DESIDRATAÇAO DE ETANOL POR PENEIRA MOLECULAR

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TRABALHO DE METODOLOGIA CIENTÍFICA

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

2012

DESIDRATAÇÃO DE ÁLCOOL POR PENEIRA MOLECULAR

SILVA, A.P.V.; ALENCAR, S.

Ana Paula Vieira da Silva Soraya Alencar

Engenharia Química - Centro de Tecnologia - Universidade Federal de Alagoas. Av. Lourival de Melo Mota, s/n Tabuleiro 57072-970 Maceió – AL 

07/05/2012

RESUMO - Neste artigo foi feito um estudo sobre a desidratação do álcool por meio de peneiras moleculares. Explicaremos o processo de desidratação de álcool enfatizando as diferenças entre os processos de desidratação por zeólitos e o método azeotrópico por meio de agentes químicos, mostrando genericamente seus princípios básicos e funcionamento.

Palavras-chave: azeótropos, zeólitos, etanol anidro, peneiras moleculares.

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INTRODUÇÃO

A tecnologia utilizada desde a década de 40 e até os dias de hoje para desidratação do etanol é a destilação azeotrópica, usando produtos químicos perigosos e alguns foram considerados cancerígenos. Na destilação azeotrópica se adiciona um solvente que faz com que o ponto de ebulição da mistura diminua ainda mais, possibilitando a extração de uma das espécies à composição de 100%. O princípio de desidratação de álcool através de peneira molecular está baseado na capacidade de adsorção seletiva de substâncias denominadas zeólitos e apresentam poros com abertura de até 20 Å e, por isso, são chamados micro porosos. Eles passaram a ter utilização industrial, principalmente na indústria petroquímica, a partir de 1962. Hoje em dia os zeólitos comerciais são substâncias sintéticas produzidas por várias empresas. Peneiras moleculares são zeólitos com porosidade definida e capacidade de distinção de moléculas por suas dimensões e geometrias, ou seja, significando dimensões na faixa de “moléculas”, o que, aliás, levou os cientistas a batizarem o processo, pois é como se pudéssemos imaginar um “peneiramento” seletivo de moléculas.

Princípios e fundamentos

O primeiro zeólito, a estilbita, foi descoberto pelo Barão Axel Cronsted, um mineralogista sueco, em 1756. Ele nomeou esses minerais como zeólitos, das palavras gregas, zeo (ferver) e lithos (pedra), porque eles liberavam vapor d’água quando suavemente aquecidos. Os zeólitos são formados por alteração hidrotérmica da lava depositada, isto é, sob a ação da água em altas temperaturas. Existe uma grande gama de zeólitos naturais e uma classificação específica dos mesmos segundo a configuração da sua estrutura cristalina. O processo de desidratação do etanol por peneira molecular utiliza zeólitos (estruturas cristalinas de alumínio-silicatos) como elemento desidratante, material este que se apresenta na forma de pequenas esferas, e que por este motivo é às vezes chamado de “resina”, embora o processo em questão não envolva resinas de troca única; eles têm a capacidade, sob certas condições de pressão e de temperatura, de adsorver maiores ou menores quantidades da água contida no álcool hidratado. Quando da passagem, em fase de vapor, de um fluxo contendo álcool + água, as moléculas de água ficam "ligadas" à estrutura cristalina especialmente desenvolvida.

Figura 1 - Em (a), moléculas lineares são adsorvidas pela zeólita A, mas o volume excessivo da molécula ramificada impede a penetração nos poros em (b)

Estrutura e características

A estrutura dos zeólitos é baseada em tetraedros de TO (T= Si, Al, P, etc.) que se ligam entre si através de um átomo de oxigênio comum para formar unidades básicas de construção (u.b.c.), como esquematizado na figura 2.

Figura 2- Gênese das estruturas FAU e LTA a partir de tetraedros de TO₄ ²⁸

Métodos

A técnica de desidratação consiste, portanto em passar a mistura hidro alcoólica pelo leito de zeólitos, onde a água fica retida e, em seguida, desidratar (regenerar) o leito de zeólitos e assim sucessiva e alternadamente. Há, portanto a necessidade de se ter sempre dois leitos de zeólitos em operação, um na fase de adsorção e outro na fase de regeneração. Basicamente existem dois procedimentos para a regeneração dos zeólitos, um denominado TSA (“temperature swing adsorption”) e outro denominado PSA (“pressure swing adsorption”). O procedimento TSA leva em conta que a quantidade de água adsorvida diminui com o aumento da temperatura, para uma dada pressão. O procedimento PSA leva em conta que a quantidade de água adsorvida diminui com a diminuição da pressão, para uma dada temperatura.

Figura 3 – Peneira molecular

A técnica de desidratação azeotrópica é feita em coluna de desidratação, após a condensação, separa-se esta mistura azeotrópica em duas fases. A fase inferior é mais rica em água que é enviada para outra coluna para recuperação do cicloexano, para que este possa ser reutilizado no processo desidratação. O cicloexano forma com o etanol e a água uma mistura ternária (azeótropos que possuem ponto de ebulição de 63°C, relativamente menor ao ponto de ebulição do etanol (78°C), e por esse motivo é possível retirar água no topo da coluna.). Já o etanol anidro é condensado na parte inferior da coluna de desidratação, daí segue para armazenamento. 

Figura 4 - Coluna C, desidratação azeotrópica.

A produção de etanol anidro via peneira molecular utiliza vasos ou colunas com rígidos controles de pressão e temperatura, preenchidos com partículas de cerâmica, tradicionalmente apelidadas de "resina". Através de minerais (zeólitos), que retém as moléculas de água e permitem a passagem das moléculas de etanol. Desse modo, o etanol inicia o processo com 6,7% de umidade e sai com apenas 0,4%. O processo se inverte constantemente, sendo que cada ciclo, dependendo do grau GL do álcool na entrada e da capacidade de adsorção do zeólito, pode durar de 5 a 8 min.

Azeotrópica versus zeólita.

Os consumos dados a seguir, comparam as desidratações azeotrópicas e por zeólitos: o de vapor é cerca de 1/3 daquele necessário para a desidratação por cicloexano. São necessários 0,50 kg/l de vapor a baixa pressão (vapor de escape ou mesmo vapor vegetal) e 0,05 kg/l de vapor à pressão de 5 bar abs. (para o superaquecimento do álcool hidratado vaporizado). O consumo total é, portanto de 0,55 kg/l, contra 1,5 a 1,6 kg/l no caso do cicloexano; já o de água de resfriamento é essencialmente o mesmo quando comparado com o cicloexano, ou seja, cerca de 40 a 45 kg/l, dependendo da temperatura da água fria; o de energia elétrica é de cerca de 2 kW.h/L na planta propriamente dita. Acrescentar a este valor o consumo de energia necessária para a circulação da água de resfriamento que varia de indústria para indústria; enquanto que o de ar comprimido para os sistemas de controle é de cerca de 2,4 Nm³/L.h.

O espaço físico necessário para uma planta com capacidade de 300 m³/d é de aproximadamente 8 m x 15 m. A planta fica normalmente ao tempo.

Figura 5 - Destilaria da Usina Santa Elisa - Sertãozinho - SP – Brasil

Capacidade: 310.000 L/dia.

Como o ciclo adsorção/regeneração é muito curto, o sistema deve necessariamente ser totalmente automático. Não há, portanto a necessidade de operadores adicionais. Um sistema de automação bem projetado e bem instalado é, portanto de fundamental importância para a boa operação da planta. O álcool fraco produzido pode retornar a uma coluna retificadora existente, embora neste caso deve-se levar em conta que isto representa uma adição em termos de capacidade desta coluna. Outra possibilidade é investir um pouco mais e prover a unidade de peneira molecular com uma pequena coluna retificadora que substitui o evaporador de álcool. Neste caso, sem nenhum consumo adicional de vapor, a unidade fica totalmente independente da necessidade de ser operada simultaneamente com outros aparelhos de destilação. A alternativa acima abre excelente opção de se operar a unidade durante todo o ano, viabilizando muito mais o retorno do capital investido. Evidentemente, deve existir a disponibilidade de bagaço excedente e a possibilidade de se operar uma pequena caldeira durante a entressafra sem causar transtornos para a manutenção da usina/destilaria.

Conclusão

Com a utilização da peneira molecular, não há o uso de qualquer insumo químico, obtendo-se um produto final sem traços destes produtos preservando assim a vida e o meio ambiente. Este álcool é especialmente indicado para aplicações mais exigentes como o uso em indústrias farmacêuticas, químicas e de alimentação. Esta maior qualidade facilita sua destinação à exportação atendendo às exigências dos mercados americano, europeu e asiático. Existe redução de custo na produção de álcool anidro, devido ao menor consumo de vapor, cerca de 30% do processo azeotrópico, além da não utilização do benzol ou cicloexano. Esta redução no consumo de vapor permite uma maior produção de álcool ou açúcar e passa a viabilizar a produção de álcool anidro em algumas unidades industriais com capacidade limitante de caldeiras. O investimento inicial é maior para o sistema de peneira molecular quando comparado com a instalação de uma coluna desidratadora por cicloexano. Entretanto, essa razão pode ser relativa, caso o aumento da produção de álcool anidro signifique a necessidade de se investir em maior geração de vapor. Isto pode ser relativo e deve ser estudado detalhadamente.

O custo operacional da peneira molecular é mais baixo. Estima-se um custo máximo de reposição do zeólito de R$ 0,65/m³ de álcool produzido contra R$ 0,80/m³ no caso do cicloexano (adotou-se o consumo de 0,80 kg/m³ e preço de R$ 1,05/kg). Porém, o grande fator de economia pode estar ligado a grande redução do consumo de vapor e na possibilidade de se operar a planta durante todo o ano.

O processo por peneira molecular não introduz elementos tóxicos ao produto final. Trata-se, portanto de um processo mais adequado caso a usina/destilaria pretenda trabalhar com álcoois especiais para aplicações mais específicas visando principalmente o mercado exportação. Entretanto, caso a usina/destilaria esteja pensando em adquirir uma nova coluna desidratadora por cicloexano, um estudo mais cuidadoso dos custos/benefícios do sistema de peneira molecular é necessário para que a decisão final seja a mais acertada para cada caso.

Referências

Luna, F.J.; modificação de zeólitas para uso em catálise. Quim. Nova 2001

Kister, Henry Z. Distillation Design. 1st Edition ed. [S.l]: McGraw-Hill, 1992.

Sanseverino, A. M.; Quim. Nova 2000.

Mascarenhas, A. J. S.; Quim. Nova 2001

Silva, L. D O.; Dissertação de Mestrado da Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2001,

Pessoa, F. L. P.; Introdução aos Processos Químicos. 2007. Escola de Química/UFRJ.

Kilikian, B.V. P. Jr. A Purificação de Produtos Tecnológicos, Barueri-SP, Editora Manole, 2005.

 Amorim, H.V. Fermentação Alcoólica Ciência & Tecnologia. Editora Fermentec. Piracicaba, 2005.

PERRY, R.H., Perry`s Chemical Engineers’ Handbook, McGraw-Hill, 1997.

Lima, F. N.; Desidratação do hidratado: Peneira molecular, 2000.

A Desidratação de Álcool por Peneira Molecular. – STAB Jul/Ago 1996.

Planálcool. Disponível em: www.planalcool.com.br acessado em abril de 2012.

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