TERMODINÂMICA III: ESTUDO DE CASO DA PRODUÇÃO DE SOLVENTE PARA TINTAS

 Agora que já sabemos porque a termodinâmica é tão importante para o design de processos industriais e o os parâmetros que devem ser levados em consideração no desenvolvimento de modelos termodinâmicos modernos, veremos, sem entrar em detalhes de modelos termodinâmicos, mas de forma bastante prática, um exemplo de como a termodinâmica auxilia no estabelecimento das diferentes etapas de um processo industrial. Para isso, faremos um estudo de caso de um solvente usado em tintas.

Neste texto, daremos o exemplo de como a termodinâmica de produtos e reagentes envolvidos em uma reação determina como o processo deve ser conduzido e como os reagentes e produtos devem ser separados. Para isso, utilizaremos o estudo de caso do IPAC, abreviação de acetato de isopropila (do inglês isopropyl acetate). Ele é um solvente com muitas aplicações industriais, sendo muito utilizado na produção de tintas e também como solvente para celulose, plásticos, óleos e gorduras.

 Embora sua reação de obtenção seja relativamente simples, já que consiste na esterificação de ácido acétido e isopropanol, gerando o subproduto água (Figura 4), a termodinâmica de produtos e reagentes torna o processo um pouco mais complexo.

Figura 4. Reação de obtenção do IPAC

Primeiramente, quando observamos a reação, vemos que se trata de uma reação reversível, ou seja, em dado momento, atinge-se o equilíbrio químico. Como já sabemos, existem diversas formas de deslocar o equilíbrio de uma reação, sendo uma delas a remoção dos produtos formados.

Um Engenheiro Químico sempre deve pensar em larga escala, isto é, qual seria uma boa forma de separar o(s) produtos(s) formados continuamente enquanto a reação ocorre? Nesse caso, uma boa alternativa é pensar no processo de separação, isto é, pensar que os produtos e subprodutos deverão ser separados dos reagentes remanescentes. Uma das formas mais conhecidas e utilizadas de separação de produtos industriais é a destilação que, como já sabemos, industrialmente ocorre em grandes colunas com grande número de pratos ou ainda com recheio.

Nesse caso, porque não pensar em uma destilação reativa, isto é, falando de forma simples, um processo de destilação que ocorre ao mesmo tempo em que os produtos são separados? Esse é o princípio usado na produção do IPAC.

Destilação reativa é um processo em que a reação e a separação ocorrem simultaneamente porque a coluna de destilação reativa combina ambos. A separação não requer uma outra etapa de destilação, economizando energia e materiais. No entanto, um sistema em que a reação e a separação ocorrem de forma simultânea gera interações complexas de líquido e vapor, transferência de massa, difusão e cinética química, sendo um grande desafio para o design de tais equipamentos e processos como um todo.

Esse processo é amplamente utilizado justamente para reações limitadas pelo equilíbrio, tais como reações de esterificações, justamente a reação de que estamos falando para produzir o IPAC. A reação pode ir além do equilíbrio pela contínua remoção de produtos na zona de reação.

Figura 5. Esquema de uma coluna de destilação reativa

Durante a destilação, devemos pensar em quais compostos serão obtidos no topo da coluna e quais serão obtidos no fundo e como será possível separar posteriormente as misturas que ainda estiverem presentes, tanto no topo, quanto no fundo, lembrando que o objetivo é obter IPAC em sua forma pura para que seja possível aplicá-lo em solventes.

Um pequeno parêntese, que vale a pena mencionar é que, embora muitas vezes o objetivo seja ter um produto em sua forma pura, é sempre importante avaliar, durante um processo industrial, se vale a pena adicionar mais algumas etapas, se for necessário, para purificar outros componentes, o que permitirá vendê-los para outra indústria especializada, por exemplo. Isso porque embora a adição de mais etapas torne o processo mais custoso, às vezes o valor agregado do produto purificado compensa esse custo a mais. Pode ser o caso, ainda, que o produto não purificado não tenha nenhuma aplicação comercial e a mistura obtida tenha que ser tratada como efluente, o que também significa uma etapa a mais para o processo sem retorno em termos financeiros.

 Voltando ao nosso processo, já sabemos que a destilação é um processo que se baseia na diferença de volatilidade dos componentes envolvidos na mistura. Indo mais a fundo, precisamos pensar nos fatores que influenciam essa volatilidade para entender quais serão os produtos e topo e de fundo de nossa destilação.

O primeiro fator que influencia a volatilidade é o volume ou tamanho molecular, que está relacionado, dentre outros fatores, à massa molecular de cada composto. De forma geral, quanto menor a massa molecular de um composto, maior sua volatilidade. Nesse caso, para os compostos presentes em nosso sistema para produção do IPAC, levando-se em consideração apenas esse fator, seria esperado que a água fosse o composto mais volátil, conforme pode-se observar na Figura 6.

Figura 6. Exemplo de como a massa molecular afeta a volatilidade dos compostos presentes na reação do IPAC

Mas existe um segundo fator que influencia a volatilidade, que é a polaridade. Na Figura 5, é possível observar esquematicamente a densidade de elétrons na superfície de cada molécula. Quanto mais verde, mais apolar é o composto. A água é um composto bastante polar.

Figura 7. Exemplo de como a polaridade afeta a volatilidade dos compostos presentes na reação do IPAC

Levando-se em consideração ambos os fatores que afetam a polaridade, tem-se a seguinte escala mostrada na Figura 8.

Figura 8. Compostos envolvidos na reação do IPAC em ordem de volatilidade

Nesse caso, vemos que o ácido acético, menos volátil, separa-se facilmente de outros produtos e é obtido como produto de fundo na coluna de destilação, enquanto os outros produtos formam o destilado, conforme na Figura 9.

Figura 9. Separação dos produtos após a destilação reativa

Um dos grandes desafios desse processo é justamente o fato de o destilado ser uma mistura ternária, formada por água, éster e álcool. Isso acontece não só no caso do IPAC mas de outros solventes obtidos da mesma forma, através da reação de um álcool e um ácido.

Mas quando utilizada para reações de esterificação, a destilação reativa está, normalmente, associada à formação de um azeótropo do éster, álcool e água, que é uma mistura heterogênea. Assim sendo, tipicamente nesse tipo de reação obtém-se, no destilado, um azeótropo heterogêneo ou uma mistura cuja composição seja próxima à do azeótropo. A fase aquosa que se forma após a condensação do vapor é, muitas vezes, praticamente água pura.  Qualquer uma das fases pode ser retirada como produto e a outra pode ser reciclada como refluxo.

Tipicamente, um sistema de destilação reativo como o descrito nesse texto consiste em uma coluna de destilação reativa associada a um outro sistema, usualmente de stripping, para separar produtos finais do destilado.

Esse é exatamente o processo realizado no caso do IPAC. No topo, obtém-se uma mistura heterogênea com duas fases líquidas, sendo uma delas aquosa e a outra orgânica. A fase aquosa é recuperada como refluxo enquanto a fase orgânica, contendo IPAC e isopropanol é levada para uma coluna de stripping onde o isopropanol será separado do produto desejado, o IPAC.

Figura 10. Sistema de síntese do IPAC contendo a coluna de destilação reativa associada a uma coluna de stripping para purificação do produto final.

Ainda existem alguns problemas associados e outras alternativas estão sendo buscadas. No caso de outros solventes, obtidos a partir da reação de outros álcoois, essa separação é mais eficiente, pois no caso desse sistema não é possível obter, no destilado, uma composição tão próxima do azeótropo, de forma que a fase aquosa não é tão pura como no caso de outros sistemas.  Mesmo assim, esse é um dos processos utilizados industrialmente e a melhor alternativa até então em escala comercial.

De forma geral, o objetivo desse texto era mostrar como a termodinâmica e as interações dos produtos e reagentes de uma reação pode tornar uma reação relativamente simples em algo complexo e como entender essas interações auxilia na construção de um processo mais eficiente.

Como já vimos, um dos maiores desafios da Termodinâmica é justamente o desenvolvimento de modelos termodinâmicos, capazes de prever matematicamente a interação de moléculas e seu comportamento dentro de um sistema. Os modelos mais recentes conseguem levar em consideração tanto o tamanho molecular quanto a polaridade das moléculas baseados nas características das moléculas. Ainda assim, existem sempre novos desafios e um longo caminho a ser percorrido para que se obtenha a acurácia necessária para a previsão de sistemas tão complexos. Em suma, a Termodinâmica é uma área em contínuo desenvolvimento.

O presente texto pertence ao autor e não deve ser reproduzido sem autorização da BetaEQ e do mesmo.

Autoria de: Clarissa Alves Biscainho

Engenheira Química de Empresa Multinacional – Alemanha

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

IFP School TERG Project – Thermodynamics 2017.

Qi, W. e Malone, M. F. Semibatch Reactive Distillation for Isopropyl Acetate Synthesis. Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 1272–1277.

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