Poluição atmosférica: atmosfera

A indústria química tem um efeito colateral: produz rejeitos. Por rejeito entende-se qualquer material que não pode ser aproveitado. Ele pode ser sólido, líquido ou gasoso. Os rejeitos gasosos são invariavelmente eliminados na atmosfera, mas, se for solúvel o destino pode ser os cursos d’água e o mar. Os rejeitos líquidos são descartados também nos cursos d’água, mas, se forem combustíveis, podem ser queimados para eliminação na atmosfera. Os rejeitos sólidos vão para o solo, mas, se o rejeito for solúvel pode ir para a água, se queimar pode ir para a atmosfera.

Não há como eliminar um rejeito verdadeiro, que não tem absolutamente uma utilidade conhecida. A lei da conservação da matéria de Lavoisier não deixa. Então, o que se faz é o gerenciamento do resíduo. Gerenciar é decidir onde ele será descartado: no solo, na água ou no ar. O ar é o nosso primeiro objetivo, por isso, a atmosfera entrou na nossa alça mira.

A atmosfera é o manto gasoso que envolve o planeta. Ela vai da superfície até cerca de 1000 km, quando se confunde com o espaço interplanetário. Este manto se mantém pela ação da gravidade.

Considerando a pressão, esta declina exponencialmente com a altitude indo da pressão ao nível do mar, 1 atm, para zero. Tomando a pressão ao nível do mar como referencia, a pressão cai a 1/10 deste valor a 16 km, a 1/100 a 30 km, a 1/1.000 a  a 50 km, a 1/10.000 a 70 km, e a 1/100.000 a 90 km. Não existe uma fórmula exata, mas é possível chegar a uma fórmula aproximada desprezando a variação da temperatura

Na expressão acima m é a massa de uma molécula, g é a aceleração da gravidade, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura.

Considerando a temperatura o negócio se complica um pouco. É a variação da temperatura que define as camadas da atmosfera. São elas:

· Troposfera – Nesta camada a temperatura declina, indo da temperatura superficial a menos 58°C. A espessura desta camada vai de 12 km nos polos a 20 km no equador. Cerca de 80% da massa atmosférica está nesta camada. Entre a troposfera e a camada seguinte existe um pequeno trecho de 10 km onde a temperatura é constante chamada tropopausa.

· Estratosfera – Na estratosfera a temperatura sobe de menos 58°C para menos 8 graus a 50 km. Esta elevação de temperatura é causada pela camada de ozônio cujas reações liberam calor. Entre a estratosfera e a camada seguinte ocorre um pequeno trecho de 5 km onde a temperatura é constante chamado estratopausa.

· Mesosfera – É a camada seguinte onde a temperatura volta a cair atingindo menos 90°C a 80 km. Este é o ponto mais frio da atmosfera. Em seguida vem um trecho de 10 km onde a temperatura é constante conhecido como mesopausa.

· Termosfera - A termosfera vai até cerca de 700 km. Nesta camada a temperatura vai de menos 90°C até cerca de 2000°C. Novamente surge um trecho onde a temperatura é constante chamado de termopausa.

· Exosfera - A partir dai aparece a exosfera que vai até não ser possível distinguir do espaço interplanetário.

Considerando a composição a atmosfera contém duas camadas: homosfera e heterosfera. Na homosfera a composição não varia. Os gases ais pesados, nitrogênio, oxigênio e argônio predominam Esta camada vai até cerca de 100 km abrangendo a troposfera, a estratosfera e parte da mesosfera. A composição do ar em ppm nesta camada é:

Nitrogênio: 780.800 ppm

Oxigênio: 209.500 ppm

Argônio: 9.300 ppm

Neônio: 18 ppm

Hélio: 5.2 ppm

Metano: 1.0 ppm

Criptônio: 1.0 ppm

Os outros gases estão abaixo de 1 ppm. O dióxido de carbono no ar é 5.2 ppm. A quantidade de água é variável.

A partir dai começa a heterosfera cuja composição varia com a altitude. Nesta camada os componentes leves, hidrogênio e hélio, passam gradualmente a predominar.

A camada de ozônio se localiza na parte inferior da estratosfera indo de 10 a 30 km. A concentração de ozônio, nesta camada, varia entre 2 e 8 partes por milhão e 90% do ozônio existente na atmosfera está nela camada. Esta camada é importante para a vida no planeta por motivos que serão apresentados mais adiante.

A ionosfera é a camada entre 50 e 1000 km onde os componentes da atmosfera estão ionizados pela radiação solar. Ela é composta por íons e elétrons livres.

Mais tarde será visto a física e a química da atmosfera. Esclarecida a estrutura da atmosfera o destino da poluição atmosférica de origem industrial poderá ser discutido.

Burton, o inventor do craqueamento térmico do petróleo

Nasceu, hoje, em Cleveland, Ohio, em 1865, o químico Americano William Merriam Burton. Ele patenteou, em sete de janeiro de 1913, o processo de craqueamento térmico do petróleo que dobrava a gasolina produzida para atender a demanda da crescente indústria automobilística. Este processo foi usado até o advento do craqueamento catalítico em 1937. Nos 15 anos eu foi usado o processo Burton economizou cerca de 1 bilhão de barris de petróleo. O craqueamento térmico ainda é usado nas frações leves para atender a demanda de olefinas.

Burton obteve o bacharelado em química pela Western Reserve University em 1886. Obteve o título de Ph.D. pela John Hopkins University em 1889. Inicialmente trabalhou na refinaria da Standard Oil em Indiana. Progrediu sucessivamente para superintendente da refinaria, depois para diretor e vice-presidente, assumindo a presidência da empresa de 1918 até 1927 quando se aposentou. Burton morreu em Miami na Flórida em 21 de dezembro de 1954.

REF 11 - Craqueamento catalítico do petróleo

Voltando a coluna atmosférica. Ela fraciona o petróleo produzindo nafta leve, nafta pesada, destilado leve, destilado pesado, gasóleo atmosférico. Para a produção de gasolina e diesel as frações que interessam são as naftas e os destilados. Numa coluna que processe petróleo leve, isto é, com densidade API acima de 30, cerca de 50% do petróleo vai para o cru reduzido. Os outros 50% se dividem entre as naftas e os destilados e o gasóleo fica imprensado entre o destilado pesado e o cru reduzido.

Para aumentar as quantidades de combustíveis brancos (gasolina e diesel) e GLP, cuja demandas são maiores do que a de óleo combustíveis, o jeito é selecionar uma fração pesada e quebrar as moléculas reduzindo o seu tamanho. Esta operação é chamada de craqueamento. Na refinaria existe muitas operações que envolve quebra moleculares: craqueamento térmico, craqueamento catalítico, hidrocraqueamento, coqueamento retardado e visbreaking (redução da viscosidade por quebra molecular). A técnica básica consiste em levar a temperatura para um valor suficientemente alto de forma a favorecer a quebra molecular. É importante lembrar que o craqueamento nem sempre é realizado com o objetivo de elevar a produção de gasolina e diesel. O craqueamento que interessa no momento é o craqueamento catalítico. Ele é normalmente realizado nos gasóleos atmosférico e de vácuo. Originalmente o catalisador era baseado na alumina, mas hoje o catalisador é baseado em zeólita. O craqueamento é conduzido em temperaturas entre 660 e 760 graus Celsius.

Inicialmente será feita uma descrição bem sucinta do processo baseado no par craqueador-regenerador.

Na figura acima está representado esquematicamente um sistema craqueador-regenerador. No equipamento a esquerda ocorre a reação de quebra molecular catalisada. Esta reação ocorre com produção de coque que entope rapidamente o catalisador inutilizando-o. As partículas catalíticas são mantidas em regime de leito fluidizado. O gasóleo a ser craqueado é alimentado pela base e o gasóleo craqueado sai pelo topo.

Para evitar o coqueamento excessivo do catalisador as partículas do mesmo descem em direção a alimentação do regenerador onde encontram o fluxo de ar alimentado no regenerador. No interior do regenerador o coque é queimado e o catalisador é recuperado para retornar ao craqueador. As partículas descem e encontram o gasóleo ascendente.

Neste ponto, é interessante abrir parênteses para algumas explicações adicionais. O craqueamento molecular é uma reação endotérmica que necessita de temperaturas elevadas. Para isso, seria necessário fornecer calor ao craqueador. A reação de regeneração é uma reação fortemente energética. Então é interessante que o calor produzido no regenerador seja usado no craqueamento. O agente transportador são as partículas catalíticas. Elas são aquecidas no regenerador e esfriadas no craqueador. O par de equipamentos deve deve ser balanceado de tal forma que o calor “produzido” no regenerador seja igual ao calor “consumido” no craqueador.

O coque que era um estorvo passou a ser um componente importante do processo. Se fosse possível desenvolver um catalisador sem coqueamento, pelo visto isso é possível, o problema seria achar uma outra fonte de energia. Se existisse um premio Nobel para processos químicos com certeza este seria um dos ganhadores deste prêmio. Como é característica deste blog , mais adiante, em conta-gotas, mais informações sobre o craqueamento virão.

A macieira de Newton

Acho que nada precisa ser dito. Esta macieira é responsável por um dos maiores eventos da ciência. Apenas apreciem e meditem.

Monádica, diádica, triádicas, tetrádica,...

Normalmente, as grandezas físicas são classificadas em: escalares e vetoriais. As grandezas escalares são aquelas que podem ser completamente especificadas pelo seu valor num sistema de unidades. Este é o caso, por exemplo, da temperatura e da densidade. Já as grandezas vetoriais precisam, além do seu valor num sistema de unidades, da direção e sentido de atuação. Este é o caso da força e da velocidade.

Existem grandezas físicas que extrapolam esta classificação necessitando que mais direções e sentidos sejam especificados. Se a grandeza envolve duas direções e sentidos ela é uma diádica. Um exemplo é o gradiente de velocidade de um fluido que envolve duas direções e sentidos: a direção e o sentido da velocidade e a direção e o sentido do gradiente da velocidade. A diádica seria uma grandeza bi vetorial, a triádica, tri vetorial, a tetrádica, tetra vetorial e assim por diante. O vetor seria, então, uma monádica. E o escalar? Sei lá, mas zerádica seria um bom nome.

Tentando outra via de ataque, considere os produtos de vetores. Eles são dois: o produto interno ou escalar e o produto externo ou vetorial. O primeiro está intimamente associado com o trabalho realizado por uma força e o segundo com o momento de uma força. Estes produtos são bem conhecidos e não vale a pena perder tempo com eles.

O nosso objetivo é o produto direto de dois vetores. Então, dados dois vetores,

O produto direto destes vetores leva à

que é uma diádica. Nesta diádica ii, ij, ik, ji, jj, jk, ki, kj e kk são as díadas unitárias. Não houve erro de digitação, é díada mesmo. As 9 componentes de uma diádica formam uma matriz quadrada

As triádicas possuem 27 componentes associadas a cada uma das tríadas unitárias. Estas componentes formam uma matriz cúbica, isto é tridimensional.

Cabe ao leitor agora fazer a generalização para as triádicas e tetrádica. Estas grandezas físicas aparecem nas equações de transferência de quantidade de movimento durante o manuseio algébrico.