Catálise envolvida

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
INSTITUTO DE QUIMICA
DEPARTAMENTO DE QUIMICA GERAL E INORGÂNICA
Relatório inicial do projeto PET:
Desidratação catalítica de etanol a eteno.
Alunos:
Roberto B. da Silva Junior
Henrique Guimarães P. Santos
Orientadoras:
Profª. Dra. Soraia Texeira Brandão
Profª. Dra. Thamy Cristina Hayashi
1 - Introdução:
Na atualidade há uma busca por fontes renováveis em substituição ao
petróleo. A utilização destas fontes visa minimizar os impactos ambientais,
diminuir a emissão de CO2 e reduzir a dependência do petróleo [1,2].
Brasil é pioneiro na produção de etanol a partir da fermentação de
biomassa vegetal. Ao se produzir etileno oriundo de etanol proveniente de fonte
renovável, este é denominado “verde”. Daí a nomenclatura de “polímero verde”
para o polietileno originário deste tipo eteno.
Há uma forte demanda mundial por polímeros verdes o que incentivou a
Braskem investir 1 bilhão de reais em três anos no pólo petroquímico de
Triunfo com um projeto de produzir 200 mil toneladas anuais [7,8].
O eteno (etileno) é de fundamental importância para a indústria química,
pois é utilizado para a preparação de: polietileno, acetato de vinila, acetaldeído,
cloreto de vinila, etileno glicol, etc. Usualmente o etileno é obtido a partir da
nafta, entretanto, estudos recentes focam na obtenção de etileno em escala
industrial através da desidratação do etanol [1].
A desidratação do etanol a eteno é largamente estudada. Normalmente,
têm-se como produtos da desidratação do etanol: o eteno e o dietil éter. A
temperatura tem grande influência na formação preferencial de cada um
destes. A catálise é utilizada comumente. Os catalisadores observados são: γalumina (Al2O3); zeólitas: HZSM-5, SAPO-34 e NiAPSO-34. Todas elas são
catálises ácidas [1-4,9].
2 - Objetivo:
Estruturar a etapa inicial do projeto PET, sendo que esta visa o estudo
de bancada para o sistema reacional da desidratação do etanol a eteno.
Inicialmente, será utilizado o laboratório GPC (grupo de catálise e
polímeros), daí a necessidade de optar por um sistema compatível com o
mesmo.
Com o avançar dos ensaios, numa etapa seguinte, instalar uma planta
de pequeno porte para produção de eteno.
É importante testar e decidir entre o etanol aquoso 10% e o absoluto,
pois têm custos diferentes, já que o aquoso não é destilado (processo de alta
demanda energética) [3].
3 - Catálise envolvida:
Vários pesquisadores tem dirigido seus estudos no sentido do
desenvolvimento de catalisadores que aperfeiçoem o processo da conversão
do etanol a etileno [5,6,9].
Para esta conversão, muitos catalisadores têm sido testados, dentre
eles, zeólitas, titânia-sílica, alguns óxidos como, por exemplo, os de magnésio,
manganês, cobalto, cromo, sais de prata, dentre outros que podem ou não
serem promovidos por metais de transição, almejando diminuir a formação de
coque (compostos sólidos a base de carbono) que terminam por envenenar os
catalisadores em questão.
Durante a desidratação catalítica do etanol, duas reações podem
ocorrer:
(1) C2H5OH = C2H4 + H2O
∆H = + 44,9 KJ/mol
(2) 2 C2H5OH = C2H5OC2H5 + H2O
∆H = - 25,1 KJ/mol
De acordo com a literatura científica, esta conversão é estudada numa
faixa de temperatura de 300 – 450 ºC. A conversão do etanol a eteno (1) é uma
reação favorecida a altas temperaturas dentro da faixa especificada acima.
Baixas temperaturas ainda dentro desta faixa, dirigem a conversão no sentido
da formação de dietíl éter (subproduto indesejado da reação), logo, é
interessante se descobrir meios de se trabalhar isotermicamente numa
temperatura que favoreça a formação de etileno e também se realizar
modificações visando melhorar o desempenho do reator [4].
Sabe-se até então que a desidratação do etanol não é apenas em
função da temperatura, mas também é em função do tempo de contato, da
natureza dos centros ácidos e da geometria dos poros dos catalisadores [9].
4 - Discussão breve e análise de alguns resultados encontrados na literatura:
Neste tópico, são relatados possíveis catalisadores que poderão ser
testados nos ensaios de bancada, assim como os resultados obtidos em testes
catalíticos por alguns deles.

Zeólitas HZSM-5 e HZSM-12: [9]
Fig, 01: Conversão de etanol em função do tempo
de reação sobre a zeólita HZSM-5 e HZSM-12
Fig, 02: Seletividade dos produtos da desidratação
do etanol sobre as zeólitas HZSM-5 e HZSM-12.
Testes catalíticos mostram que HZSM-5 apresenta um maior grau de
conversão a 300 ºC em torno de 99%, com uma seletividade a etileno
aproximadamente igual a 80%. HZSM-12 apresentou conversões um pouco
menores (~ 65%) sendo obtido como principais produtos etileno e dietíl éter em
quantidades relativas aproximadas (30-60%).

HZM-5, NiAPSO-34, SAPO-34 e Al2O3 : [1]
Fig. 03: Efeito da temperatura de reação na
conversão de etanol em diferentes catalisadores.
Fig. 04: Efeito da temperatura de reação na
seletividade a etileno em diferentes catalisadores.
Mais uma vez o catalisador HZSM-5, ao ser comparado neste trabalho
com outros 03 catalisadores, mostrou melhor desempenho. O estudo
comparativo entre estes 04 catalisadores revela que para a conversão do
etanol e para a seletividade a etileno, o desempenho destes, obedece a
seguinte ordem decrescente: HZSM-5 > NiAPSO-34 > SAPO-34 > Al2O3, sendo
observado maior estabilidade no SAPO-34.
6 - Sistema reacional de bancada:
Possível esquema de como deverá se assemelhar o sistema reacional
que será implantado no Instituto de Química da UFBA – Grupo de Catálise e
Polímeros:
No intuito de melhor compreender a estrutura do sistema reacional que
será implantado e utilizado para a realização dos testes catalíticos, descreve-se
abaixo um modelo reacional encontrado na literatura e que servirá
possivelmente de base para a construção do sistema que será construído para
a realização dos trabalhos [3].
Fig. 05: Diagrama esquemático do reator de bancada que provavelmente servirá como base
para a construção do reator que será utilizado no projeto.
Para melhor compreensão do sistema reacional, dividiu-se o esquema
acima em regiões hachuradas coloridas.
A região em amarelo representa o sistema de gases que servirão tanto
como fonte de reagentes como também para diluentes das espécies em
estudo. A região em cinza que compreende os equipamentos 14 e 15,
representa a unidade responsável pela injeção do etanol. É válido notar que o
item 4 representa a linha aquecida responsável por dirigir o vapor de etanol até
o meio reacional.
A região em azul compreende o forno e seu controlador de temperatura.
A de coloração verde é a unidade de coleta dos efluentes gasosos e líquidos.
7 - Referências:
7.1 – Artigos:
[1]
X.
Zhang
et
al.,
Micropor.
Mesopor.
Mater
(2008),
doi:
10.1016/j.micromeso.2008.04.004;
[2] Takahara I., Saito M., Inaba M., Murata K., Catal. Letters, 2005, 105, 3-4.
249-252;
[3] Arenamnart S., Trakarnpruk W., Int. J. Appl. Sci. Eng., 2006. 4,1:21-32;
[4] Chen G., Li, S., Jiao F. Yuan Q., Catal. Today 125 (2007) 111-119;
[5] Chang, C. D. Catal. Rev. Sci. Eng., v. 25, p. 1,1983;
[6] Derouane, E. G., Nagy, J. B., Dejaifve, P., Van Hoof, J. H. C., Spekman, B.
P., Vedrine, J. C.
7.2 – Sites:
[7]http://www.braskem.com.br/site/portal_braskem/pt/sala_de_imprensa/sala_d
e_imprensa_detalhes_6970.aspx (acessado em 22/07/2008);
[8]http://www.braskem.com.br/upload/portal_investidores/pt/financeiras/comunic
ados/Pol_Verde_port.pdf;
7.3 – Trabalhos publicados:
[9] Trabalho publicado: Lima S., Silva A., Síntese, caracterização e aplicação
catalítica das zeólitas HZSM-5 e HZSM-12 na desidratação do etanol.