de
Viscosi
dade
Simulador de
partida a frio (cP)
temperatura máx.
em ºC
Bombeabilidade
(cP) temperatura
máx. em ºC
Viscosidade
cinemática (cSt) a
100 ºC
Alto cisalhamento
(10
6
s
-1
) (cP) a
150 ºC
min máx min
0W 6200 a -35 60 000 a -40 3,8 _ _
5W 6600 a -30 60 000 a -35 3,8 _ _
10W 7000 a -25 60 000 a -30 4,1 _ _
15W 7000 a -20 60 000 a -25 5,6 _ _
20W 9500 a -15 60 000 a -20 5,6 _ _
25W 13 000 a -10 60 000 a -15 9,3 _ _
20 _ _ 5,6 <9,3 2,6
30 _ _ 9,3 <12,5 2,9
40 _ _ 12,5 <16,3
2,9 (0W-40, 5W-
40, 10W-40)
40 _ _ 12,5 <16,3
3,7 (15W-40,
20W-40, 25W-40)
50 _ _ 16,3 <21,9 3,7
60 _ _ 21,9 <26,1 3,7
2.3.2 Desempenho dos óleos – Classificação API
O American Petroleum Institute (API) regulamentou em 1947, uma classificação dos
óleos para motores, baseada não na viscosidade, mas nas condições operacionais. O
desempenho é medido nos testes de bancada, denominados seqüência de teste, em motores
padrões operando sob condições que simulam a realidade da operação, seguidos por testes de
campo.
32
Foram estabelecidos os tipos Regular,Premium e Heavy Duty:
- Regular – sem qualquer aditivo
- Premium – com pequenas quantidades de aditivos antioxidante e antidesgaste.
-Heavy Duty (HD) – com aditivo dispersante-detergente, indicado para motores a
gasolina e diesel.
Com a evolução na construção dos motores, o API desenvolveu vários sistemas, até que
em l969, chegou a conclusão de que eram necessários meios mais efetivos para comunicar aos
fabricantes de motores, de veículos e aos usuários, o nível de desempenho do óleo e a
classificação de serviço. Daí em diante, passou a classificar o desempenho dos óleos para
motor conforme os serviços API da série S(seguido de outra letra em ordem alfabética) para
óleos de ciclo Otto e os serviços API da série C (seguido de outras letras em ordem alfabética)
para óleos de ciclo Diesel. A letra S significa Service, isto é, trata-se de óleos encontrados em
postos de gasolina e outros pontos de vendas. A letra C, significa Comercial, isto é, trata-se de
óleos comercializados junto a frotas.
A classificação API atual para óleos lubrificantes utilizados em motores é:
- Gasolina - SA; SB; SC; SD (obsoletos); SE; SF; SG; SH; SJ; SL e SM.
- Diesel - CA; CB (obsoletos); CC; CD; CE; CF-4; CG-4; CH-4; e CI-4.
Os óleos, tanto para o ciclo Otto como para o ciclo Diesel, foram evoluindo em função
das necessidades requeridas para os novos motores. A cada letra que se sucede, maior as
exigências na performance de alguns testes de bancada e inclusão de novos ensaios. Os
lubrificantes desenvolvidos para o serviço API, SM e API, CI-4 são os mais atualizados e
substituem todos os anteriores. Estas especificações passaram a vigorar a partir de 2004
(Seminário Infineum, 2004).
Muitas vezes um mesmo lubrificante é adequado tanto para ser usado no ciclo Otto
como para o ciclo Diesel e deve ser gravado na embalagem, por exemplo, Serviço API
SH/CG-4.
2.3.3 Qualidades essenciais aos óleos lubrificantes
São cinco as funções e qualidades essenciais dos óleos lubrificantes:
1. Reduzir a resistência por fricção - durante o arranque a frio a viscosidade do óleo não deve
ser muito elevada, para proporcionar adequado bombeamento e evitar resistência indevida na
partida. Por outro lado, a viscosidade deve ser suficientemente elevada, especialmente no
ponto morto superior do pistão, para proporcionar uma boa lubrificação entre os anéis e os
cilindros.
33
2. Proteger contra a corrosão e desgaste - durante as paradas ou em funcionamento a baixa
temperatura, o lubrificante deve proteger as superfícies metálicas contra a ação corrosiva dos
produtos provenientes da queima dos combustíveis (água, SO
x
, NO
x
)
,
como também ter boa
resistência a oxidação e estabilidade térmica.
3. Ajudar na vedação - na zona dos anéis, especialmente no ponto morto superior, o óleo deve
ter viscosidade suficiente a altas temperaturas e baixa volatilidade. Deve contribuir para
manter reduzido o desgaste e evitar a formação de depósitos nas ranhuras dos anéis.
4. Contribuir para o esfriamento - uma função importante que o lubrificante deve possuir é a
capacidade de trocar calor principalmente na área dos pistões e dos mancais. Para um bom
desempenho, o óleo deve possuir excelente estabilidade térmica, baixa volatilidade e boa
resistência a oxidação. Para ilustrar esta exigência, as temperaturas que são encontradas nas
áreas dos anéis variam da seguinte forma:
No topo do pistão 315
o
C – 370
o
C
Na área do anel superior 230
o
C – 290
o
C
Na área da cabeça do pino do pistão 150
o
C – 230
o
C
Na parte baixa da saia do pistão 150
o
C – 180
o
C
5. Facilitar a eliminação de produtos indesejáveis - durante a drenagem do óleo deve eliminar
a poeira, fuligem dos motores, resíduos de desgaste, produtos orgânicos oxidados
provenientes da queima incompleta do combustível e outros agentes poluidores os quais
provocam a formação de depósitos e aceleram o desgaste. Para desempenhar esta função, o
lubrificante deve ter uma boa ação dispersante capaz de manter todo esse material em
suspensão (Seminário Paramins; Exxon Chemicals, 1986).
2.4 Especificação dos principais óleos básicos
A Agência Nacional de Petróleo na Portaria N
o
129 de 30/7/99 estabelece o regulamento
técnico, que especifica os óleos lubrificantes básicos de origem nacional ou importado
comercializados em todo território nacional. Os óleos básicos, conforme são produzidos nas
refinarias, recebem designações que usualmente exprimem o tipo e o processo de refino e a
viscosidade média, conforme Tabela 2.3.
34
Tabela 2.3: Especificação dos principais óleos básicos.
CARACTERÍSTICAS PNL 30* PNM 55* PNP 95* PBS 30* PBS 33*
Aparência Límpido Límpido Límpido Límpido Límpido
Cor ASTM, máx.
ASTM D 1500
1,5 2,5 3,5 8,0 6,5
Viscosidade, cSt a 40º C
NBR 10441
ASTM D 445
27 – 33 50 – 62 94 – 102 anotar anotar
Viscosidade, cSt a 100º C
NBR 10441
ASTM D 445
anotar anotar anotar 28,5 – 32,7 30,6 – 34,8
Índice de Viscosidade,
min.
NBR 14358
ASTM D 2270
100 95 95 95 95
Ponto de Fulgor, ºC, min.
NBR 11341
ASTM D 92
200 220 230 280 280
Ponto de Fluidez, ºC,
máx.
NBR 11349
ASTM D 97
-6 -3 -3 -3 -3
Índice de Acidez Total,
mg KOH/g, máx.
NBR 14248
ASTM D 974
0,05 0,05 0,05 0,05 0,05
Cinzas, % massa, máx.
NBR 9842
ASTM D 482
0,005 0,005 0,005 0,005 0,005
Resíduo de Carbono
Ramsbottom, % massa,
máx.
NBR 14318
ASTM D 524
0,10 0,15 0,20 0,90 0,70
Corrosividade ao cobre,
3h a 100º C, máx.
NBR 14359
ASTM D 130
1 1 1 1 1
Perda por Evaporação
teste NOACK máx.
NBR 14157
DIN 51581
16 - - - -
* PNL 30 – Parafínico Neutro Leve 30 *PNM 55 – Parafínico Neutro Médio 55 *PNP 95 –
Parafínico Neutro Pesado 95
* PBS 30 – Parafínico Bright Stock 30 *PBS 33 – Parafínico Bright Stock 33
35
CAPÍTULO 3
PROCESSOS DE RERREFINO DOS ÓLEOS LUBRIFICANTES
AUTOMOTIVOS
3.1 Características gerais e objetivos dos processos de rerrefino
Como foi descrito no capítulo anterior, existem permanentemente avanços tecnológicos
no desenvolvimento dos óleos para lubrificação dos motores de combustão interna, tanto do
ciclo Otto como do ciclo Diesel. Há 40 anos, os óleos eram trocados a cada 1500 km. Hoje,
para um veículo em boas condições de dirigibilidade, com estradas pavimentadas e
conservadas, viagens de média e longa distância a velocidades e cargas moderadas e um
combustível de boa qualidade, a troca do lubrificante pode se estender até 30.000 km,
prolongando-se extraordinariamente a sua vida útil.
Normalmente, cada fabricante de veículo define com grande margem de segurança, a
quilometragem que o óleo deve ser trocado. No caso dos motores estacionários, o período de
troca é dado em horas de funcionamento da máquina.
No entanto, chega um momento em que o lubrificante deve ser trocado. Os fatores que
influem na vida útil são: a contaminação interna e externa do óleo e a degradação do mesmo
através da decomposição dos aditivos, oxidação do óleo com formação de ácidos, aldeídos e
cetonas, partículas metálicas provenientes do desgaste, água, fuligem, poeira, diluição por
combustível e qualidade do combustível, etc. Na realidade, só uma pequena parcela do óleo é
deteriorada e, por isso, foram desenvolvidos vários processos de rerrefino, sendo que os mais
importantes serão detalhados posteriormente.
Qualquer que seja o processo utilizado, o óleo é transformado em óleo básico e passa a
ser utilizado, em mistura adequada com aditivos, em óleo lubrificante acabado.
A legislação estabelece que o produtor e o importador de óleo lubrificante acabado
ficam obrigados a garantir a coleta e a destinação final do lubrificante usado ou contaminado
num volume igual a 30%, do volume total de óleo lubrificante acabado comercializado.
As Portarias da Agência Nacional de Petróleo (ANP) números 125, 128 e 130 de 30 de
julho de 1999 e da RESOLUÇÃO CONAMA n
o
362 de 23 de junho de 2005, estabelecem e
regulamentam as atividades de rerrefino, conforme citação no Capítulo 1.
O mecanismo a seguir, mostra o processo de oxidação do óleo básico. As reações de
oxidação envolvem radicais livres formados a partir de agentes externos (por exemplo:
homólise por radiação luminosa ou termólise) (1). Os radicais iniciais formados se combinam
com moléculas de oxigênio (2) para formarem novos radicais que, por reações de propagação,
(3) reagem com moléculas neutras do óleo (RH), formando novos radicais. As moléculas de
hidroperóxidos que se formam (3) podem formar novos radicais (ROy e HOy) por homólise
da ligação O-O (4) que por sua vez podem reagir com moléculas neutras de óleo para gerarem
novos radicais (5 e 6). A combinação de dois radicais livres dá origem a novas moléculas
neutras (7, 8 e 9) normalmente de massas molares mais altas que podem espessar o óleo
(McMurry,John; 2005).
INICIAÇÃO
RH
Iniciador
R• (1)
R● O
2
RO
2
• (2)
PROPAGAÇÃO
RO
2
● + RH O
2
RO
2
H + R● (3)
RAMIFICAÇÃO
RO
2
H RO● + ●OH (4)
RO● + RH O
2
ROH + RO
2
● (5)
●OH + RH O
2
H
2
O + RO
2
● (6)
TERMINAÇÃO
RO
2
● + RO
2
● O
2
produtos não radicalares
(neutros) (7)
R● + R● O
2
R − R (8)
RO
2
● + RO
2
● O
2
ácidos, aldeídos e cetonas (9)
Onde:
RH: hidrocarboneto R●: radical livre de hidrocarboneto
RO
2
H: hidroperóxido RO
2
●: radical livre a partir do hidroperóxido
A Tabela 3.1 mostra os limites máximos dos elementos de desgaste, provenientes de
contaminação externa e de aditivos presentes, tolerados nos óleos lubrificantes para motor.
Alguns fabricantes de motores fazem recomendações específicas quanto aos valores máximos
toleráveis.
A identificação de contaminantes metálicos freqüentemente fornece indícios para a
correção de condições prejudiciais a uma máquina. Ao se interpretar resultados de análises
36
37
destes metais, deve-se subtrair do resultado o teor de metal originalmente presente no
lubrificante novo.
Tabela 3.1: Limites de desgaste (Runge et al, 1994)
Limites máximos dos elementos de desgaste tolerados em óleo para motor
Concentração máxima - ppm
Metal
Ciclo Diesel Ciclo Otto
Alumínio
Boro
Cromo
Cobre
Ferro
Chumbo
Potássio
Silício
Prata
40
20
40
40
100
-
50
20
06
40
20
40
40
100
100
50
20
-
A Tabela 3.2 mostra os valores limites recomendados para a troca do óleo (Marshall, E.
R., 1993).
Tabela 3.2: Valores limites para troca de óleo.
Limites para troca do óleo
Parâmetros Troca do óleo
Mudança da viscosidade a 100º C Quando a viscosidade sai do seu SAE original
Diluição por combustível 5% máximo
Fuligem 1,5% máximo
Índice de acidez total 2 unidades acima do óleo novo
Alcalinidade total 2,0 mínimo ou metade do valor do óleo novo
Teor de água 0,2% máximo
38
Nos processos de rerrefino que serão descritos, algumas das operações são comuns,
qualquer que seja o processo.
Decantação – durante o descarregamento, que é feito através de bomba de
engrenagem, o óleo passa através de um filtro de tela, para retirar as impurezas grosseiras e é
armazenado num tanque por 24 horas a uma temperatura de 50
o
C, cuja finalidade é separar a
água livre como também algumas impurezas insolúveis.
Desidratação – após a decantação, o óleo é transferido para os desidratadores e
aquecido a l80
o
C. A água e os solventes evaporados são condensados e separados em
separadores água/óleo.
Os solventes são aproveitados como combustível na própria fábrica e a água enviada
para a estação de tratamento, como por exemplo, lagoas aeradas com difusores de membranas
tubulares.
3.2 Processo Ácido Sulfúrico – Argila
Este processo foi desenvolvido na Alemanha por Bernd Meiken e compreende as
seguintes etapas: decantação, desidratação, pré-tratamento térmico, tratamento ácido,
decantação da borra ácida, neutralização, tratamento com argila ativada, destilação a vácuo e
filtração, conforme citação na Figura 3.1. Muitos rerrefinadores no Brasil usam esse
processo. Os inconvenientes são o alto custo de produção, tendo em vista o maior consumo de
ácido sulfúrico e argila ativada, geração de maior quantidade de borra ácida (poluente de
difícil eliminação) e rendimento em torno de 60%. A vantagem é poder tratar pequenas
quantidades de óleo usado e as instalações requerem menores investimentos iniciais.
A operação de decantação e desidratação já foi descrita, antecede o pré-tratamento
térmico.Um avanço tecnológico desse processo foi a introdução do pré-tratamento térmico,
desenvolvido pelo Instituto Francês de Petróleo, aplicável diretamente ao óleo usado, o qual é
submetido a um vácuo de 20 mm de Hg, temperatura de 350
o
C e um tempo de residência em
torno de 15 minutos.Assim consegue-se, a degradação dos aditivos e esse procedimento gera
as seguintes vantagens:
aRedução de 50% no consumo de ácido sulfúrico;
aRedução em torno de 1% no consumo de argila ativada;
aRedução de 40% na quantidade do ácido residual formado;
aAumento de 4% no rendimento do processo (Raldens et al, 1981).
Após o tratamento térmico, o óleo é resfriado em trocadores de calor até uma
temperatura de 35
o
C, transferido para o tanque de sulfonação e sob agitação é feita a adição
do ácido sulfúrico concentrado, numa proporção em massa, de 5%, por um período de 45
minutos. Nessa operação, todo o material oxidado e os aditivos são separados do óleo por
decantação, formando uma borra ácida, produto extremamente agressivo ao meio ambiente. A
destinação final dessa borra ácida é a queima em fornos na indústria de cimento.
Após a sulfonação, o óleo é bombeado para os reatores de clarificação/neutralização,
onde é adicionado a terra fuler e cal. A mistura é aquecida para promover a adsorção dos
produtos indesejáveis e conseqüentemente a clarificação e neutralização.
A mistura óleo, terra e cal passa por filtro prensa para separar a terra e a cal. Esta torta é
usada na indústria cimenteira ou cerâmica. No final é obtido o óleo básico mineral rerrefinado
com as mesmas características do óleo básico virgem.
Lubrificante usado
DESIDRATAÇÃO
Água e Produtos Leves
DECANTAÇÃO
DESTILAÇÃO
H
2
SO
4
PRÉ-TRATAMENTO
TÉRMICO
SULFONAÇÃO
DECANTAÇÃO
CLARIFICAÇÃO E
NEUTRALIZAÇÃO
Argila ativada
Borra ácida
DESTILAÇÃO
FILTRA
Ç
ÃO
Spindle
Gasóleo
Óleo básico
Argila usada
Figura 3.1. Fluxograma do processo ácido sulfúrico-argila (Moura & Carreteiro, 1987).
3.3
Processo Evaporador de Filme (Wiped film evaporator)
Este método foi desenvolvido e patenteado pela Pflauder & Co Ltda, dos Estados
Unidos. Na realidade, inicialmente houve uma adaptação ao rerrefino, uma vez que esse
processo era utilizado no reaproveitamento de produtos químicos e recuperação de solventes.
39
A utilização do processo evaporador de filme, conforme, nas atividades industriais de
rerrefino envolve as seguintes seqüências, conforme Figura 3.2: desidratação, destilação
flash, desasfaltação (no reator de evaporador de filme), sulfonação, clarificação, neutralização
e filtração. Os efluentes líquidos são tratados em lagoas aeradas.
As fases desse processo, tais como desidratação, sulfonação, clarificação, neutralização
e filtração, foram descritos no processo ácido sulfúrico-argila.
Destilação Flash – uma vez desidratado, o óleo é bombeado para o forno onde é
aquecido a 280
o
C e transferido para o vaso de flasheamento (separação por expansão brusca)
a uma pressão de 15 mm de Hg. Nessa operação são separadas as frações leves.
No equipamento de evaporador de filme, o óleo destilado previamente aquecido a 380
o
C
e sob um vácuo de l mm de Hg, é colocado numa bandeja, denominada prato distribuidor e,
deste, pequeno volume de óleo, por centrifugação, é lançado nas paredes da jaqueta
distribuindo-se uniformemente em forma de película. Nesta etapa é separada a borra neutra do
óleo. A borra é composta pela maior parte degradada do lubrificante usado, onde se
encontram principalmente, polímeros, metais, resinas, aditivos e compostos de carbono
(fuligem) e o óleo é condensado e transferido para o reator de sulfonação, clarificação e
neutralização e posterior filtração (Lwart, 2005)
SULFONAÇÃO
Óleo desasfaltado
Óleo tratado
Lubrificante usado
PRÉ-AQUECEDOR DESIDRATAÇÃO
SEPARADOR
Destilado
Gases (queima)
CONDENSADOR
Gases
(queima)
Solvente
Água
FORNO FLASH FLASH FLASH FLASH
Vácuo / Gases
Neutro leve
Spindle
Diesel
FORNO
EVAPORADOR
DE PELÍCULA
Vácuo / Gases
Borra neutra
DECANTAÇÃO
H
2
SO
4
Borra
ácida
CLARIFICAÇÃO E
NEUTRALIZAÇÃO
Terra Fuler / Cal
FILTRA
Ç
ÃO
Óleo
rerrefinado
Resíduo
ETE
Figura 3.2. Fluxograma do processo do Evaporador de Filme ( Lwart, 2005).
40
41
3.4 Processo de Destilação–Hidrogenação – Kinetics Technology
International (KTI)
Processo desenvolvido por técnicos holandeses e americanos. Este processo tem a
grande vantagem de eliminar o uso de ácido sulfúrico e incluir técnicas modernas que
permitem completa automatização e se obter um produto de alta qualidade. Porém, o grande
inconveniente é o investimento inicial que é de grande vulto e para poder funcionar em plena
carga só se torna econômico para uma produção mensal mínima de 20.000 m
3
, que no Brasil
se torna impraticável, pois não é possível se coletar tanto óleo usado.
Etapas:
○ Pré-tratamento: compreende a desidratação e a remoção de produtos leves sob
condições controladas (já citado nos processos anteriores).
○ Destilação fracionada a vácuo: por esta etapa são obtidos os gasóleos e destilados
próprios para a produção posterior de óleos básicos. Os resíduos podem ser destinados à
produção de asfalto (este processo foi citado no Capítulo 2 (Figura 2.3) quando da
fabricação dos óleos básicos de primeira destilação).
○ Tratamento com hidrogênio: a finalidade desta etapa é a estabilização do óleo, com
melhoria da cor e do odor. O óleo destilado é misturado com um gás rico em hidrogênio,
aquecido entre 270
o
C e 320
o
C e em seguida escoado através de um catalisador (Co-
Mo/Al
2
O
3
) contido em um reator, cuja pressão varia entre 15-30 kgf/cm
2
. A atividade do
catalisador e as condições de operação são tais, que ocorre pouco ou nenhum craqueamento.
Os produtos do reator são separados e a maior parte do gás rico em hidrogênio é reciclado por
um compressor. O hidrogênio necessário a esse tratamento é produzido numa unidade anexa
de reforma catalítica de naftas de destilação direta.
○ Tratamento final: o óleo hidroacabado sofre uma remoção final de componentes mais
voláteis (stripping) com vapor, para obter-se um produto com as especificações requeridas. É
depois secado numa coluna a vácuo obtendo-se os óleos básicos prontos, que são bombeados
para os tanques de estocagem.
No processo KTI, Figura 3.3, não há formação de borras ácidas ou argilosas, o que
constitui sua principal vantagem com relação aos processos anteriores, isto é, menores perdas
e conseqüentemente maior rendimento (Raldens,et al, 1981).
Figura 3.3. Fluxograma do Processo Destilação – Hidrogenação (KTI) (Raldens et al, 1981).
3.5 Processo de Ultrafiltração por Membranas e Adsorção
Como já citado no Capítulo 1 página 17, este processo foi desenvolvido pelo Instituto
Francês de Petróleo juntamente com a empresa Rhône-Poulenc, esta responsável pelo
desenvolvimento das membranas. A técnica de ultrafiltração é na verdade uma filtração em
escala molecular. As substâncias de massa molar menor, são permeados e as de massa molar
maior, são retidas pela membrana. No estágio atual, esse processo é adequado para rerrefino
de até 20.000 m
3
anual, cujo custo de implantação de uma fábrica é da ordem de 1.350.000
US dólares. O rendimento encontrado em unidade piloto foi de 78%. A grande vantagem é o
descarte total de produtos de difícil eliminação agressivos ao meio ambiente, como por
exemplo, as borras ácidas. As maiores desvantagens são o preço e a durabilidade das
membranas e a queda do fluxo permeado em função do tempo de operação que podem ser
agrupados em dois tipos: polarização de concentração e fouling.
Na ultrafiltração, conforme Figura 3.4, utilizam-se membranas assimétricas à base de
poliacrilonitrila ou outras, resistentes aos hidrocarbonetos, utilizando-se uma pressão entre 2 a
6 bar. O óleo a ser filtrado é diluído com hexano, a fim de diminuir a viscosidade e mistura de
álcoois, cuja finalidade é permitir a molhabilidade da membrana, facilitando a permeação.
Após a ultrafiltração o óleo apresenta-se purificado, desprovido de quase todos
contaminantes, a exceção de alguns produtos de oxidação que são solúveis, não retidos pela
membrana. Os produtos solúveis são retidos na percolação.
42
Devido às novas exigências legais e de desempenho, houve um aumento da vida útil do
lubrificante, que em princípio é um dado importante. Contudo, o aumento da concentração
dos aditivos dificulta sua regeneração. Com o incremento da aditivação, aumentou
consideravelmente a quantidade de produtos degradados e concomitantemente um aumento
do fouling durante a ultrafiltração.
As fases do processo são: desidratação, destilação flash, diluição do óleo com solventes
para se efetuar a ultrafiltração, destilação dos solventes, percolação em leito de adsorvente
polimérico regenerável ou argilas ativadas, cuja finalidade é adsorver os produtos de oxidação
e efetuar a clarificação (Audibert et al, l970).
Solvente
ULTRAFILTRAÇÃO
Óleo desidratado
FLASH
Reposição de solvente
Solvente
DESTILA
Ç
ÃO
Óleo ultrafiltrado
Produtos
Leves
TANQUE
Figura 3.4. Fluxograma do Processo de Ultrafiltração por Membranas (Audibert et al, l970).
Seja qual for o processo escolhido, a Portaria n
o
130 da ANP (Agência Nacional de
Petróleo), de 30 de julho de l999, já citado no Capítulo 1 página 14, estabelece que a
comercialização dos óleos rerrefinados no país, deverá observar a especificação abaixo,
conforme Tabela 3.3, onde o Neutro médio RR e Neutro pesado RR representam 85% da
produção dos básicos rerrefinados.
Tendo em vista que a presente dissertação tem como foco principal a utilização da
técnica de ultrafiltração no rerrefino de óleos lubrificantes, este tema será tratado com mais
detalhes no capítulo seguinte.
43
Tabela 3.3: Especificação dos óleos rerrefinados (Resolução ANP 130, 1999)
44
45
CAPÍTULO 4
APLICAÇÃO DAS OPERAÇÕES DE SEPARAÇÃO COM
MEMBRANAS
Uma membrana pode ser definida como uma barreira seletiva que separa duas fases e
que restringe, total ou parcialmente, o transporte de uma ou várias espécies químicas
presentes nas fases, quando se aplica algum tipo de força externa. Este transporte tanto pode
ocorrer por difusão ou por convecção, induzido por um gradiente de potencial químico
(pressão, concentração e temperatura) ou potencial elétrico.
Membranas filtrantes, devido a sua diversidade, constituem uma grande inovação na
tecnologia utilizada em vários processos, tais como, tratamento de água e de esgoto e em
vários processos industriais, com as seguintes vantagens: baixo consumo energético, sistemas
compactos, seja em bateladas ou contínuos, e podem ser utilizados em combinação com
vários outros processos tradicionais (Nobrega, 2005). É importante ressaltar que membranas
são sistemas de separação de materiais, ou seja, não ocorre transformação química ou
biológica de componentes durante o processo de filtração. A seletividade de membranas é
variada por meio da modificação do tamanho dos poros ou pela alteração das propriedades
físico-químicas dos polímeros componentes da membrana, principalmente dos polímeros
localizados na superfície (Schneider &Tsutiya, 2001)
As membranas sintéticas comerciais, em sua grande maioria, são preparadas a partir de
materiais poliméricos com características químicas e físicas variadas. Membranas de materiais
inorgânicos, só recentemente começam a disputar o mercado com as membranas poliméricas.
As membranas inorgânicas apresentam uma vida útil maior e facilidade de limpeza, mas são
bem mais caras do que as poliméricas.
Em função das aplicações a que se destinam, as membranas apresentam diferentes
morfologias. De um modo geral, as membranas podem ser classificadas em duas grandes
categorias: densas e porosas. As características da superfície da membrana que está em
contato com a solução a ser separada é que vai definir a utilização de uma membrana porosa
ou densa. Tanto as membranas densas como as porosas podem ser isotrópicas ou
anisotrópicas, ou seja, podem ou não apresentar as mesmas características morfológicas ao
longo de sua espessura. As membranas isotrópicas são membranas simétricas com poros
regulares, quase cilíndricos que atravessam toda a espessura da membrana. A porosidade e a
produtividade dessas membranas são pequenas, pela necessidade de limitar o volume ocupado
pelos poros, para evitar o colapso das membranas quando pressurizadas. As membranas
anisotrópicas ou assimétricas se caracterizam por uma região superior (superfície da
membrana que está em contato com a solução a ser separada) muito fina (1 µm), mais fechada
(com poros ou não), chamada de pele, suportada em uma estrutura porosa. Quando ambas as
regiões são constituídas por um único material a membrana é do tipo anisotrópica integral.
Caso materiais diferentes sejam empregados no preparo de cada região, a membrana será do
tipo anisotrópica composta.
Independente do tipo de membrana, propriedades de transporte como permeabilidade a
gases e líquidos, bem como a sua capacidade seletiva, são utilizadas como parâmetros
característicos dos processos. Como os processos com membranas são, em sua grande
maioria, atérmicos, o gradiente de potencial químico pode ser expresso, apenas, em termos do
gradiente de pressão e de concentração (ou pressão parcial). A Figura 4.1 apresenta as
morfologias mais comuns observadas nas seções transversais de membranas comerciais.
(Nobrega et al, 2005)
Figura 4.1. Esquema da morfologia da seção transversal de diferentes membranas (Nobrega
et al, 2005).
Conforme citação anterior, os processos de separação com membranas (PSM) podem ser
caracterizados em função de dois parâmetros: a) o fluxo permeado, que representa a vazão
(volumétrica, mássica ou molar) de permeado por unidade de área da membrana; b) a
capacidade seletiva da membrana, a qual, dependendo do tipo de processo em questão, pode
46
ser definida de diferentes formas. Para processos cuja força motriz é o gradiente de pressão, a
capacidade seletiva da membrana, em relação a uma dada espécie, é medida através do
coeficiente de rejeição(R) definido como o quociente entre a concentração do material
rejeitado no permeado (C
p
) pela sua concentração no canal de alimentação (C
o
). Assim, a
equação 4.1 mostra que quando R=0 a concentração da espécie em questão, no permeado, é
igual a sua concentração na alimentação, ou seja, a membrana não apresenta nenhuma
capacidade seletiva para esta espécie. Por outro lado, R=1 significa que a espécie em questão
não está presente no permeado, ou seja, a membrana foi capaz de rejeitá-la completamente.
0
1
C
C
R
p
−= (4.1)
4.1 Tipos de Membranas
A classificação de membranas mais utilizadas são as de microfiltração (MF), com
porosidade entre 0,1 e 10µm e as membranas de ultrafiltração (UF), com porosidade entre
1.000 a 100.000 Dalton (D). São utilizadas para a separação de soluções contendo
macromoléculas, colóides, etc. As membranas de separação molecular são as de nanofiltração
(NF), porosidade nominal entre 200 e 1.000D e as membranas de osmose inversa (OI), com
porosidade < 200 D (Tabela 4.1).
Tabela 4.1: Principais membranas (Schneider & Tsutiya, 2001)
Membrana Porosidade Material Retido
Microfiltração 0,1 - 0,2 µm Protozoários, bactérias, vírus (maioria),
partículas
Ultrafiltração 1.000 – 100.000 D Material removido na MF + colóides +
totalidade de vírus
Nanofiltração 200 – 1.000 D Íons divalentes e trivalentes, moléculas
orgânicas com tamanho maior do que a
porosidade média da membrana
Osmose reversa < 200 D Íons, praticamente toda a matéria orgânica
Dalton: medida de massa molar e um D corresponde a massa de um átomo de hidrogênio
47
48
As propriedades da membrana são determinadas pela composição do polímero, tipo de
solvente ou co-solvente utilizado na preparação da membrana, composição da solução de
formação do filme, composição do banho coagulante e comportamento de precipitação e
cristalização do polímero.
As membranas são produzidas em larga escala em duas configurações básicas:
→Folhas planas (membranas de osmose inversa e nanofiltração)
→Cilindros (principalmente membranas de microfiltração e ultrafiltração)
Os polímeros orgânicos mais utilizados na fabricação de membranas comerciais são os
seguintes (fabricantes e tipo de membrana):
Acetato de celulose (Millipore, UF)
Polissulfona (Koch, UF)
Polietersulfona (X-flow, UF)
Polivinilpirrolidona (X-flow, UF)
Polipropileno (Memcor, MF)
Poliacrilonitrila (Pall, UF)
Poliamida (DuPont, OI)
Poliacrilamida (Koch, OI/NF)
Poli (fluoreto de vinilideno) (Sork Friesland, UF) (Schneider & Tsutiya, 2001).
4.2 Operações de Separação com Membranas
O processo de separação com membranas (PSM) que utiliza diferença de pressão através
da membrana como força motriz tem sido utilizado para concentrar, fracionar e purificar
soluções, em particular soluções aquosas. Em função da natureza e do tipo de solutos e da
presença ou não de partículas em suspensão, membranas com diferentes tamanhos e
distribuição de poros ou mesma densa são empregadas, caracterizando os processos
conhecidos como microfiltração (MF), ultrafiltração (UF), nanofiltração (NF) e osmose
inversa (OI).
Os processos de MF, UF, NF e OI podem ser entendidos como uma extensão dos
processos de filtração clássica que utilizam, nesta seqüência, meios filtrantes (membranas)
cada vez mais fechados, ou seja, membranas com poros cada vez menores. No caso da OI,
admite-se mesmo que não existem poros na superfície da membrana. Membranas mais
fechadas oferecem uma maior resistência à transferência de massa. Assim, para que seja
possível obter fluxos permeados economicamente viáveis, é necessário aumentar a pressão de
operação, quando se vai da MF para a OI. Na Tabela 4.2 são apresentados as principais
características dos PSM que utilizam a diferença de pressão como força motriz
.
Tabela 4.2: Processos de separação por membranas comerciais (Nobrega et al, 2005).
As operações com membranas são constituídas de módulos. O módulo é o elemento
básico de um sistema de membranas que congrega todas as estruturas necessárias para
viabilizar a operação da membrana como unidade de separação. O módulo contém os
seguintes elementos:
Membranas;
Estruturas de suporte da pressão, do vácuo ou da corrente elétrica aplicados ao
sistema;
Canais de alimentação e remoção do permeado e do concentrado.
Além do módulo, os elementos básicos de um sistema de membrana incluem uma
bomba para pressurizar o canal de alimentação, uma válvula instalada no canal do
concentrado para regular a pressão no canal de alimentação, um canal de coleta do permeado
e os elementos acessórios para a remoção do material retido na superfície da membrana, que
variam dependendo do tipo de módulo e da tecnologia de limpeza utilizada.
A pressão de filtração (P
f
) é definida como a média aritmética da soma das pressões de
alimentação (P
a
) e de saída do módulo ou elemento (Ps) menos a pressão do permeado (P
p
),
ou seja:
49
=
f
P
2
sa
PP
+
- (4.2)
p
P
A perda de carga no elemento de membrana (∆P) é equivalente à diferença de pressão
entre a entrada e a saída do módulo:
∆P = P
a
– Ps (4.3)
O rendimento do módulo ou elemento de membrana (Y) é o quociente entre o fluxo de
permeado (J
p
) dividido pelo fluxo de alimentação (J
a
)
()
a
p
J
J
xY 100% = (4.4)
Fatores determinantes do fluxo do solvente através das membranas: o fluxo de um
líquido (J) através de uma membrana depende da porosidade da membrana (f), do tamanho
médio dos poros (raio médio, r
p
), da pressão de filtração (P
f
), da viscosidade absoluta do
solvente (µ), do fator de tortuosidade do poro (Ө), e da espessura efetiva da membrana
(
m
δ
):
Equação de Hagen-Poisseuille:
m
fp
Prf
J
µθδ
8
2
=
(4.5)
O fluxo do solvente é inversamente proporcional à espessura da membrana e à
tortuosidade de seus poros e diretamente proporcional à sua porosidade (Schneider & Tsutiya,
2001).
O inverso da permeabilidade é uma medida de resistência (R) que o meio oferece ao
transporte.
Equação de Kanezy-Carman:
Px
R
J ∆=
µ
1
(4.6)
Nos PSM, a vazão do permeado diminui com o tempo, devido a dois principais
fenômenos: polarização de concentração e fouling. (Figura 4.2).
50
51
● Polarização de concentração: quando se processa uma solução com soluto de baixa
massa molar ou macromoléculas utilizando-se PSM, devido a seletividade do processo,
sempre haverá aumento de concentração das espécies retidas próximo a superfície da
membrana, provocando um movimento difusivo deste soluto no sentido de retornar ao seio da
solução. Mesmo havendo este retorno de soluto, a tendência predominante é o aumento da
concentração de soluto na região próxima à membrana com conseqüente queda no fluxo
permeado.
● Fouling: no PSM é comum observar uma queda contínua do fluxo permeado com o
tempo, indicando que outros fenômenos, além da polarização de concentração, devem estar
presentes durante o processamento. Este fenômeno, normalmente é acompanhado por um
decréscimo na rejeição do soluto. Esta variação continuada do fluxo permeado com o tempo é
atribuída a possíveis alterações na membrana provocada pelas espécies presentes na solução
processada. O conjunto dessas alterações é conhecido como fouling da membrana e, em
alguns casos, pode levar a fluxos permeados tão baixos que chega a inviabilizar uma dada
aplicação.
Os principais fatores que contribuem para o fouling são:
○ Adsorção das moléculas de soluto na superfície da membrana e no interior de seus
poros, devido a interações físico-químicas com o material da membrana.
○ Entupimento de poros por moléculas ou partículas em suspensão.
○ Depósito de material em suspensão sobre a superfície da membrana com formação de
uma torta de filtração. No caso de soluções de macromoléculas, na região próxima a
superfície da membrana, pode-se atingir uma concentração suficientemente elevada, de modo
a possibilitar a gelificação da solução nesta região.
A conseqüência da polarização de concentração e do fouling é a queda no valor do fluxo
permeado em relação ao valor obtido com o solvente puro. Assim, ambos representam
resistências adicionais a transferência de massa através da membrana. A cinética
relativamente lenta de alguns dos fenômenos que provocam o fouling justifica a demora para
se atingir um possível estado estacionário (fluxo constante) (Nobrega et al, 2005).
Figura 4.2. Variação no fluxo permeado com o tempo de operação ocasionada por
polarização de concentração e fouling (Nóbrega et al, 2005).
4.3 Aplicação ao rerrefino de lubrificantes automotivos
Os primeiros estudos realizados com rerrefino de óleo lubrificantes de combustão
interna, utilizando membranas de ultrafiltração, foram feitos no Instituto Francês de Petróleo
(IFP), pelos pesquisadores Audibert, et al, em cooperação com a indústria Rhône-Poulenc.
Este trabalho foi apresentado em congresso em l978 e os resultados apresentados se
mostraram bastante animadores, despertando grande interesse para as indústrias de rerrefino.
No processo de ultrafiltração, ficam retidos os aditivos, os produtos da oxidação,
substâncias asfálticas resultante da combustão incompleta do diesel ou da gasolina, poeira e
metais provenientes do desgaste.
Dados da experiência em escala piloto:
Membrana utilizada: copolímero de acrilonitrila com uma área de 8,4 dm
2
cada.
Velocidade de circulação: 2 m/s Temperatura: 40
o
C
Pressão utilizada: 4 bars Mistura óleo/hexano: 25/75 (a volume)
A vazão inicial na ultrafiltração foi de 450 L/dia x dm
2
de área útil das membranas,
diminuindo ao longo da filtração para 300L/dia x dm
2
. Este decréscimo foi motivado pela
torta formada (fouling) e pela polarização de concentração. Durante o processo houve
52
algumas paralizações para limpeza das membranas. A instalação da unidade piloto foi
construída com todos os controles automáticos e equipamentos de segurança. O teste teve a
duração de 2000 horas. Conforme a figura 4.3, o primeiro estágio tem dois módulos em série,
cada um equipado com duas placas suporte (cada placa com uma membrana de 8,4 dm
2
de
área) A carga desse estágio é formada por uma parte do óleo usado e o permeado do segundo
estágio. O segundo estágio também tem dois módulos em série, mas com uma única
membrana cada. A carga desse estágio é o concentrado do primeiro estágio diluído com
alguma quantidade de hexano. Após a ultrafiltração, o produto é destilado e o solvente
recuperado.
O óleo ultrafiltrado é transparente, embora tendo uma cor ASTM superior a 8
(conforme citação no Capítulo 3, figura 3.7, a cor ASTM máxima para o neutro médio RR é
4,0 e para o neutro pesado RR é 4,5). O óleo permeado ainda contém algumas impurezas
solúveis, como alguns ácidos orgânicos. Estas impurezas, como também a cor, são retiradas
por percolação, utilizando alguns polímeros adsorventes ou por meio de argilas ativadas, ou
ambos.
O = 0,34
S = 2,44
% Hexano = 87,8
(2,78)
O = 3,22
S = 9
,
07
(12,29)
O = 3,21
S = 9
,
07
(17,86)
O = 0,49
S = 8
,
61
(9,10)
O = 0,78
S = 13
,
50
(14,28)
% Hexano = 73,3
O = 8,04
S = 22
,
11
(30,15)
O = 1,61
S = 3
,
97
(5,58)
O = 1,61
S = 24
,
55
(26,16)
O = 4,82
S = 13
,
04
(17,86)
O = 0,83
S = 11
,
05
(11,88)
O = 6,43
S = 18,14
% Óleo = 26,17
(24,57)
O = 1,27
S = 22,11
% Óleo = 5,43
(23,38)
S = 20,58
O = 6,77
8,4 dm
2
8,4 dm
2
8,4 dm
2
8,4 dm
2
8,4 dm
2
8,4 dm
2
53
Rendimento do óleo: 95%
Taxa de fluxo médio através das membranas do 1
o
estágio = 459 L/d x m
2
Legenda: O = óleo ; S = solvente.
Figura 4.3. Balanço de material de uma unidade piloto para rerrefino de óleo lubrificante
automotivo (Audibert et al, 1978).
54
4.4 Equipamentos de ultrafiltração usados no rerrefino
O projeto e a instalação de uma unidade de filtração de membrana deve ser precedido de
análises detalhadas sobre os objetivos de qualidade a serem atingidos.
Apesar de aparentemente simples, a tecnologia de membranas filtrantes oferece muitas
possibilidades de erros de projeto, principalmente nas etapas de pré-tratamento e seleção de
membranas, que podem comprometer a operação e a sua viabilidade econômica. Uma regra
fundamental que deve ser seguida, em todos os projetos de plantas de membranas,
independente de seu porte, é que as unidades devem ser projetadas e construídas por empresas
com bastante experiência no ramo.
É imprescindível, antes de iniciar qualquer projeto, instalar uma unidade piloto, operada
durante um período mínimo de seis meses. Os dados fornecidos pela piloto são importantes
para provar a viabilidade técnica e econômica, além de obter dados para a otimização do
projeto, e de um melhor controle do fouling. Sistemas otimizados podem aumentar
significativamente a vida útil das membranas, um dos principais itens de custo.
As etapas mais importantes no projeto e implantação de unidades de filtração por
membranas, são as seguintes:
◘ definição da qualidade a ser alcançada do óleo rerrefinado;
◘ conhecimento detalhado da matéria prima;
◘ definição do tipo de unidade de membrana que permita alcançar a especificação
desejada;
◘ definição do porte da unidade de tratamento.
Cuidados durante a operação de sistemas de membrana - após a conclusão da fase de
projeto e construção, inicia-se a fase operacional da planta.
Definições dos objetivos operacionais nessa fase devem ser atingidas por duas
considerações importantes:
○ produção de óleo rerrefinado na qualidade e no volume projetado;
○ maximização da vida útil das membranas.
Os parâmetros operacionais que devem ser analisados com freqüência, são os seguintes:
- pressão de operação;
- perda de carga no módulo;
- fluxo de permeado e de concentrado.
O conjunto destes fatores permite avaliar a perda de eficiência do sistema de filtração. O
aumento da pressão de operação, ou da redução de fluxo através da membrana a uma pressão
constante, são indicadores claros da ocorrência de fouling. Quando estes parâmetros atingem
valores críticos, é necessário realizar um ciclo de limpeza.
O principal equipamento de ultrafiltração usado no rerrefino é o módulo, que é um
conjunto de elementos que permite operar a membrana.
Os principais tipos de módulos comercializados no mercado são: módulos com placas,
módulos tubulares, módulos espirais, módulos com fibras ocas, e módulos com discos
rotatórios (Schneider &Tsutiya, 2001).
O módulo mais indicado para ultrafiltração de lubrificantes é o de fibra oca, cuja área de
membrana por volume de módulo, é de cerca de 5000m
2
/m
3
(o óleo previamente diluído no
solvente). A figura 4.4 mostra um módulo com fibras ocas.
Figura 4.4. Módulo com membranas na forma de fibras-ocas (Nobrega et al, 2005).
A formação de tortas de filtro na superfície de membranas é inevitável. A operação de
membranas depende, portanto, da remoção periódica das tortas de filtro, o que ocorre por
processo de retrolavagem. Esta é iniciada quando a pressão de filtração ou o fluxo de filtração
atinge um valor limite pré-estabelecido. Um sistema de retrolavagem eficiente restaura o
fluxo da membrana a um valor próximo do valor inicial.
55
CAPÍTULO 5
ARGILAS ATIVADAS UTILIZADAS APÓS
ULTRAFILTRAÇÃO
As argilas derivam em geral de rochas base do tipo cristalina e eruptiva como os
feldspatos, granitos e basaltos que se tornaram abundante na crosta terrestre em um processo
longo e lento de decomposição por efeito de agentes geológicos como vento, chuva, variação
de temperatura, ação glacial ao longo de milhões de anos. De um modo geral, o termo argila
significa um material natural de textura terrosa e de baixa granulometria, que desenvolve
plasticidade quando misturado com uma quantidade controlada de água.
As argilas se classificam em duas categorias: Argilas Primárias e Argilas Secundárias
ou Sedimentares. As primeiras são formadas no mesmo local da rocha mãe e têm sido pouco
atacadas pelos agentes atmosféricos. Possuem partículas mais grossas e coloração mais clara,
são pouco plásticas, porém de grande pureza. Argilas secundárias ou sedimentares são as que
foram transportadas para mais longe da rocha que a originou. Quimicamente, são as argilas
formadas essencialmente por silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio, e um certo
teor de elementos alcalinos e alcalino-terrosos, constituídas de um número restrito de minerais
conhecidos como argilominerais. Uma argila qualquer pode ser composta por partículas de
um argilomineral ou por uma mistura de diversos argilominerais (Rossi, 2005).
Os principais argilominerais são: caulinita, ilita e esmectita (montmorilonita), todos
constituídos por dois tipos de estruturas: tetraedros e octaedros, conforme a figura 5.1.
Silício = átomos laranja; alumínio = átomo
rosa; oxigênio = átomos azuis.
Figura 5.1. Estrutura tetraédrica e octaédrica de argilominerais (Pereira, 2005).
56
57
As unidades básicas se ligam formando folhas tetraédricas ou octaédricas. O
empilhamento destas folhas, numa grande variedade de maneiras, formará as estruturas
cristalinas básicas dos argilominerais:
} Grupo caulinita: unidade estrutural 1:1, isto é, uma camada de tetraedro ligado a
uma de octaedro. A ligação entre camadas é efetuada através de ligações de hidrogênio.
} Grupo das ilitas: unidade estrutural 2:1, isto é, uma unidade octaédrica entre duas
tetraédricas de silício. Tem uma estrutura cristalina semelhante à da montmorilonita, com a
diferença de que há substancialmente uma substituição maior de alumínio por silício, o que dá
uma maior carga à estrutura cristalina e o cátion de ligação entre as camadas é o potássio.
} Grupo das esmectitas (montmorilonitas): unidade estrutural 2:1, isto é, uma unidade
octaédrica de alumina entre duas tetraédricas de silicato. No espaço entre as camadas,
encontram-se moléculas de água adsorvidas e os denominados cátions trocáveis, que podem
ser Ca
2+
, Mg
2+
e ou Na
+
. Se o cátion predominante é o Ca
2+
, a argila é denominada de
bentonita cálcica, isto é, a argila bentonítica toma o nome do cátion predominante (Pereira,
2005).
5.
1 Processo de fabricação das argilas ativadas
Os termos “argilas descorantes”, “terra descorante
”
, “argila clarificante” ou “argila
adsorvente” são utilizados nas indústrias de óleos para designar argilas que, no estado natural
ou após ativação química, apresentam a propriedade de adsorver as matérias corantes
dissolvidas nos óleos minerais, vegetais ou animais; não devem ser confundidas com
auxiliares de filtração, como diatomito e perlita, os quais retiram as partículas coloridas
existentes em suspensão.
As argilas descorantes mais utilizadas são: terra fuler (atapulgita), argilas ativadas e
bauxitos ativados.
A composição mineralógica das terras fuler ou atapulgita é constituída por
argilominerais montmoriloníticos, em que o cátion saturante é predominantemente hidrogênio
e ou magnésio.
As argilas utilizadas como matéria-prima para a obtenção de argilas ativadas por ácidos
são argilas que, no estado natural, têm um poder descorante muito baixo, mas que
desenvolvem um elevado poder descorante pelo tratamento com ácido clorídrico ou ácido
sulfúrico. As argilas ativáveis por ácidos são geralmente bentonitas cálcicas, isto é, argilas
essencialmente montmoriloníticas em que o cátion saturante é predominantemente cálcio. A
ativação ácida serve para transformar a montmorilonita em montmorilonita ácida pela
substituição do sódio, potássio, cálcio (e talvez magnésio) pelo cátion hidrogênio e para
reduzir o teor de magnésio, ferro e alumínio (nessa ordem); nessa ativação, parte do H
+
é
substituido por Al
3+
estrutural, com destruição parcial do argilomineral. A ativação ácida
serve também para aumentar a área específica, isto é, a área externa total das partículas de
argila por unidade de massa e, também, a porosidade aparente das argilas. A propriedade de
agir como agente descorante está diretamente correlacionado com a presença de íons H
+
e
Al
3+
como cátions trocáveis, em proporções adequadas. O aumento da capacidade da
bentonita no descoramento do óleo, também está relacionado com o aumento da porcentagem
de destruição da folha octaédrica. Nas figuras 5.2, 5.3 e 5.4 estão representados os diagramas
de bloco da produção da terra fuler, da ativação ácida da montmorilonita cálcica e da ativação
térmica do bauxito.
Terra
Secagem ao Secador Resfriamento
Britador 1 Britador 2
58
Figura 5.2. Diagrama da produção da terra fuler (Santos, P. S., 1992).
Figura 5.3. Diagrama de ativação ácida da montmorilonita (Santos, P. S., 1992).
Fuler
Ar Livre Rotativo em Tan
q
ues
Peneira Moinho de Peneira
Vibratória Rolos Vibratória
Granu
-lados
Finos
Processos
de Contato
Processos de
Percolação
H
2
SO
4
H
2
O
Água
Silo Britador Secador Misturador
Montmo
-rilonita
- Ca
Filtro
Moínho Secador Espessador
Argila
Oliver
Ativada
Água
Ácida
Resfriamento
Secagem Britador 1 Britador 2 Forno
Bauxito
em Tan
q
ues
Peneira Moinho de Peneira
Vibratória Rolos Vibratória
Granu
-lados
Finos
Processos
59
Figura 5.4. Diagrama da ativação térmica do bauxito (Santos, P. S., 1992).
O bauxito ativado (o termo bauxita é incorreto porque o sufixo ita deve ser utilizado
para designar um mineral; não existe o suposto mineral bauxita, de composição Al
2
O
3
.2H
2
O)
é preparado pelo tratamento térmico do minério bauxito que possui, no estado natural, um
poder descorante muito reduzido. É preparado em forma granular e usado no processo de
descoramento de derivados de petróleo por percolação. O bauxito selecionado é secado entre
100
o
C e 150
o
C, separado em peneiras, moido e de novo separado em peneiras (granulometria
entre ABNT 20 a 60), de modo a obter o máximo de material granulado para percolação. É
calcinado a seguir em temperaturas entre 350
o
C e 860
o
C; as condições de calcinação são
extremamente críticas para finalidades específicas, especialmente para uso em óleos
lubrificantes.
Define-se adsorção física de uma substância química A (chamada adsorbato), por uma
substância sólida S (chamada adsorvente) que possui uma grande área específica
(industrialmente da ordem de até 200g/m
2
), sendo A uma substância química dissolvida em
um líquido (solvente) ou uma substância fluida em mistura gasosa com outros gases, quando a
concentração de A ( em massa/volume) na superfície de S (interface de S com o meio) é
maior do que a concentração de A no meio que envolve S.
Estudos teóricos sobre adsorção foram desenvolvidos por alguns estudiosos,
principalmente Freundlich e Langmuir. Com base nas equações propostas por esses autores,
foram desenvolvidos gráficos denominados isotermas de adsorção (Santos, P. S., 1992).
de Contato
Processos de
Percolação
60
5.2 Propriedades das argilas
As argilas, com raras exceções, são sistemas complicados devidos às variadas condições
geológicas de formação das mesmas; podem variar na composição mineralógica qualitativa e
quantitativa dentro dos argilominerais, cristalinos ou amorfos, diferenças relativas de vários
minerais e no grau de substituição isomórficas nos reticulados cristalinos; os componentes
não argilominerais cristalinos (silicatos, hidróxidos, óxidos, carbonatos, nitratos, sulfatos,
sulfetos) ou amorfos (ácidos silícicos, ácido húmico e humatos) também podem variar
qualitativa e quantitativamente. Sendo as argilas na natureza, de dimensões coloidais,
diferenças apreciáveis existem nas propriedades físico-químicas, tais como na capacidade de
troca de cátions, natureza dos cátions trocáveis, distribuição granulométrica das partículas,
área específica, potencial eletrocinético (potencial zeta), viscosidades de suspensões,
plasticidades, etc. Essas diferenças levam a propriedades tecnológicas diversas para as
indústrias de cerâmica, borracha, papel, metalúrgica, de petróleo, agrícola, química e de
engenharia civil. Desta forma, vemos que não é possível descrever uma argila por um número
pequeno de propriedades. Geralmente são os seguintes os fatores que controlam as
propriedades que uma determinada argila possui:
1 – A composição mineralógica dos argilominerais qualitativa e quantitativa, e a
distribuição granulométrica das partículas;
2 – A composição mineralógica dos não argilominerais, qualitativa e quantitativa, e a
distribuição granulométrica das partículas;
3 – Teor em eletrólitos, quer dos cátions trocáveis, quer de sais solúveis, qualitativa e
quantitativamente;
4 – Natureza e o teor de componentes orgânicos;
5 – Características texturais da argila, tais como forma dos grãos, grau de orientação
das partículas dos argilominerais, etc.
Essa complexidade das argilas leva a dificuldade na classificação das mesmas, levando
especialmente ao conceito de que não existem duas argilas iguais. Este último conceito deu
origem a uma nomenclatura geográfica, identificando-se as argilas pela localidade de onde
foram extraídas, usando-se também nomes dos lugares de origem; são comuns nomes como:
argilas de Kentucky, Carolina do Norte, São Simão, da Paraíba, etc. (Santos, P. S., 1989)
O Bureau of Mines dos Estados Unidos, para fins estatísticos, classifica as argilas em:
caulins (china- clays ou kaolins), argilas plásticas para cerâmica branca (ball-clays), argilas
refratárias (fire-clays), argilas para louças (stoneware-clays), bentonitas (bentonites)), terras
61
fuler (fuller’s earth), etc A classificação e a nomenclatura de uma argila não devem ser
confundidas com a classificação e a nomenclatura dos argilominerais constituintes das
mesmas. (Santos, P. S., 1989).
5.3
Aplicação das argilas
Como já foram citadas anteriormente, as argilas, com suas várias estruturas e
propriedades tecnológicas são utilizadas nas indústrias de cerâmica, borracha, papel,
metalúrgica, de petróleo, agrícola, química, engenharia civil, produção de catalisadores e na
produção de óleos utilizadas como agentes descorantes.
Neste trabalho de Dissertação, a última etapa do processo de rerrefino de lubrificantes é
exatamente a clarificação.
As argilas podem ser utilizadas como agentes descorantes de óleos de duas maneiras
diferentes. A primeira é chamada processo de percolação, onde o óleo atravessa uma coluna
de argila descorante preparada na forma de grãos de dimensões entre as peneiras ABNT 10 e
60; é um processo que emprega temperaturas baixas, geralmente entre 85
o
C e 120
o
C. As
vazões são de 80L a 480L por tonelada de argila e por hora. O outro processo é chamado de
processo de contato, onde o óleo é colocado em contato com a argila em pó, peneirada através
de uma peneira ABNT 200; a temperatura varia entre 150
o
C e 300
o
C durante trinta minutos
sob agitação constante e também sob vácuo. A percentagem de argila varia entre 0,5% a 10%
em relação à massa de óleo. O óleo é separado da argila através de filtração, normalmente em
filtro- prensa.
Seja qual for o processo utilizado, a argila deve satisfazer aos seguintes requisitos: ter
um bom poder descorante; reter um mínimo possível de óleo; ser reativável por tratamento
térmico ou por meio de solvente. (Santos, P. S., 1992).
62
CAPÍTULO 6
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
6.1 Amostragem e caracterização das amostras de óleo usado
As amostras de óleo usado foram coletadas em duas rerrefinadoras, a saber: Tasa
Lubrificantes e Lwart Lubrificantes.
As rerrefinadoras coletam o óleo usado em caminhões tanques, em vários locais,
conforme citação no capítulo1, e ao retornarem a fábrica, este óleo é descarregado em tanques
de armazenagem construídos em aço carbono. Normalmente as empresas dispõem de vários
tanques para depósitos, onde o óleo usado é descarregado. É evidente que essas misturas de
óleos de várias origens geram um produto final de composição diferente daqueles que o
originou. Em resumo, os óleos usados possuem características diferentes uns dos outros.
Como visto, os óleos usados são de várias procedências e por isso, formam durante a
estocagem misturas com características próprias.
Na realização da amostragem, seguiu-se a técnica de coletar em cima, no meio e fundo
do tanque, formando uma amostra composta representativa. As amostras são coletadas em
vasilhames metálicos, em média 5 litros. Não há necessidade de se fazer qualquer
preservação, simplesmente tendo-se o cuidado para que o vasilhame esteja limpo e seco. Os
óleos usados são estáveis à temperatura ambiente.
Cada amostra coletada foi dividida em duas alíquotas iguais. Uma destas foi mantida tal
e qual coletada e a outra submetida a pré-tratamento(desidratação e destilação flash) . Em
seguida, ambas foram submetidas à análise, cujos resultados revelaram os efeitos do pré-
tratamento.
As amostras no estado bruto foram identificadas pelo índice 1 (exemplo: A
1,
B
1
, etc) e as
amostras submetidas ao pré-tratamento (destilação flash) pelo índice 2 (exemplo: A
2
, B
2
, etc)
Para a presente Dissertação foram utilizadas um total de oito amostras, sendo duas
fornecidas pela Tasa Lubrificantes (A
1
e A
2
) e seis pela Lwart Lubrificantes (B
1
,B
2
C
1
,C
2
D
1
,D
2
)
,
coletadas em intervalo de trinta dias.
Essas amostras foram caracterizadas segundo os métodos ASTM e NBR cujos
parâmetros encontram-se na tabela 6.1.
Tabela 6.1 – Parâmetros de caracterização / análise em função da etapa do processo de rerrefino, tal e qual descrito na Figura 6.1
Parâmetro de Caracterização (Análise)
Amostras Brutas
(A
1
, B
1
, C
1
, D
1
)
Amostra após
Destilação Flash
(A
2
, B
2
, C
2
. D
2
)
Amostra após
Ultrafiltração
Amostras após
percolação em
argila ativada
Viscosidade cinemática a 40 °C (ASTM D445) SIM SIM SIM SIM
Viscosidade cinemática a 100 °C (ASTM D445) SIM SIM
Índice de viscosidade (ASTM D2270) SIM SIM
Ponto de fulgor (ASTM D92) SIM
Ponto de fluidez (ASTM D97) SIM
Índice de acidez total (ASTM D974) SIM SIM
Insolúveis em pentano (ASTM D893) SIM SIM SIM
Água por arraste (ASTM D95) SIM SIM SIM
Diluição por combustível (ASTM D322) SIM SIM SIM
Cor (ASTM D1500) SIM SIM
Cinzas (ASTM D482) SIM
Resíduo de carbono (ASTM D524) SIM
Corrosividade (ASTM D130) SIM
Espectrometria de Absorção Atômica (NBR 14066) SIM SIM SIM
63
6.2 Procedimento Experimental
O procedimento aplicado às amostras brutas coletadas é indicado no diagrama da Figura
6.1. A seqüência de operações é ilustrada da seguinte maneira:
Amostra Bruta
(
A
1
,
B
1
,
C
1
,
D
1
)
Amostra
(
A
2
,
B
2
,
C
2
,
D
2
)
Centrifugação
Óleo Rerrefinado
Percolação em leito de
Argila Ativada.
Destilação do Solvente
(Evaporador Rotativo)
Neutralização (remoção das
substâncias ácidas do óleo
através de troca iônica com
resinas aniônicas)
Experimento de Ultrafiltração
Destilação Flash
Adição de solvente
(Hexano).
Adição de etanol e
isopropanol.
Figura 6.1. Procedimento experimental aplicado às amostras de óleos lubrificantes a serem
rerrefinados
64
65
Além dos aparelhos e vidrarias comuns aos laboratórios, foram também utilizados nesta
Dissertação os seguintes equipamentos:
Balança analítica: Bosch 2000.
Banho de aquecimento para ensaio de corrosividade: Koehler Instrument Co
Centrífuga: Incomap Ltda.
Colorímetro: Fisher Scientific Co
Evaporador rotativo: Fisatom
Módulo para ultrafiltração do Laboratório de Membranas do Departamento de
Bioquímica.
Ponto de fluidez: ISL Instrument.
Ponto de fulgor Cleveland: Elcar Máquinas Ltda.
Resíduo de Carbono Conradson: Elcar Máquinas Ltda. modelo Atlantic
Spectroil M (rotating disk electrod): Spectro Incorporated.
Viscosímetro cinemático modelo Atlantic: Elcar Máquinas Ltda.
6.2.1 Centrifugação
Antes da ultrafiltração foi realizada uma centrifugação, utilizando uma centrífuga com
as seguintes características: rotação 1750 rpm produzindo uma força centrífuga relativa de
700 vezes a força da gravidade. A finalidade foi retirar o máximo do material em suspensão,
de moda a diminuir o fouling e conseqüentemente manter uma melhor vazão do permeado.
As amostras centrifugadas foram, A
2
, B
2
, C
2
e D
2
.
As amostras de óleo foram diluídas a 20% a volume, em hexano, cuja finalidade foi
diminuir a viscosidade e centrifugadas conforme o método ASTM D 893, durante 20 minutos.
O resíduo foi descartado.
A
fração solúvel foi cuidadosamente separada e utilizada, após nova mistura de
solventes (etanol e isopropanol), no processo de ultrafiltração.
6.2.2 Ultrafiltração
Composição a volume da mistura usada na ultrafiltração:
Fração solúvel 75 %
Álcool isopropílico 20 %
Etanol................................... 5 %
A adição destes dois álcoois viabiliza a permeação a baixa pressão, uma vez que os
mesmos molham a membrana (wetted). Na ausência dos álcoois, isto é, unicamente a mistura
de hexano/óleo, a membrana fica impermeável, não havendo conseqüentemente permeação.
6.2.2.a Equipamento
Foi utilizado um módulo plano de ultrafiltração com alimentação direta, conforme visto
nas figuras 6.2 e 6.3. Esta célula de permeação (5) possui forma cilíndrica, com volume de
250 mL e área útil de filtração de 40,38 cm
2
. A mistura óleo/solventes é pressionada com
nitrogênio contra a membrana a pressão de 3 kgf/cm
2
e temperatura ambiente (oscilando entre
25
o
C e 30
o
C). O permeado passa pela membrana, na qual ficam retidos os materiais de alta
massa molar e em suspensão, conforme figura 6.4.
1 – Cilindro de nitrogênio.
2 – Manômetro
(pressão do cilindro).
3 – Válvula reguladora de pressão.
4 – Manômetro
(pressão de alimentação).
5 – Célula de permeação.
6 – Depósito de permeado.
N
2
PI
PI
1
2
5
6
4
3
N
2
PIPI
PIPI
1
2
5
6
4
3
Figura 6.2. Diagrama esquemático do sistema de ultrafiltração utilizado no presente trabalho.
66
– Membrana.
– Placa sinterizada.
– Suporte perfurado.
Figura 6.3. Detalhe da célula de ultrafiltração.
6.2.2.b Membrana
Foi utilizada membrana plana para ultrafiltração, cujo material é celulose regenerada
(quimicamente acetato de celulose), código YM30, diâmetro 76 mm e 30kDa, fornecida pela
Millipore Corporation. Temperatura de operação até 121
o
C e pressão máxima de 4,7 kgf/cm
2
.
Figura 6.4. Módulo de ultrafiltração.
67
6.2.3 Destilação do solvente
O material permeado foi destilado no evaporador rotativo, a 130
o
C e 400 mm de Hg,
durante 3 horas, com recuperação do solvente, conforme figura 6.5.
Figura 6.5. Evaporador rotativo.
6.2.4 Remoção das frações ácidas por troca iônica
O óleo permeado e isento de solventes, foi percolado numa coluna de resina aniônica
Amberlyst A-26 OH (quimicamente estireno reticulado com divinilbenzeno funcionalizada
com sal de amônio quaternário), cedida por cortesia da Rohm Haas, cuja finalidade é
neutralizar a acidez residual contida no óleo. A coluna de percolação foi mantida a 55
o
C
através de um banho termostatizado, conforme figura 6.7.
68
1 – Óleo permeado.
2 – Óleo neutralizado.
3 – Condensador reto.
4 – Resina aniônica ou argila
ativada.
5 – Banho de aquecimento
termostatizado com circulação.
1
2
3
4
Água
Água
5
1
2
3
4
Água
Água
5
Figura 6.6 Esquema do sistema de neutralização e ou clarificação.
Figura 6.7 Sistema de neutralização.
69
6.2.5 Percolação em leito de argila ativada
Após a neutralização, o próximo passo foi a percolação em argila ativada, Figura 6.8.
Foram testadas dois tipos de argilas, ambas com a mesma área de superfície 150 m
2
/g:
Attapulgite C – fabricante Engelhard, USA e Tonsil CO 620 G – Fabricante Sud Chemie,
USA, cedidas por cortesia do Laboratório de Engenharia e Tecnologia de Petróleo e
Petroquímica da UERJ. A Attapulgite C apresentou um melhor rendimento na adsorção do
óleo e por esse motivo foi a usada até o final das experiências. O objetivo foi adsorver alguns
organo-metálicos que não foram retidos na ultrafiltração, adsorver as substâncias cromóforas,
a fim de clarificar o óleo, e neutralizar o resíduo de acidez, colocando o óleo na especificação
exigida para um óleo rerrefinado. Essa operação de percolação foi realizada a uma
temperatura de 95
o
C e pressão atmosférica. A coluna de argila tinha uma altura de 20 cm e
área da base 0,45 cm
2
. A vazão foi de 56 mL/cm
2
h. Quando a argila saturava, era ativada,
inicialmente removendo o óleo contido na argila com hexano (óleo e solvente eram
recuperados posteriormente) e a seguir era colocada na mufla a 250
o
C durante duas horas com
circulação de nitrogênio. No final do processo de percolação, foi usado 6% em peso da argila
em relação ao óleo. O limite de saturação da argila era atingido quando a cor do óleo
percolado atingia o valor 4.
Os ensaios do óleo tratado por essa metodologia, foram realizados num laboratório
especializado, e os resultados encontrados na Tabela 7.5, página 76, se enquadram nos
limites da especificação ANP 130, conforme pode ser visto no Capítulo 3, Tabela 3.3.
Figura 6.8 Sistema de percolação.
70
71
6.3 Reagentes utilizados
Os principais solventes e reagentes utilizados nesta Dissertação foram:
Ácido Perclórico – procedência: Merck Indústria Química;grau de pureza: PA.
Anidrido Acético – procedência: Merck Indúsria Química; grau de pureza: PA.
Álcool etílico - procedência: Merck Indústria Química; grau de pureza: PA.
Álcool isopropílico – procedência: Merck Indústria Química; grau de pureza: PA.
Clorofórmio – procedência: Vetec Química Fina Ltda; grau de pureza : PA.
Nitrogênio – procedência: White Martins.
Hexano - procedência: Vetec Química Fina Ltda; grau de pureza: PA.
Pentano - procedência: Vetec Química Fina Ltda; grau de pureza: PA.
Tolueno – procedência: Vetec Química Fina Ltda: grau de pureza: PA.
Xileno - procedência: Vetec Química Fina Ltda; grau de pureza: PA.
CAPÍTULO 7
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados da metodologia experimental aplicada ao rerrefino de óleos lubrificantes
usados nos motores de combustão interna utilizando o processo de ultrafiltração serão
discutidos neste capítulo.
As análises necessárias para qualificar se uma amostra de óleo tal e qual recebida
(Tabela 7.1) é de qualidade aceitável para se fazer o rerrefino, quatro ensaios são indicados:
viscosidade cinemática a 40
o
C, insolúveis em pentano, água por arraste e diluição por
combustível. Por exemplo: percentual de insolúveis acima de 5%, teores de água acima de 10
%, diluição por combustível acima de 8%, tornam a mostra antieconômica para o rerrefino.
Não existe entre as rerrefinadoras uma especificação definida (limites) para o recebimento do
óleo usado, porém o rerrefino do óleo deve ser economicamente viável. As amostras de óleos
relacionados na Tabela 7.1 são todas adequadas.
Tabela 7.1 - Caracterização física das amostras de óleos tal e qual coletada
Tasa Lwart
Amostras →
Ensaios
↓
A
1
B
1
C
1
D
1
Viscosidade cinemática a 40
o
C (cSt) 65,32 75,72 80,22 84,26
Insolúveis em pentano (%) 1,9 2,2 2,2 2,4
Água por arraste (%) 6,4 4,8 5,2 5,8
Diluição por combustível (%) 0,8 0,6 0,5 0,4
Após a destilação flash (280
o
C e 15 mm de Hg) há necessidade de incluir vários outros
testes como se verifica na Tabela 7.2. Por exemplo, os resultados de água por arraste e de
diluição por combustível mostram que houve boa condução no processo de desidratação e
eliminação dos leves. A análise dos metais por espectrometria de absorção atômica quantifica
quanto de produtos organo-metálicos, metais de desgaste e poeira, estão presentes. Os
insolúveis fornecem o percentual do material em suspensão, como por exemplo, fuligem,
poeira, metais provenientes do desgaste do motor e produtos insolúveis provenientes da
72
73
oxidação. Observa-se que houve aumento da viscosidade; resultado esperado devido à
eliminação da água e dos leves.
Tabela 7.2 - Caracterização física e química das amostras de óleos após a destilação flash
Tasa Lwart
Amostras →
Ensaios
↓
A
2
B
2
C
2
D
2
Viscosidade cinemática a 40
o
C (cSt) 85.72 98.63 127,2 138.6
Insolúveis em pentano (%) 2,1 2.4 2,3 2,6
Água por arraste (%) 0 0 0 0
Diluição por combustível (%) 0 0 0 0
Espectrometria de absorção atômica
Fe
Cr
Pb
Cu
Al
Si
P
Zn
Ca
ppm
165
15
19
69
294
240
819
414
1018
ppm
176
21
29
93
332
453
715
471
1415
ppm
301
11
19
42
36
67
714
858
1379
ppm
282
35
20
37
41
60
506
1188
1982
7.1 Testes de ultrafiltração
Após a destilação flash (280
o
C e 15 mm de Hg), o óleo após resfriamento, foi diluido a
20% em hexano e centrifugado. A fração solúvel foi diluída com etanol e isopropanol,
conforme citação na página 65, colocada no módulo de ultrafiltração utilizando membrana de
celulose regenerada 30 kDa e pressurizado com nitrogênio a uma pressão de 3 kgf/cm
2
. Após
a ultrafiltração e destilação dos solventes no evaporador rotativo, o óleo apresentou a seguinte
caracterização física e química (Tabela 7.3):
74
Tabela 7.3 - Caracterização física e química das amostras de óleos após a ultrafiltração
Tasa Lwart
Amostras →
Ensaios
↓
A
2
B
2
C
2
D
2
Viscosidade cinemática a 40
o
C (cSt) 64,10 77.62 82,3 84,81
Viscosidade cinemática a 100
o
C (cSt) 8,32 9.43 9,92 10,21
Índice de viscosidade 98 97 99 100
Índice de acidez total (mgKOH/g) 0,65 0,46 0,70 0,56
Cor >8 >8 >8 >8
Insolúveis em pentano (%) 0 0 0 0
Água por arraste (%) 0 0 0 0
Diluição por combustível (%) 0 0 0 0
Espectrometria de absorção atômica
Fe
Cr
Pb
Cu
Al
Si
P
Zn
Ca
ppm
12
0
1
1
0
12
19
1,5
15,8
ppm
2
1
1
0
0
16
8
2
22
ppm
0
0
2
0
0
15
17
0
18
ppm
8.7
0
0
0,8
0
14,6
0
1,9
20,7
Nos gráficos de fluxo de permeação (J), conforme as Figuras 7.1, 7.2, 7.3 e 7.4.
observa-se que todas as amostras indicaram uma diminuição de vazão, possivelmente devido
à formação de fouling. É esperado supor que se fosse usado um módulo de ultrafiltração tipo
fluxo cruzado ou tangencial (cross flow filtration), associado a outras técnicas que visam
melhorar o fluxo permeado tais como limpeza mecânica ou hidráulica, promotores de
turbulência, etc (estes recursos nesta fase experimental, não estavam disponíveis), o problema
da formação do fouling seria menor. As principais substâncias formadoras do fouling são
provavelmente asfaltenos, aditivos degradados, produtos oxidados, que interagem formando
um complexo.
Em virtude da freqüente formação de fouling, a ultrafiltração era interrompida para que
fosse realizada a desobstrução, utilizando hexano como solvente de limpeza. A figura 7.5
mostra o fouling formado durante a filtração.
y = 7,5699x
-0,312
R
2
= 0,894
0
10
20
30
40
50
0 0,05 0,1 0,15
Te m po (h )
Fluxo (L/h.m2)
Figura 7.1 – Variação do fluxo permeado com o tempo de operação, utilizando o módulo
plano, conforme Figuras 6.2 e 6.3, O gráfico mostra uma diminuição da vazão, possivelmente
devido à formação de fouling. Amostra A
2
(Tasa Lubrificantes).
Caracterização de Membrana
y = 9,7181x
-0,2014
R
2
= 0,8242
0
10
20
30
40
50
00,050,1
Te m po (h )
Fluxo (L/h.m2)
0,15
Figura 7.2 – Variação do fluxo permeado com o tempo de operação, utilizando o módulo
plano, conforme Figuras 6.2 e 6.3. O gráfico mostra uma diminuição de vazão, possivelmente
devido à formação de fouling. Amostra B
2
(Lwart Lubrificantes).
75
y = 11,338x
-0,2331
R
2
= 0,8102
0
10
20
30
40
50
60
0 0,05 0,1 0,15 0,2
Tempo (h)
Fluxo (L/h.m2
)
Figura 7.3 – Variação do fluxo permeado com o tempo de operação, utilizando o módulo
plano, conforme Figuras 6.2 e 6.3. O gráfico mostra uma diminuição de vazão, possivelmente
devido à formação de fouling. Amostra C
2
(Lwart Lubrificantes)).
Caracterização de Membrana
y = 12,103x
-0,1711
R
2
= 0,8851
0
10
20
30
40
50
60
0 0,05 0,1 0,15 0,2
Tempo (h)
Fluxo (L/h.m2
)
Figura 7.4 – Variação do fluxo permeado com o tempo de operação, utilizando o módulo
plano, conforme Figuras 6.2 e 6.3. O gráfico mostra uma diminuição de vazão, possivelmente
devido à formação de fouling. Amostra D
2
(Lwart Lubrificantes).
76
O coeficiente de rejeição (R), principalmente com relação aos compostos organo-
metálicos foi bastante elevado (>95%), mostrando uma grande eficiência da membrana
utilizada. Um pequeno percentual de matéria orgânica indesejável foi permeada, porém foi
adsorvida na percolação com argila.
Cálculo do coeficiente de rejeição médio (das quatro amostras) dos compostos organo-
metálicos:
R= 1-
0
C
C
p
R=1-
3584
3,53
R= 0,98 ou seja R= 98%
Observa-se que as viscosidades das amostras após a ultrafiltração diminuiram. Este é um
resultado esperado, uma vez que, com a eliminação dos aditivos e grande parte das
substâncias oxidadas, que são produtos mais viscosos do que o óleo, a viscosidade tende a
diminuir.
Insolúveis em pentano, água e combustíveis foram reduzidos a zero. Com relação à cor,
o produto se mantém ainda escuro (cor> 8), porém límpido.
Figura 7.5 - Aspecto do fouling na membrana após 20 minutos de permeação, formado em
todas as amostras
77
Os resultados da neutralização, após a ultrafiltração e destilação do solvente, em uma
coluna aniônica, como se pode ver na Tabela 7.4, verificam-se resultados ainda acima dos
exigidos para óleos rerrefinados.
Tabela 7.4 - Resultados do índice de acidez total após etapa de neutralização
Tasa Lwart
Amostras →
Ensaios
↓
A
2
B
2
C
2
D
2
Índice de acidez total (mgKOH/g) 0,18 0,32 0,24 0,29
Os resultados obtidos na percolação com argila ativada foram satisfatórios. Como
mostra a Tabela 7.5, os ensaios de laboratório dos óleos usados rerrefinados utilizando a
tecnologia de ultrafiltração por membrana e adsorção, colocou os produtos finais dentro das
exigências de óleos básicos rerrefinados, conforme Tabela 3.3, página 44.
Dos dados obtidos nas análises, os óleos A
2
e B
2
são caracterizados como Neutro médio
RR e os C
2
e D
2
, como Neutro Pesado RR.
A figura 7.6 mostra a grande diferença visual entre uma amostra de óleo bruto e uma
amostra de óleo rerrefinado por ultrafiltração e adsorção.
Figura 7.6 - Aspectos comparativos das amostras entre um óleo bruto e um óleo rerrefinado
pelo processo de ultrafiltração e adsorção.
78
79
Tabela 7.5 - Caracterização física e química das amostras de óleos após a percolação
Tasa Lwart
Amostras →
Ensaios
↓
A
2
B
2
C
2
D
2
Cor 3,5 3,5 4,0 4,0
Viscosidade cinemática a 40
o
C (cSt) 62,75 74,50 78,72 80,90
Viscosidade cinemática a 100
o
C (cSt) 8,21 9.28 9,63 9,97
Índice de viscosidade 98 100 99 102
Ponto de fulgor,
o
C, mínimo 220 224 230 230
Ponto de fluidez,
o
C, máximo -6 -6 -3 -3
Índice de acidez total (mg KOH/g) 0,03 0,03 0,02 0,02
Cinzas, % peso, máximo 0,006 0,005 0,008 0,004
Resíduo de carbono Ransbottom, %
peso,máximo
0,03 0,03 0,02 0,03
Corrosividade ao cobre, 3h a 100
o
C,
máximo.
1 1 1 1
Espectrometria de absorção atômica
Fe
Cr
Pb
Cu
Al
Si
P
Zn
Ca
ppm
0,4
0
0
0.6
0
9
16
1,0
1,2
ppm
0,3
0
0
0
0
3
8
0,4
3,5
ppm
0,8
0
0.4
0
0
10
12
0
2
ppm
1,0
0
0,2
0,6
0
6
0
0,8
3,2
O rendimento conseguido nesse trabalho, considerando o módulo de filtração utilizado e
os dados a partir da destilação flash, foi de 74%. Esse valor é compatível com os dados da
literatura. (Veja Capítulo 3 página 42)
80
CAPÍTULO 8
CONCLUSÕES E SUGESTÕES
Com base nos resultados experimentais, o presente trabalho teve como principais
conclusões:
ª O processo de rerrefino de óleos lubrificantes para motores de combustão interna,
utilizando membranas de ultrafiltração/adsorção, é viável.
ª Pré-tratamento da amostra – Para se conseguir um melhor desempenho na ultrafiltração,
houve necessidade de se fazer um pré-tratamento na amostra:
Com a amostra convenientemente diluída em hexano, foi realizada uma filtração
utilizando papel de filtro Whatman 42, porém a retenção dos materiais em suspensão foi
muito pequena. Em continuação, utilizou-se uma membrana de microfiltração a base de
nitrato de celulose; a membrana foi atacada pela mistura solvente/óleo (não se dispunha de
outros tipos de membranas). Os melhores resultados foram conseguidos, através de
centrifugação, utilizando uma força centrífuga relativa de 700.
ª Aspecto ambiental - uma das vantagens do Processo de ultrafiltração/adsorção é que não
gera grande quantidade de produtos tão agressivos ao meio ambiente como, por exemplo, as
borras ácidas. Os resíduos gerados, como as tortas de ultrafiltração, são de fácil descarte
como, por exemplo, o seu uso na produção de produtos asfálticos. A argila quando inativada é
usada em olarias ou indústrias cimenteiras.
ª Ultrafiltração - a técnica de ultrafiltração apresenta um desempenho satisfatório no
rerrefino de óleos lubrificantes. Sob alguns aspectos apresenta vantagens em relação a outros
processos tais como, menor consumo de energia, investimento inicial relativamente pequeno e
é um processo que pode ser ampliado gradativamente em função das necessidades.
ª Disponibilidade de membranas comerciais – corroborando com a conclusão anterior,
demonstra-se que atualmente existem membranas comerciais adequadas para aplicação em
rerrefino de óleos. Com relação ao coeficiente de rejeição (R), por exemplo, a membrana
utilizada neste trabalho, apresentou uma boa eficiência (>95%). Porém alguns fatores ainda
limitam a sua aplicação, tais como: preço elevado e baixa resistência mecânica.
81
ª A argila ativada (Attapulgite C) - apresentou uma performance satisfatória. Contudo o
complexo cromóforo (cor escura) presente no óleo satura a argila com muita freqüência,
exigindo reativação constante da mesma.
ª Óleo rerrefinado – Pode-se observar que a partir dos dados experimentais obtidos, os
óleos rerrefinados apresentam características que atendem aos requisitos de uso para um óleo
básico rerrefinado. Nota-se que os resultados constantes da Tabela 7.5 estão perfeitamente de
acordo com as exigências para um óleo rerrefinado, conforme Tabela 3.3, página 44.
Como sugestões para trabalhos futuros, são propostos alguns estudos:
• Desenvolver módulos de filtração adequados para o rerrefino que diminuam ao máximo a
formação de fouling. A pressurização e principalmente a despressurização do módulo, deve
ser lenta para evitar danos à membrana.
• Para melhorar o desempenho da percolação com argila com relação à saturação, torna-se
necessário destruir ou modificar o complexo cromóforo. Possivelmente uma variação de pH
seja suficiente.
• A fim de aumentar a sedimentação dos produtos em suspensão durante a centrifugação, há
necessidade de pesquisas para desenvolver coagulantes para sistemas não aquosos. Com esse
procedimento, é possível que a formação de fouling diminua.
• A resina aniônica (Amberlyst A-26 OH) utilizada na neutralização não apresentou um
resultado satisfatório, uma vez que ainda ficou uma acidez residual além dos limites
esperados para um óleo rerrefinado. Portanto, torna-se necessário desenvolver ou avaliar
resinas de troca iônica que satisfaçam esta exigência.
82
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Impressoras Brasileiras. 1986. p.73-82.
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o
2, 1-12, 1993.
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lubrificação; Rio de Janeiro; Editora Técnica Ltda; 1987. p.421-24
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Biotecnológicos; Rio de Janeiro;Editora Manole, 2005. p.37-88.
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universidade.
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− SCHNEIDER, R.P. &TSUTIYA, M.T.; Membranas filtrantes para o tratamento de água,
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83
− SEMINÁRIO INFINEUM; Trends 2004. 613 kb
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-- Sindirrefino (SINDICATO NACIONAL DE RERREFINO). Centro de Informação. São
Paulo.
Disponível em http//sindrrefino.org.br. Acesso em agosto de 2003.
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