Baixe Apostila Processos Industrias Orgânicos CAp. 1 - Introdução e outras Notas de aula em PDF para Química Industrial, somente na Docsity! Processos Industriais Orgânicos Profa. Caridad Noda Pérez Página 1 Processos Industriais Orgânicos Ementa 1. Matérias primas para a indústria química orgânica. 2. Indústria petroquímica. 3. Gás de síntese. 4. Indústria carbo-química. 5. Indústria agro-química. 6. Indústria de polímeros. 7. Indústria da biotecnologia. 8. Química fina. 9. Indústria de óleos e gorduras. 10. Indústria de sabões e detergentes. 11. Indústria de perfumes e aromatizantes. 12. Indústria de polpa de papel. 13. Indústria da reciclagem. Bibliografia básica: Moulijn, J.A.; Makkee, M.; van Diepen, A.; “Chemical Processes Tecnology”; John Willey & Sons Ltda; 5a Edição; 2005. - Shereve, R.N. e Brink, J.A.; “Indústria de processos químicos”, 5a edição, Editora Guanabara, 1997. Bibliografia complementar: - Heaton, A.; Pennington, J.; “An introduction to industrial chemistry”, 3er Edition, Blackie Academic & Professional, Cap. 12 Petrochemicals, 1996, pp. 350-400. - Mayer; “Métodos de la industria química”; Editora Reverter, Barcelona, España. - Kutepov, A.M.; Bondareva, T.I.; Berengarten, M.G.; “Basic chemical engineering with practical applications”; 1988. - Ziller, S.; “Grasas y aceites alimentarios”; Editora Acribia, S.A., Zaragoza, España, 1996. Processos Industriais Orgânicos Profa. Caridad Noda Pérez Página 2 Tema 1: Matérias primas para a indústria química orgânica. 1. Introdução 2. Estrutura da indústria química 3. Matérias primas e energia 3.1. Gás natural 3.2. Petróleo 3.3. Carvão 4. Químicos básicos 1. Introdução Nas indústrias químicas as matérias primas são convertidas em produtos para outras indústrias e produtos de consumo. As matérias primas básicas para as indústrias químicas podem ser divididas em: Inorgânicas: Água, ar e minerais. Os minerais são convertidos em metais, materiais de construção, etc. Orgânicas: Combustíveis fósseis e biomassa. Inicialmente os compostos orgânicos eram obtidos do carvão e de materiais provenientes de plantas e animais. Na Europa no século XIX e até as primeiras décadas do século XX muitos compostos orgânicos foram sintetizados a partir de derivados do carvão, por exemplo, a anilina seca e polímeros como a Baquelita (fenol-formaldeído). O emprego do petróleo como matéria prima se iniciou na década dos 20 do século XX, quando foi reconhecido que o uso dos hidrocarbonetos derivados do petróleo como matéria prima para a indústria química orgânica era melhor do que o carvão. Nas décadas seguintes muitos produtos foram desenvolvidos como o nylon, o PVC, o polietileno e novos processos foram comercializados como a síntese de metanol e o craqueamento catalítico das frações de petróleo. 2. Estrutura da indústria química Aproximadamente 85% dos produtos químicos são obtidos a partir de um número limitado de compostos simples chamados de químicos básicos (eteno, propeno, buteno, benzeno, gás de síntese, amônia, metanol, ácido sulfúrico, cloro, etc.), os quais podem ser produzidos a partir de aproximadamente 10 matérias primas (petróleo, gás natural, carvão, biomassa, rochas, sais, enxofre, ar e água). Os hidrocarbonetos mais importantes são obtidos do petróleo, do gás natural e do carvão. Processos Industriais Orgânicos Profa. Caridad Noda Pérez Página 5 - elastômeros (polibutadieno, etc.) - inseticidas - fertilizantes (nitrato de amônia, etc.) - vitaminas - fármacos - detergentes, etc. Estas três etapas descritas anteriormente podem ter exceções como, por exemplo: o eteno é um composto básico obtido do petróleo e é o monômero para a síntese do polieteno, sendo assim não há a formação de produtos intermediários. Outro exemplo é o ácido acético, dependendo da sua aplicação é considerado intermediário ou produto final. A indústria química pode ser dividida em 7 setores como mostrado na Figura 3. 0 200 400 600 Escala (10 9 $/ano) S e to re s Petroquímica Farmacêutica Especialidades químicas Químicos inorgânicos Agroquímicos Téxtil Química fina Figura 3. Mercado mundial de produtos químicos em 1989. Os compostos petroquímicos, básicos ou intermediários, são os mais comercializados e são usados como matéria prima no resto dos setores, exceto para a maioria dos compostos inorgânicos. Apesar disto muitos compostos inorgânicos são obtidos a partir de compostos petroquímicos como, por exemplo, a amônia é obtida do gás de síntese. Um caso interessante é o enxofre, os compostos de enxofre estão presentes nos combustíveis fósseis em pequenas quantidades, então os produtos obtidos de esta matéria prima também contêm enxofre. Processos Industriais Orgânicos Profa. Caridad Noda Pérez Página 6 3. Matérias primas e energia Do exposto anteriormente está claro que as matérias primas e a energia estão estreitamente relacionadas. As principais matérias primas para a indústria química são os combustíveis fósseis; petróleo, o gás natural e o carvão. Estas também são as fontes mais importantes de energia como mostrado na Figura 4. 1975 1980 1985 1990 1995 2000 0 40 80 120 160 200 petróleo carvão gás natural outros m il h ã o b a rr il /d ia e m e q u iv a le n te d e p e tr ó le o Ano Figura 4. Consumo total de energia mundial (1 barril = 0,159 m3  0,136 toneladas métricas). A pesar de que nos anos 1950s e 1960s o consumo de energia cresceu exponencialmente, nos últimos anos o mesmo tem tendido à estabilidade. Mesmo com o crescimento econômico, o consumo de energia aumentou muito pouco devido a maior eficiência no uso da energia. O consumo de petróleo e carvão é quase constante, entanto que o de gás natural registrou um leve incremento. O uso de outras fontes de energia também incrementou, mas de forma geral os materiais fósseis são a principal fonte de energia. A maior fonte de energia é o petróleo (40%) seguido pelo gás natural (26%) e o carvão (21%). As reservas de combustíveis fósseis são apresentadas na Figura 5. Processos Industriais Orgânicos Profa. Caridad Noda Pérez Página 7 0 50 100 150 200 250 300 350 400 A n o s d e r e s e rv a ( R /P ) Petróleo Gás natural Carvão Óleo de xisto argiloso Figura 5. Reservas de combustíveis fósseis (R/P = reservas totais no final do ano/Produção no mesmo ano); 1997. O óleo de xisto argiloso é o mais abundante, mas seu processamento é muito difícil. Não pode ser bombeado dos reservatórios onde está contido nas rochas, somente pode ser recuperado pelo aquecimento da rocha, o que consume muita energia. Outro combustível fóssil com grandes reservas é o carvão. Apesar de serem menos abundantes as reservas de gás natural excedem as de petróleo. Como resultado do aumento da exploração, nas décadas recentes as reservas de gás natural estimadas dobram a cada 10 anos, aproximadamente 10% de estas reservas estão localizadas em 11 campos gigantes de gás, um dos quais está nos Países Baixos e outro no Brasil. Atualmente uma grande mudança está sendo gerada no consumo de energia. A conversão do carvão em gás (gaseificação do carvão) e a produção de combustíveis líquidos, a partir dos gases do carvão e do gás natural, é tecnicamente possível e é aplicada em larga escala. Não há dúvida de que estes processos poderiam se tornar mais importantes nas regiões onde os consumidores moram. Os materiais renováveis como a biomassa têm um rol importante atualmente em todo o mundo. As energias, solar e eólica, também podem ser consideradas como integrantes de este tipo de energia renovável. Num futuro a energia solar poderia ser a maior fonte de produção de eletricidade. A distribuição do petróleo não é muito democrática, as maiores reservas estão no Médio Oriente, entanto que as reservas de Europa, Estados Unidos e Extremo Oriente são menores. Mesmo com reservas menores, a produção no mundo ocidental é relativamente alta. Uma pequena fração da demanda do petróleo (8%) é empregada como matéria prima para a indústria química entanto que o resto é queimado como combustível. Os três tipos de combustíveis fósseis (petróleo, gás natural e carvão) estão constituídos principalmente por C e H e também alguns heteroátomos como N, O, S e metais, mas a Processos Industriais Orgânicos Profa. Caridad Noda Pérez Página 10 Os petróleos mais pesados poderiam conter mais compostos aromáticos policíclicos e rendem menos produtos utilizáveis. Além disso, os aromáticos policíclicos podem levar à formação de depósitos de carbono conhecidos como coque. Fenantreno Pireno Criseno 1,2-Benzantraceno 3,4-Benzopireno Figura 7. Exemplos de policíclicos e aromáticos polinucleares presentes no petróleo. O petróleo não consiste exclusivamente de C e H; quantidades pequenas de heteroátomos, S, O e N, também estão presentes. A pesar de a quantidade de S pareça ser pouca, sua presença nas frações do petróleo traz muitas conseqüências para o processamento de essas frações. A presença de S é indesejada porque causa corrosão, envenena os catalisadores e é prejudicial ao ambiente. Processos Industriais Orgânicos Profa. Caridad Noda Pérez Página 11 Sulfeto de hidrogênio Mercaptanos Alifáticos Aromáticos Sulfetos Alifáticos Cíclicos Disulfetos Alifáticos Aromáticos Tiofenos Tiofeno Benzotiofeno Dibenzotiofeno Dibenzotiofenos substituídos H2S R-SH SH R-S-R S H2C CH-R R-S-S-R S-S-R S S S S R R Figura 8. Hidrocarbonetos com enxofre mais importantes do petróleo. O S presente nos mercaptanos é relativamente fácil de remover em várias reações químicas, entanto que o S, em tiofenos e benzo tiofenos, apresenta caráter aromático, resultando em uma alta estabilidade. Compostos aromáticos de S estão presentes em petróleos pesados. O teor de N no petróleo é menor do que o de S, mas os compostos de N provocam distúrbios nos processos catalíticos, tais como craqueamento e hidrocraqueamento. Estes compostos reagem com os sítios ácidos do catalisador de craqueamento e os destoem. Os compostos de N, assim como os compostos aromáticos com S estão presentes particularmente nas frações de hidrocarbonetos de alto ponto de ebulição. O oxigênio (O) contido no petróleo é muito pouco e está presente em muitos compostos. Uma distinção pode ser feita entre compostos ácidos e não ácidos. Os ácidos orgânicos e os fenóis são ácidos. Os metais estão presentes no petróleo em muito pouca quantidade. Mesmo assim sua presença é de interesse considerável porque podem formar depósitos, desativar catalisadores e formar produtos não desejados. Uma parte dos metais está presente na fase aquosa da emulsão do petróleo e pode ser removida por técnicas físicas. A outra parte, os compostos organometálicos, somente pode ser removida por processos catalíticos. A maioria dos compostos que contem metais está presente nos resíduos pesados do petróleo. Os metais mais abundantes são: Ni, Fe e V. Processos Industriais Orgânicos Profa. Caridad Noda Pérez Página 12 N N N N V O VO-Etioporfirina (VO-Etio-I) N N N N Ni Ni-Decarboxideoxofitoporfirina (Ni-DCDPP) Figura 9. Exemplos de hidrocarbonetos contendo metais no petróleo. 3.3 Carvão Contrastando com o petróleo e com o gás natural, a composição do carvão tem uma variação mais ampla. A composição elementar média do carvão apresentada na Tabela 2, está baseada nos componentes orgânicos nele presentes. O carvão possui uma quantidade apreciável de material inorgânico (minerais) os que formam as cinzas durante os processos de combustão e gaseificação. A quantidade de estes compostos varia entre 1 e 25%. Além disto, o carvão contém água: a faixa de umidade do carvão varia entre 2 e 70%. Tabela 2. Composição elementar do carvão Elemento Faixa de porcentagem (% em peso) C 60-95 H 2-6 N 0,1-2 O 2-30 S 0,3-13 A relação C/H reflete o fato de que a maior parte do carvão está constituída por anéis aromáticos policíclicos. Muitos cientistas têm estado fascinados pela estrutura do carvão e tem trabalhado tratando de elucidar a mesma. A estrutura depende da idade do carvão e das condições sob as quais se formou. Na Figura seguinte se apresenta uma estrutura típica de uma partícula de carvão.