Aula da Disciplina Processos de Produção Quimcos, da Faculdade Area1 - Grupo DeVry - Tema: Reatores Industriais. Processo de Nitração (Explosivos) e Produção de Etilieno Glicol

1. Processo de Produção Química 1º. Sem./2011 Engenharias

3. Estequiometria Industrial e Cálculos de Rendimentos das Reações

4. Exercícios de aplicação

6. 4 Processos Químicos Introdução

7. 5 Processos - Classificação Modo Operacional Classificação em relação ao modo operacional: Processo Contínuo – um processo no qual a massa dealimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o processo. Processo Descontínuo (Batelada) - um processo no qual a massa não é adicionada nem removida do processo durante a sua operação Processo Semi-contínuo (ou semi-descontínuo) - um processo no qual há entrada de massa, mas o produto não é removido durante a operação ou não havendo entrada de massa e só remoção do produto. 5

8. Processos - Classificação Contínuo Modo de Operação 6

9. Processos - Classificação Descontínuo (batelada) Modo de Operação

10. Processos - Classificação Semi-contínuo Modo de Operação

11. 9 Processos - Classificação Modo Operacional Principais Características – Quadro Comparativo: 9

12. 10 Processos - Classificação Variação com o tempo Classificação em relação a variação com o tempo: Processos em regime permanente (ou estado estacionário) - operação de um processo no qual todas as condições “do sistema” (por ex.:, temperatura, pressão, quantidade de massa, vazões, etc) são mantidas constantes como tempo Processo em regime não permanente (ou estado transiente) - operação de um processo no qual uma ou mais das condições “do sistema” (por ex.:,temperatura, pressão, quantidade de massa, vazões, etc) variam com o tempo 10

13. 11 Processos - Classificação Exemplo Perguntas: Os processos contínuos podem ser transientes (não permanentes), estacionários (permanentes) ou ambos ? Os processos descontínuos (batelada) e semi-contínuos (ou semi-descontínuos) podem ser transientes (não permanentes), estacionários (permanentes) ou ambos ? 11

14. 12 Exemplo 1 Sistema: Parede interna e externa do Forno Resposta: Os processos contínuos podem ocorrer tanto em estado transiente como estacionário. Dentro do forno a temperatura é constante Já do lado externo a temperatura esta variando 12

15. 13 Exemplo 2 Sistema: Reator em operação cheio com válvulas de entrada e saída 2. Resposta: Os processos descontínuos (batelada) e semi-contínuos são transientes, já que há alterações das variáveis ao longo do tempo. Se válvulas fechadas “descontínuo” t = 0 C0 P0 T0 V0 t = 1 C1 P1 T1 V1 Se uma das válvulas abertas “semi-contínuo” 13

16. 14 ÁC. NITRICO 98% MISTURAÇÃO ÁC. SULFÚRICO 98% CELULOSE PURIFICADA ÁCIDO RESIDUAL MISTURA SULFONÍTRICA NITRAÇÃO FERVIMENTO CENTRIFUGA NITROCELULOSE Processos - Classificação Nitrocelulose mistura de 3 para 1 H2SO4 : HNO3 2 HNO3 + C6H10O5 -> C6H8(NO2)2O5 + 2 H2O

17. 15 Processos - Classificação Nitrocelulose Mercado: Ind. de Tintas e Vernizes (automotiva) Mercado cativo: Fabricação de munição e explosivos (Governo Federal)

18. 16 Processos - Classificação Glicerina

19. 17 Processos - Classificação Nitroglicerina

20. 18 Processos - Classificação Trinitrotolueno O Trinitrotolueno (TNT) é um explosivo. Possui coloração amarelo pálido e sofre fusão a 81°C. Faz parte de várias misturas explosivas, como, por exemplo, o amatol, uma mistura de TNT com nitrato de amônia. É preparado pela nitração do tolueno (C6H5CH3), tendo a fórmula química C6H2CH3(NO2)3. CH3

21. 19 Processos - Classificação Planta de Nitração Nos processos de nitração empregam-se reatores fechados com controle de temperatura eficientes, providos de agitação e coluna de refluxo. Os reatores, conhecidos como nitradores, são de materiais resistentes a ácidos (aço inox) com capacidade que pode variar de 100 a 6.000 litros, dependendo do processo. Para reatores menores, entre 100 e 400 litros, utilizam sistema por camisa externa e os de maior capacidade, acima de 500 litros, utilizam sistemas de serpentina interna para aquecimento e/ou refrigeração. São utilizados agitadores dos tipos palheta, palheta dobrada, hélice, turbina e de circulação por túnel exterior.

22. 20 Processos - Classificação Planta de Nitração

23. 21 Processos - Classificação Planta de Nitração

24. 22 Processos - Classificação Reator Nitração

25. 23 Processos - Classificação Reator Nitração

26. 24 Processos - Classificação Nitrobenzeno Nitro benzeno é obtido industrialmente pela nitração direta do benzeno utilizando ácido nítrico diluído ou mistura sulfonítrica como agente de nitração. Entre os processos que utilizam destas nitrações citam-se: AlliedChemical, American Cyanamid, DuPont, Monsanto, BASF e Bayer

27. 25 Processos - Classificação Nitrobenzeno Aproximadamente 98% do nitrobenzeno é consumido na produção de anilina. Aplicações mais especializadas incluem química da borracha, pesticidas, corantes, e fármacos. Nitrobenzeno é também usado em polidores de sapatos e pisos, roupas de couro, solventes para tintas, e outros materiais para mascarar odores desagradáveis

30. conversão

31. seletividade, etcProdutos Reator

32. Reatores Químicos Introdução O que são reatores químicos ? Reator é um tanque no qual pode ser aberto para realizar misturas ou fechado para suportar reação e pressão gerada durante o processo de fabricação de um determinado produto.

33. Reatores Químicos Introdução O que diferencia os vasos de pressão dos Reatores?

35. Reator

36. Dispositivos de agitação (radial, tangencial, longitudinal)

37. Dispositivos de aquecimento/resfriamento

40. Reatores Não Ideais são aqueles para os quais é necessário um tratamento matemático específico em função de peculiaridades de reação e/ou reator.31

42. Aço Carbono revestido (anti-corrosivos)

43. Aço inoxidável

44. Titânio

45. Polipropileno

46. Resinas reforçadas com fibras de vidroQual escolher ? “Vai depender das condições operacionais e características físico-químicas dos reagentes e produtos do processo” 32

49. Ex.: Ácido Nítrico é o único ácido inorgânico que pode ser utilizado com aço inox (min.10,5% cromo)

50. É incompatível com metais a base alumínio e cobre33

51. Reatores Químicos Classificação

52. Reatores Químicos Classificação

53. Reatores Químicos Classificação

54. Reatores Químicos Classificação

55. Reatores Químicos Classificação - Resumo

57. Reação termina quando atinge o grau de conversão

58. Operação em regime transiente

59. Composição química da carga varia durante a reação (estabiliza no final)

60. Produção de especialidades químicas (grande variedade x quantidades pequenas)

61. Reatores de Mistura ou tipo Tanque Agitado (aberto ou fechado)

64. Reagentes são introduzidos no reator de uma só vez (abertura no topo).

65. Em seguida são misturados e reagem entre si.

66. Após algum tempo, os produtos obtidos também são descarregados de uma só vez.

67. Nesse tipo de reator, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a posição dentro do reator, mas variam com o tempo.

69. Reatores Químicos Reator Batelada Tanque Agitado (fechado) Tanque Agitado (aberto) 42

71. Adição de um reagente ou inerte ou purga de produtos

72. Aplicado aos sistemas complexos

73. Carga adicionada parcialmente (a intervalos determinados) ou produto resultante é extraído durante processo (fim reação)

74. Aplicado a processos altamente exotérmicos (carregamento gradual para não perder o controle da temperatura)

76. Produtos retirados continuamente

77. Operação em regime estacionário  composição constante no mesmo ponto (fora partida e término)

78. Aplica-se a processos em grande escala, ex.: fabricação de intermediários (formol, anidridos, alcoóis petroquímicos, ácidos, amônia, acetona, metanol, etc)

79. (1) Tipo Tanque Agitado (fechado ou aberto) - CSTR

81. Reagentes são alimentados continuamente

82. Produtos são retirados simultaneamente

83. A composição da mistura reacional se mantêm constante em qualquer ponto do Reator45

84. 46 Reatores Químicos Tanque Contínuo Agitado (CSTR) Modo de Operação

87. É utilizado especialmente em reações em fase líquida.47

88. Reatores Químicos Contínuo Tanque Agitado Tanque Agitado com coluna, condensador e separador (resinas e ésteres plastificantes) 48

90. O escoamento da mistura reagente através do reator é ordenado (pode haver mistura no sentido radial) não devendo ocorrer mistura ou difusão ao longo do reator

91. Reagentes são continuamente consumidos a medida que avançam no reator ao longo do comprimento até a saída e a composição varia conforme a região do reator (se mantém constante no mesmo ponto).49

93. Consiste de um tubo vazio ou recheado, por onde passa a mistura reacional. Os reagentes são continuamente consumidos à medida que avançam no reator ao longo de seu comprimento.

95. Reatores Químicos Reator Tubular Reator Multitubular 51

97. Líquida – vários modos de operação

98. Gasosa – operação contínua

99. Ex.: (fase líquida) - esterificação, saponificação, sulfonação, nitração, hidratação e desidratação.

101. Líquido – Gás / Líquido – Sólido / Líquido – Líquido / Líquido – Gás – Sólido / Gás – Sólido

102. Obtenção de clorofórmio cloro gás + etanol liquido

103. Obtenção Anidrido ftálico por oxidação catalítica do o-xileno (leito fixo)

105. Contínuo ou não

106. Mistura reacional homogênea

108. Sem agitação

109. Configuração física de um tubo

110. Normalmente utilizado para reações e fase gasosa

111. Para controle da T (tubos em paralelo)

113. Reator Mistura

114. Reator Tubular

115. Reator Leito Fixo

116. Reator Leito Móvel (Fluidizado)O que é Leito Fixo e Fluidizado? 56

117. Reatores Químicos Leito Fixo e Fluidizado O que é Fluidização ? É um processo de trasnferência de massae/ouenergia, baseado na circulação de sólidos juntamente com um fluído (gás ou líquido) Leito fixo é um leito estático de sólidos finamente divididos através dos quais passa-se um gás ou um líquido . Leito fluidizado geralmente refere-se a um leito de sólidos finamente divididos através dos quais passa-se um gás ou um líquido e este comporta-se num estado intermediário entre um leito estático e um em que os sólidos estejam suspensos num fluxo gasoso. 57

118. Reatores Químicos Leito Fixo e Fluidizado 58

120. É um reator tubular recheado com partículas de catalisador sólido .

122. Reatores Químicos Reator Leito Fixo 60

123. 61 Reatores Químicos Reator Leito Fixo A descoberta de catalisadores sólidos, no início do sec. XX, e as suas aplicações nos processos químicos provocaram, de certo modo, uma revolução na indústria química. A maior parte dos processos catalíticos é levada a cabo em reatores de leito fixo (fixedbedreactors),

124. 62 Reatores Químicos Reator Leito Fixo Reatores catalíticos de leito fixo: reator multitubular; um tubo com catalisador

125. 63 Reatores Químicos Reator Leito Fixo Na maior parte dos processos que utilizam catalisadores sólidos são usados reatores catalíticos de leito fixo (FixedBedReactors - FBR). De fato, a aplicação industrial deste tipo de reatores é vasta, podendo ser encontrados na: indústria química de base (ex. reforma a vapor do metano, na síntese da amônia, ácido sulfúrico, metanol); indústria petroquímica (ex. na produção de óxido de etileno, vinilacetato, butadieno, anidrido maléico, anidrido ftálico, estireno, etc.); refinação de petróleo (ex. em processos de isomerização, polimerização e hydrocracking). Atualmente, os reatores de leito fixo são utilizados principalmente em unidades de grande capacidade, sobretudo em reatores do tipo multitubular (a). Os tubos são preenchidos com catalisador (b), que permanece fixo nos tubos, passando a mistura reacional através dos interstícios interparticulas, mas ocorrendo a reação química sobretudo no interior das partículas.

126. Processo Produção Etileno Glicol Etileno glicol (monoetileno glicol MEG,) é um álcool com dois grupos-OH um diol. Um composto químico largamente utilizado como um anticongelante automotivo . Etileno glicol é produzido a partir do etileno, através do intermediário de óxido de etileno. Óxido de etileno reage com a água para produzir etileno glicol.

127. 65 Processo Produção Etileno Glicol

128. ÓXIDO DE ETILENO ETILENO Processo Produção Etileno Glicol C2H6 C2H4 + H2 H2 SEPARADOR C2H4 C2H4 + H2O  C2H4O O2, C2H4, N2, C2H4O C2H6 SEPARADOR C2H4O H2O H2O 0,9% p/p de H2SO4 ABSORVEDOR C2H4 (aq) C2H4O + H2O  C2H4O2H2 66

129. 67 Aplicações Etileno Glicol Poliéster : Fibras, fios, filmes e resinas de poliéster Resinas: produzidas a partir do ácido oléico e monoetilenoglicol, são bastante utilizadas na indústria de tintas e vernizes Agentes de síntese: empregados como intermediários de síntese como emulsionantes. Agentes umectantes e plastificantes: utilizados na indústria de celofane, colas e adesivos, têxteis, tintas de impressão, couro, cosméticos, papel e produtos farmacêuticos. Aditivos para arrefecimento: utilizado em circuitos de refrigeração industrial e de arrefecimento de motores de combustão interna com a finalidade de elevar o ponto de ebulição e reduzir o ponto de congelamento da solução utilizada Fluidos de freio: utilizados como solventes secundários em formulações de líquido para freios. Apresentam ainda a propriedade de evitar o entumescimento excessivo das borrachas do sistema hidráulico.

132. Utilizado em um grande número de aplicações, pelo fato de poder manipular grandes quantidades de alimentação e de sólidos, além de possuir bom controle de temperatura.68

133. Reatores Químicos Reator Leito Fluidizado Reator de Leito Fluidizado (Slurry Reactor) 69

134. Reatores Químicos Reator Leito Fluidizado Reator de Leito Fluidizado (Slurry Reactor) 70

135. Reatores Químicos Configurações Multi estágios 71

136. Reatores Químicos Problemas Operacionais 72

137. Reatores Químicos Processo de Limpeza Cleaning In Place (CIP) Programação do Processo de Limpeza: Processo Tradicional de Limpeza para áreas de processo usando químicos comuns - Limpeza em Duas Etapas Passo 1. Pré-enxágue com água Passo 2. 1% - 4%p/v Soda Caústicaa >75 ºC por ‘x’ min Passo 3. Enxágue com água Passo 4. 1% - 2% p/v Acido Nítrico a >50 ºC por ‘y’ min Passo 5. Enxágue Final com água

138. Reatores Químicos Processo de Limpeza 74

139. 75 Reatores Químicos Resumo Reatores Químicos com um design clássico: (a) ContinuousStirredTankReactor (CSTR); (b) - Reator Descontínuo; (c) Reator Semi-Descontínuo; (d) - Bateria de CSTR; (e) - Reator Tubular; (f) - Reator Tubular de Leito Fixo

140. 76 Reatores Químicos Resumo Reatores Químicos com um design inovador: (a) Reverse FlowReactors; (b) Reator de Membranas; (c) Reatores com Catalisador Estruturado; (d) Trickle-BedReactors (L-fase líquida; G- fase gasosa; S- fase sólida).

142. Destilação

143. Extração