Petróleo & Energia

13 de abril de 2017

Artigo Técnico: Processo assistido por micro-ondas para desidratação de etanol a etileno

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Publicado por: Quimica e Derivados
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    Na evolução do Simplex, a partir de seus pontos iniciais (1 a 4), registrou-se a evolução descrita a seguir. O ponto 5 foi gerado, no segundo passo do Simplex, em substituição ao ponto 3 que apresentou o pior resultado dos quatro iniciais. O ponto 6, nesse mesmo conceito, substituiu o ponto 1. Dessa mesma forma, o ponto 7 substituiu o ponto 4. Analogamente, o ponto 8 substiuiu o ponto 2. O ponto 8 apresentou uma regressão em seu resultado, ficando com um rendimento em eteno inferior ao de seu predecessor. Assim, identificou-se que o ponto 7 foi o ponto  ótimo.

    Em suma, a otimização pelo método Simplex forneceu as seguintes coordenadas operacionais: potência efetiva de micro-ondas 121 W, teor alcoólico da alimentação 87,96% e vazão de nitrogênio de 172 mL∙min-1. A triplicata no ponto ótimo forneceu os seguintes rendimentos em eteno: 60,87%, 60,79% e 60,81%. O rendimento máximo obtido foi de 60,8%, na média.

    Considerando que se trata de um protótipo exploratório com capacidade de processamento de apenas 0,368 g.min-1 de etanol, o seu rendimento de desidratação pode ser considerado satisfatório em comparação aos dos publicados, de 40% a 99%.[8, 9] Se comparado com o processo petroquímico, o rendimento é da mesma ordem de grandeza que de uma unidade de craqueamento (58% por passagem no reator).[41]

    Balanço de massa comprobatório

    O balanço de massa do processo desenvolvido, na região de operação otimizada pelo Simplex, é apresentado na Figura 9. O rendimento médio em eteno, assim obtido, foi de 60,8 %, confirmando o previsto pelo método Simplex.

    Figura 10: Balanço de massa no protótipo desenvolvido.

    Química e Derivados, Artigo Técnico: Processo assistido por micro-ondas para desidratação de etanol a etileno
    Note-se que neste processo não houve queima de combustível fóssil e, consequentemente, não houve geração de gases do efeito estufa.

    Conclusão

    O desenvolvimento do reator de fluxo contínuo em fase vapor com leito catalítico sensível à irradiação por micro-ondas de 2,45 GHz foi bem-sucedido, pois se comprovou que esse conceito de reator consegue produzir eteno, apesar do estágio incipiente dessa nova tecnologia, com rendimento de 60,8 %, ou seja, dentro da faixa de rendimentos publicados de processos convencionais para essa reação de desidratação.

    Para aplicar micro-ondas ao processo de fabricação de etileno, foi necessário o desenvolvimento de dois aspectos importantes: a) o aplicador de micro-ondas acima descrito, que permite um controle efetivo sobre o perfil da aplicação de micro-ondas à carga em processamento; b) o conceito do leito catalítico de zeólita ZSM-5 dopada com manganês e zinco, e capaz de gerar seu próprio aquecimento por meio de susceptor a micro-ondas incluso em sua formulação.

    Uma importante característica do processo desenvolvido é atingir a temperatura de reação de desidratação de 500oC, aquecendo seletivamente apenas o leito catalítico e não a carcaça do reator, que atingiu no máximo 60oC. Isso é atribuído ao fato de as micro-ondas serem absorvidas pelo susceptor incluso na formulação do catalisador e pelo fato de o material da cavidade refletir as micro-ondas e não absorvê-las. Como consequência, o consumo de energia fica restrito à área de reação, promovendo a economia da energia que esquentaria a carcaça metálica do reator convencional. Essa redução de consumo de energia é importante para a redução do custo de produção do eteno.

    Do ponto de vista de sustentabilidade, toda a energia para a reação, nesse conceito de processo, foi fornecida sob a forma de energia eletromagnética; consequentemente, não foram consumidos combustíveis fósseis para aquecer o reator de desidratação como nos processos convencionais. A vantagem auferida, dessa forma, é a eliminação de gases de efeito estufa, especificamente o dióxido de carbono gerado pela queima de combustíveis.

    O maior desperdício de energia, no caso do reator construído para este trabalho, reside no vaporizador de solução aquosa de etanol que carece de melhor conformação física e otimização operacional. A pequena capacidade de processamento e a necessidade de otimização, tanto da composição do leito catalítico quanto das dimensões relativas entre leito catalítico e cavidade de irradiação, não impediram que a desidratação de etanol gerasse eteno com boa eficiência.

    Em suma, considerando que a escala de operação do protótipo é muito pequena e o equipamento (leito catalítico, cavidade, vaporizador de solução aquosa de etanol) necessita de uma otimização de suas dimensões físicas e uma ampliação de escala; considerando que o processo desenvolvido opera sem gerar gases de efeito-estufa; considerando que o aquecimento seletivo das micro-ondas sobre o leito catalítico gera economia de energia; considerando que, apesar de todas as restrições operacionais de escala, o rendimento foi superior ao dos processos convencionais, podemos admitir que o processo inovado de geração de eteno verde (alcoolquímico) por desidratação de etanol em processo contínuo em fase vapor assistido por micro-ondas de 2,45 GHz sobre catalisador sensível a micro-ondas apresenta uma viabilidade promissora.


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