Apostila Processos Industrias Orgânicos CAp. 8 - quimica fina

Apostila Processos Industrias Orgânicos CAp. 8 - quimica fina

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Processos Industriais Orgânicos

Profa. Caridad Noda Pérez Página 170

Tema 8. Química fina 1. Introdução 2. Plantas para a produção de químicos finos 3. Projeto de reatores em batelada 3.1. Reatores em batelada agitados mecanicamente 3.2. Reatores em batelada para sistemas gás-líquido-sólido 4. Escalado de reatores em batelada 4.1. Controle de temperatura 4.2. Transferência de calor 4.3. Exemplos de escalado de um reator em bataleda e de um reator semi-batelada 5. Aspectos de segurança em química fina 5.1. Riscos térmicos na produção de químicos 5.2. Segurança e desenvolvimento de processos 5.3. Resumo de escalado de reatores em batelada

1. Introdução

Tradicionalmente os engenheiros químicos são tem estado principalmente envolvidos na produção de químicos de grande volume. Numerosos processos novos têm sido postos em pratica com grande sucesso por parte dos engenheiros químicos. Também na catálise ambiental a comunidade de engenharia química tem contribuído visivelmente, como por exemplo, no desenvolvimento dos catalisadores usados na limpeza dos gases de escapamento dos carros. Menor atenção tem sido prestada ao campo onde os volumes de produção são menores a complexidade química é maior, por exemplo, na produção de fármacos e agroquímicos. Apesar disto, também nestas áreas são usadas as abordagens da engenharia das reações químicas. A indústria química faz usualmente uma distinção entre as mercadorias (ou químicos de grande volume de produção), os químicos finos e as especialidades. Da mesma forma que com os químicos de grande volume, os químicos finos são identificados de acordo com suas especificações. Em contrastes, as especialidades são identificadas de acordo com seu desempenho. Os químicos finos incluem os intermediários avançados, as drogas em geral, os pesticidas em geral, ingredientes ativos, as vitaminas e as fragrâncias e aromas. Alguns exemplos de especialidades químicas são adesivos, desinfetantes, pesticidas, fármacos, químicos fotográficos, corantes, perfumes e polímeros. Na tabela 1 se apresenta uma pequena seleção, ilustrando a diferença entre químicos de grande volume, químicos finos e especialidades químicas. Os químicos finos diferem dos químicos de grande volume em muitos aspectos, como mostrado na Tabela 2 (os limites são ligeiramente arbitrários). Um aspecto específico da química fina é a formação de quantidades relativamente grandes de produtos colaterais, como ilustrado na Tabela 3. Em química fina os catalisadores não jogam um papel tão importante como na produção de químicos de grande volume. Reações de síntese em várias etapas são comuns e consistem usualmente em várias reações estequiométricas e não em reações catalíticas. Estas reações formam com freqüência grandes quantidades de sub-produtos, predominantemente sais inorgânicas. A hidrogenação é efetuada com uma mistura de metal e ácido (Fe/HCl) produz quantidades estequiométricas de cloreto de ferro como sub-produto. Mesmo com 100% de seletividade os processos não são atrativos do ponto de vista ambiental. Por as mesmas razoes que a oxidação com permanganato ou dicromato as halogenações, as sulfonações, nitrações, etc.

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Tabela 1. Posição dos químicos finos na indústria química, alguns exemplos.

Químico de grande volume Químico fino Especialidade

H3C Tolueno

isobutilbenzeno (i)

(5) ibuprofeno (ai)

COOH Farmacêutica trans-2-buteno + AcOH àcidoacético isobuteno + H2CO formaldeído

AcO CHO aldéido em C5 intermediário I+ O

PPh3 intermediário (i)X

OAc Vitamina A na forma acetato (i)

Vitamina A

Aditivo na indústria de alimentos Indústria farmacêutica fenol p-cresol

OH H3C OH

OCH3OHC p-hidroxi-benzaldeído (i, f) anisaldeído (i, f)

Perfumes e aromas Agroquímica Farmacêutica ai: ingrediente ativo; i: intermediários; f: aromas e sabores; X = Cl, Br, I, F; PPH3 = trifenil fosfina.

Tabela 2. Químicos finos versus químicos de grande volume

Químico fino Químico de grande volume

Preço > 5 $/kg < 5 $/kg Volume < 10 k ton/a > 10 k ton/a

Variedade de produto Alto Baixo Complexidade química Alta Baixo

Valor agregado Alto Baixo

Aplicações Numero limitado (1) Muitas

Síntese Várias etapas Poucas etapas, uma ou duas

Catalisador Excepcionalmente Freqüentes

Fase de produtos e reagentes Líquidos e sólidos Gás ou líquidos

Consumo de matérias primas (kg/kg) Alto Baixo

Consumo de energia (kJ/kg) Alto Baixo

Sub-produtos (kg/kg) Alto Baixo Compostos tóxicos Freqüentes (fosgêno) Excepcionalmente

Plantas Freqüentemente em

MPPa, em batelada

Freqüentemente em fluxo contínuo

Investimento ($) Baixo Alto

Investimento ($)/kg Alto Baixo

Mão de obra Alto Baixo

Flutuações do mercado Altas Baixo

Produtores Número limitado Muitos a: MPP, plantas multi-propósito ou multi-produtos, plantas flexíveis.

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Tabela 3. Formação de produtos e sub-produtos em vários setores da indústria

Segmento industrial Produção (ton métrica/ano) Formação de sub-produtos (kg sub-produto/kg produto)

Químicos de grande volume 104-106 < 1-5

As reações de Friedel-Crafts são exemplos óbvios. O Esquema 1 apresenta a reação de acilação de Friedel-Crafts do benzeno com 2-propil cloreto para obtenção de cumeno.

CH Cl + AlCl3 H3C

H3C C Cl AlCl3

H3C C Cl AlCl3+

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