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Universidade de Brasília Instituto de Química Projeto de Engenharia Química 2
UNIDADE DE PRODUÇÃO DE PROPILENOGLICOL A PARTIR DE ÓXIDO DE
PROPILENO
Camila Maria Araujo da Silva, Danielly Freire Rolim, Felipe Morais Bolner, Gabriel Araujo Lopes, Gabriel Mc Mannis Pagotti João, Gabriela de Sena Cardoso, Giovanna Maria da Rocha Otero, Gustavo Scarparo Pandolfo, Isabela Oliveira de Souza Soares, Isabella Pires Ferreira Corrêa, Marina Guedes Valério
Orientador: Prof. Dr. José Joaquin Linares León
Brasília 2017
Universidade de Brasília Instituto de Química Projeto de Engenharia Química 2
UNIDADE DE PRODUÇÃO DE PROPILENOGLICOL A PARTIR DE ÓXIDO DE
PROPILENO
Camila Maria Araujo da Silva, Danielly Freire Rolim, Felipe Morais Bolner, Gabriel Araujo Lopes, Gabriel Mc Mannis Pagotti João, Gabriela de Sena Cardoso, Giovanna Maria da Rocha Otero, Gustavo Scarparo Pandolfo, Isabela Oliveira de Souza Soares, Isabella Pires Ferreira Corrêa, Marina Guedes Valério
Orientador: Prof. Dr. José Joaquin Linares León
Trabalho de Projeto em Engenharia II apresentado ao Instituto de Química da Universidade de Brasília.
Brasília 2017
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Representação química do óxido de propileno. .................................................. 14 Figura 2 - Produtos produzidos a base de óxido de propileno. (WOOD, 2017) ................ 15 Figura 3 - Molécula de Propilenoglicol. ................................................................................ 16 Figura 4 - Porcentagem dos produtos finais obtidos através do metanol no Mundo, em
- (BERGGREN, 2016) ............................................................................................. 18 Figura 5 - Diagrama do processo. ......................................................................................... 23 Figura 6 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (1/9) ...................................................................................................................... 24 Figura 7 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (2/9) ...................................................................................................................... 25 Figura 8 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (3/9) ...................................................................................................................... 26 Figura 9 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (4/9) ...................................................................................................................... 27 Figura 10 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (5/9) ...................................................................................................................... 28 Figura 11 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (6/9) ...................................................................................................................... 29 Figura 12 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (7/9) ...................................................................................................................... 30 Figura 13 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (8/9) ...................................................................................................................... 31 Figura 14 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Dados de Operação e Vazões (9/9) ...................................................................................................................... 32 Figura 15 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Composições (1/9). 33 Figura 16 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Composições (2/9). 34 Figura 17 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Composições (3/9). 35 Figura 18 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Composições (4/9). 36 Figura 19 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Composições (5/9). 37 Figura 20 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Composições (6/9). 38 Figura 21 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Composições (7/9). 39 Figura 22 - Folha de Especificação de Balanços de Calor e Massa - Composições (8/9). 40
Figura 45 - Folha de Especificação de Instrumentos de Vazão (1/2) ..... Erro! Indicador não
Figura 52 - Folha de Especificação de Válvulas de Controle (3/7) ......... Erro! Indicador não
Figura 83 - Ponto de operação de uma bomba a partir das curvas características
Tabela 28 - Otimização do número de pratos da coluna de destilação fracionada (C - 1).
1. INTRODUÇÃO
O propano-1,2-diol, conhecido também como propilenoglicol, é utilizado na indústria como solvente para compostos orgânicos que são insolúveis em água. O propilenoglicol é um líquido incolor, levemente viscoso, com alto ponto de ebulição - aproximadamente 188 °C - e praticamente inodoro (DOW, 2015). Suas aplicações são variáveis, sendo usado como dispersante, umectante, solvente de vitaminas e alcaloides, matéria prima para creme de barbear, pomada e cremes dentais, solvente para aromas, essências e fragrâncias, por exemplo. O propilenoglicol é obtido sinteticamente através de reações químicas, onde o reagente é o propeno ou o propileno, mas também pode ser obtido através da hidrólise de glicerol em temperaturas altas e através da glicerina, um coproduto do biodiesel (EMFAL, 2015). Em 1859, Wurtz descreveu a produção do propilenoglicol, e nesse processo mais dois compostos eram formados adicionalmente, o 1,2-propilenoglicol e o 1,3-propilenoglicol. Esses eram, então, separados por alguma operação unitária. A fim de escalonar o processo, aumentar rentabilidade e diminuir os custos, a indústria começou a produzir propilenoglicol através da hidrólise de óxido de propileno por ter como subproduto a água, diminuindo o custo de produção (CASTRO et al, 2011). Por conta dessa e outras propriedades desse composto, a sua produção vem atingindo uma larga escala, estando entre os 30 intermediários químicos mais produzidos no Brasil e no mundo (SBQ, 2015). São, aproximadamente, 7 milhões de toneladas de propilenoglicol fabricados por ano, a maioria através da indústria petroquímica e do óxido de propileno, sendo a empresa Dow quem lidera o mercado produtivo (SBQ, 2015). Nos Estados Unidos, são produzidos em torno de 450 mil toneladas de propilenoglicol, vendidos a um preço de US$ 1,56 a US$ 2,20 por quilograma, e, mundialmente, o mercado do propilenoglicol cresce 4% ao ano (CHIU, 2006). No Brasil, atualmente, existe uma planta de produção do composto em Aratu, Bahia.
1.1 Objetivos
O objetivo deste trabalho consiste no projeto de uma planta de produção de propilenoglicol pela conversão de óxido de propileno na presença de água, com o auxílio do software Aspen HYSYS®, assim como a análise dos impactos ambientais e da rentabilidade de um projeto de tal porte.
1.2 Óxido de Propileno
O óxido de propileno é um líquido sem coloração, inflamável e com odor de éter. Apesar de ser um material perigoso devido a sua inflamabilidade, reatividade e toxicidade, pode-se distribuir e manipular de forma segura quando são tomadas as precauções de segurança adequadas. (KAHLICH, 2005) Formalmente conhecido como 1,2-epoxipropano, o óxido de propileno (C 3 H 6 O) é um éter de ponto de ebulição baixo e altamente volátil que pode ser obtido por oxidação do propileno ou pela roda de hidrocloração. (NIJHUIS, 2006)
Figura 1 - Representação química do óxido de propileno.
A forma convencional de produção do óxido de propileno é a partir da desidrocloração de propileno-cloro-hidrina (PCH) com uma base. Atualmente, esse processo é realizado em duas etapas: síntese do PCH e a desidrocloração do mesmo para óxido de propileno. Durante o processo, há a purificação do óxido de propileno e tratamento de água. (KAHLICH, 2005) A segunda forma de produção do óxido de propileno ocorre via oxidação indireta do propileno. Durante muitos anos, foram propostos diversos tipos de produção de óxido de propileno via oxidação indireta. Porém, apenas duas rotas são aceitas em escala industrial: a epoxidação do propeno com peróxido de hidrogênio ou com peróxido de ácidos carboxílicos. Ambos os processos são divididos em duas etapas, onde na primeira ocorre a formação de peróxido de hidrogênio ou um peróxido orgânico de um ácido adequado. Por sua vez, na segunda etapa tem-se a conversão do peróxido em água ou ácido, através da epoxidação do propeno em óxido de propileno. (KAHLICH, 2005) O 1,2-epoxipropano é utilizado em todo o mundo como intermediário para produzir inúmeros materiais a jusante, como polióis poliéteres, propilenoglicóis, éteres de propilenoglicol e outros derivados propoxilados. (KAHLICH, 2005)
1.3 Propilenoglicol
Propilenoglicol, conhecido também pelo nome sistemático propano-1,2-diol, é um composto orgânico (um álcool diol), usualmente um líquido oleoso sem sabor, inodoro e incolor, que é higroscópico e miscível com a água, acetona e clorofórmio (GARDEN, 2014). Em sua estrutura, contém um átomo de carbono assimétrico. Desta forma, configura-se a presença de dois estereoisômeros sendo comercializado em mistura racêmica (JATOBÁ, 2007).
Figura 3 - Molécula de Propilenoglicol.
Industrialmente, o propilenoglicol é produzido por hidratação do óxido de propileno e é posteriormente separado para a obtenção de um produto com a máxima pureza possível. Ele pode também ser convertido em glicerol, um subproduto do biodiesel (JATOBÁ, 2007).
Esse material apresenta excelente propriedade anticongelante e é valioso como fluido de transferência de calor em baixa temperatura e fluidos de descongelamento para uso em aeronaves (DOW, 2000). É, além disso, um importante co-solvente para tintas à base de água para uso em arquitetura, sendo também utilizado como um intermediário na produção de resinas alquídicas para tintas e vernizes. A solvência do propilenoglicol proporciona o uso em agentes líquidos de limpeza, inclusive sendo usado para estabilizar detergentes líquidos enzimáticos para lavagem de roupas. Funciona, também, como agente que impede o congelamento de sistemas de resfriamento em indústrias alimentícias e instrumentos cirúrgicos (GARDEN, 2014).
O propilenoglicol é um dos quatro álcoois poliídricos mais frequentemente encontrados em alimentos. Comparado com os outros três (glicerina, sorbitol e manitol), é preferido quando baixa viscosidade, alta higroscopia, boa solvência em óleos ou completa miscibilidade em água são desejáveis. Ele não confere sabor adocicado a formulações como os outros álcoois (DOW, 2000). Álcoois poliídricos são utilizados em alimentos para ajudar a reter a qualidade original dos alimentos ou modificar a qualidade original ou textura do
produto. Propilenoglicol pode ser efetivo agindo como modificador de cristalização, umectante, agente de amolecimento, solvente, controlador de viscosidade, auxiliar de reidratação ou aditivo alimentar. É utilizado como solvente em extração de aroma de baunilha, a partir da baunilha natural, e café a partir dos grãos de café torrados. Ainda, o alto poder de solubilização deste glicol permite que seja utilizado na extração de muitos outros materiais aromatizantes naturais. Ele pode também pode ser utilizado para extrair gordura de cacau em pó. A estocagem e manuseio do propilenoglicol é bastante simples, pois este material possui um ponto de mínima fluidez de - 57 °C (-71 °F), não é corrosivo, possui ponto de fulgor de 104 °C (220 °F), e não apresenta nenhum perigo para a saúde humana ou animal, nem ao meio ambiente (DOW, 2000). O material de construção mais adequado para a estocagem de propilenoglicol é o aço inoxidável, e o composto pode deteriorar-se ligeiramente em contato com o ar em temperaturas normais (este efeito provoca alterações de gosto e odor); consequentemente, um gás inerte, preferencialmente nitrogênio seco, deve ser utilizado no espaço vapor do tanque para eliminar oxigênio. Esse composto, além disso, é bastante higroscópico, e o uso de nitrogênio seco evita a acumulação de água no tanque (DOW, 2000). O propano-1,2-diol é considerado um produto extremamente versátil devido às suas características amplas. É um produto que possui um alto valor agregado devido as suas várias aplicações em diversos tipos de indústrias, sendo beneficiado ainda pela facilidade de armazenagem.
1.4 Metanol
O metanol (CH 3 OH) ou álcool metílico é um líquido incolor, inflamável, com a temperatura de ebulição de 65 °C, sendo usado como solvente industrial há anos. (JOVELIN et al, 2015) Os antigos egípcios usavam o produto em métodos de embalsamento de cadáveres, com intuito de preservá-los. Durante esse processo, o metanol fazia parte da mistura de substâncias produzidas na destilação destrutiva de madeira. No ano de 1661, Robert Boyle finalmente produziu metanol puro através de destilação, porém, só em 1834, Jean-Baptiste Dumas e Eugene Peligot determinaram a composição do álcool metílico. (SHELDON, 2017) Após as descobertas e determinação do produto, o metanol começou a ser produzido comercialmente utilizando destilação da madeira a seco. Atualmente, o metanol é obtido
2.1.1 Capacidade da Unidade A unidade de produção de propilenoglicol foi projetada para processar 1.134 kg/h de óxido de propileno, com um fator de operação de 8.000 h/ano.
2.1.2 Capacidade de Qualidade da Alimentação A alimentação à unidade estará constituída por três correntes: uma corrente de óxido de propileno como primeira matéria prima, uma segunda corrente de água como segunda matéria prima e uma terceira corrente de metanol, que fará o papel de solvente para evitar o surgimento de duas fases líquidas devido à limitada solubilidade do propilenoglicol na água.
Tabela 1 - Vazão das Correntes de Alimentação. Componente Vazão (kg/h) Água 6. Metanol 1. Óxido de Propileno 1.
2.1.3 Capacidade da Qualidade dos Produtos O produto de interesse da planta é a corrente de propilenoglicol com a maior pureza possível. A fração não reagida de óxido de propileno e água, junto com o metanol, será reciclada com o intuito de reduzir a demanda de insumos da planta.
2.1.4 Critérios Gerais Tabela 2 - Critérios gerais de operação. Fator de Operação 8 .000 h/ano Capacidade Mínima 60% Sobredimensionamento dos Equipamentos Bombas de Carga e Produto 110% Bombas de Refluxo em Coluna 120% Trocadores de Calor 110% Coluna de Fracionamento (hidráulica) 120% Coeficientes de Formação de Crostas Correntes de Processo 0,0001 h.m^2 .°C/kcal Água de Arrefecimento 0,0003 h.m^2 .°C/kcal
2.1.5 Dados Básicos de Engenharia Tabela 3 - Dados gerais. Água de Refrigeração Temperatura de Fornecimento 28 °C Temperatura Máxima de Retorno 45 °C Vapor de Aquecimento Temperatura de Entrada 240 °C Temperatura de Saída 240 °C
2.1.6 Custos Gerais Tabela 4 - Custos do projeto. Engenharia Básica 0,22 MR$ Licença 1 MR$ Matérias Primas e Produtos Óxido de Propileno 1.300,00 US$/t Água 2,00 US$/t Metanol 120,00 US$/t Propilenoglicol 1.700,00 US$/t Serviços Auxiliares Água de Refrigeração 0,40 R$/m³ Eletricidade 240,00 R$/MWh Ar de Instrumentos 0,04 R$/Nm³
Vapor de Baixa Pressão 20 R$/t
Manutenção e Seguros 3% do investimento ao ano Pessoal R$ 30.000,00 por operador ao ano
