Modelagem da Viscosidade de Misturas Substitutas para a Gasolina

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Físico-Química

Autores

Brandão, A.P. (UFF) ; Martins, R.J. (UFF) ; Lamego, L.S.R. (UFF)

Resumo

A gasolina automotiva é composta por um grande número de espécies químicas. O que torna conveniente o estudo de fluidos substitutos capazes de refletir suas características físicas, termodinâmicas e de transporte. Neste trabalho buscou-se formular um fluido substituto para gasolina que reproduzisse sua viscosidade. Para o cálculo da viscosidade, utilizou-se o modelo de Martins e colaboradores. Uma mistura TRF contendo 53% mol de heptano, 10% mol de isooctano e 37% mol de tolueno foi proposta para gasolina do tipo A. No caso da gasolina comercial tipo C, propôs-se uma mistura TRF + etanol de 15,2% mol de heptano, 38,8% mol de isooctano, 4,6% mol de tolueno e 41,4% mol de etanol. Ambas as misturas são capazes de emular a viscosidade e a densidade de seus combustíveis de referência.

Palavras chaves

gasolina; viscosidade; combustível substituto

Introdução

Composta por centenas de hidrocarbonetos, a gasolina, outros derivados de petróleo e suas frações são fluidos extremamente complexos tornando impraticável a inclusão de todas as suas espécies químicas em modelos descritivos de suas propriedades. Por isso, na maioria dos casos utilizam-se fluidos substitutos capazes de descrever o comportamento dos fluidos reais no intuito de diminuir a complexidade do problema. Pitz e colaboradores (2007) estabeleceram quais compostos deveriam estar presentes numa mistura representativa de gasolina, classificando-os de acordo com sua influência nas propriedades da gasolina. Misturas de heptano e isooctano são referências primárias para octanagem e a inclusão de tolueno confere maior representatividade do combustível, já que é o hidrocarboneto aromático de maior concentração. No Brasil, desde a década de 1930, etanol é adicionado à gasolina comercial em proporções definidas pela legislação. Atualmente, o volume de etanol corresponde a um quarto do volume de gasolina comercial, o que torna a gasolina brasileira uma gasolina altamente oxigenada e com características únicas (LANZER, VON MEIEN e YAMAMOTO, 2005). A viscosidade governa as equações hidrodinâmicas relacionadas ao escoamento, à transferência de calor e de massa, portanto o conhecimento desta característica é fundamental no estabelecimento de uma mistura representativa (PITZ, et al., 2007). O objetivo deste trabalho é identificar misturas passiveis de serem utilizadas como fluidos substitutos para a gasolina comercial brasileira, no que diz respeito ao seu comportamento viscoso.

Material e métodos

A densidade e a viscosidade de duas amostras de gasolina brasileira, uma do tipo A e a outra, comercial do tipo C, foram medidas à (283,15; 288,15; 293,15; e 298,15) K com um viscosímetro automático Stabinger SVM 300/G2 fabricado pela Anton Paar. Para cada temperatura e amostra investigada foram realizadas 10 repetições. A amostra de gasolina comum tipo C teve seu teor de etanol determinado por extração líquido-líquido adicionando-se 50 mL de água destilada à 50 mL de gasolina. Para definição da composição de uma mistura de n espécies químicas, é necessário um conjunto de (n – 1) equações, considerando a perda de um grau de liberdade devido a unicidade da soma das frações molares de cada componente (PERA e KNOP, 2012). Outras restrições utilizadas foram: a igualdade de viscosidade, de densidade e, no caso da gasolina tipo C, a igualdade de concentração de etanol. Para a modelagem da viscosidade da mistura substituta foi utilizado o modelo desenvolvido por Martins e colaboradores (2000). Baseado na teoria de Eyring combinada à equação UNIQUAC, o modelo apresenta dois parâmetros de interação binária que são obtidos por correlação de dados experimentais de viscosidade de sistemas binários. Esses parâmetros foram apresentados em trabalho anterior (BRANDÃO, MARTINS e LAMEGO, 2013) para os sistemas binários constituídos por: heptano, isooctano, tolueno, p-xileno e metilciclohexano. Foram adicionados posteriormente etanol e ciclohexano, totalizando 20 sistemas binários investigados. O Método de Hankinson-Brobst-Thomson (HBT) (REID, PRAUSNISTZ e POLING, 1987) foi escolhido para o cálculo da massa específica da mistura. A técnica HBT foi testada para 7 misturas publicadas na literatura, totalizando 375 dados experimentais, e apresentou desvio relativo médio global de 3,1%.

Resultado e discussão

Foram determinadas experimentalmente a viscosidade e a densidade à 10, 15, 20 e 25°C da amostra de gasolina comercial tipo C contendo 22% vol. de etanol e da amostra de gasolina tipo A. Os dados obtidos mostraram-se consistentes pela análise dos ajustes nas equações de Andrade-Guzmán e de Tait, apresentando desvios padrões fundamentais menores ou iguais a 0,3. Os dois parâmetros de interação binária, característicos do modelo de viscosidade de Martins et al. (2000), foram obtidos por correlação de dados experimentais de viscosidade para cada uma das 20 misturas binárias investigadas. Obteve-se um desvio relativo global de 0,8%, para um total de 455 dados experimentais. Para a gasolina do tipo A, não oxigenada, uma mistura TRF (53% mol heptano, 10% mol isooctano e 37% mol de tolueno) descreve a viscosidade cinemática da amostra de gasolina estudada com desvio relativo médio de 1,6%, além de reproduzir sua densidade com desvio médio de 0,5%. Não foi possível a determinação de uma mistura TRF para a gasolina comercial tipo C que reproduzisse sua viscosidade. Porém, a aplicação da última restrição, que ajusta a concentração de etanol na mistura substituta à concentração de etanol da gasolina C estudada permitiu que a mistura TRF + etanol resultante (15,2% mol heptano, 38,8 % mol isooctano, 4,6% mol tolueno e 41,4% mol etanol) reproduzisse o comportamento viscoso do combustível com desvio relativo médio igual a 0,4%. Ademais, a mistura proposta emula a densidade da amostra de gasolina C estudada com desvios relativos menores que 0,35%. As Figuras 1 e 2 ilustram os resultados obtidos.

Viscosidades experimentais das gasolinas e estimadas para as misturas propostas


Densidades experimentais das gasolinas e valores estimadas para as misturas propostas.

Conclusões

Com base nos valores experimentais de densidade e viscosidade das amostras de gasolina investigadas, conclui-se que uma mistura TRF (53% mol de heptano, 10% mol de isooctano e 37% mol de tolueno) pode ser utilizada como fluido substituto da gasolina A.Substitutos para gasolinas altamente oxigenadas como a gasolina comum brasileira requerem a presença de etanol na mesma proporção do combustível modelo. A mistura TRF + etanol (15,2% mol de heptano, 38,8% mol de isooctano, 4,6% mol de tolueno e 41,4% mol de etanol)serve como modelo para a gasolina tipo C investigada.

Agradecimentos

Os autores agradecem à CAPES e à FAPERJ pelo apoio financeiro.

Referências

BRANDÃO, A. P.; MARTINS, R. J.; LAMEGO, L. S. R. Estudo da viscosidade de subsistemas binários presentes na gasolina. 53º Congresso Brasileiro de Química. Rio de Janeiro: [s.n.]. 2013. p. Paper 2751-4545.
LANZER, T.; VON MEIEN, O. F.; YAMAMOTO, C. I. A predictive thermodynamic model for Brazilian gasoline. Fuel, 84, 2005. p. 1099-1104.
MARTINS, R. J.; CARDOSO, M. J. E. M.; BARCIA, O. E. Excess Gibbs Free Energy Model for Calculating the Viscosity of Binary Liquid Mixtures. Ind. Eng. Chem. Res., 39, 2000. p. 849-854.
PERA, C.; KNOP, V. Methodology to define gasoline surrogates dedicated to auto-ignition in engines. Fuel, 96, 2012. p. 59-69.
PITZ, W. J.; CERNANSKY, N. P.; DRYER, F. L.; EGOLFOPOULOS, F. N.; FARRELL, J. T.; FRIEND, D. G.; PITSCH, H. Development of an Experimental Database and Chemical Kinetic Models for Surrogate Gasoline Fuels. SAE Paper, 2007-01-0175, 2007.
REID, R. C.; PRAUSNITZ, J. M.; POLING, B. E. The Properties of Gases and Liquids. 4ª. ed. New York: McGraw-Hill, 1987.