ASPECTOS GERAIS

A destilação reativa foi primeiramente patenteada por Backhaus em 1921 (Wankat, 2007) e tem sido objeto de atenção até os dias atuais. É uma operação unitária em que a reação química e a separação por destilação são realizadas simultaneamente dentro do destilador fracionado (Perry e Chilton, 1999). O termo destilação catalítica também é utilizado para tais sistemas onde um catalisador (homogêneo ou heterogêneo) é usado para acelerar a reação (Taylor e Krishna, 2000).

O conceito de combinar as importantes funções de separação e reação não é novo no cenário da Engenharia Química. A recuperação da amônia no clássico processo Solvay de 1860 pode ser citado como provavelmente a primeira aplicação comercial da destilação reativa. Muitos outros processos também utilizam esse conceito, como a produção de óxido de propileno, dicloreto de etileno e metóxido de sódio e vários ésteres de ácido carboxílicos (Sharma e Mahajani, 2002). Mas foi com a enorme demanda pelo éter metil-terc-butílico (MTBE) que o processo ganhou atenção especial como promissor reator multifuncional e separador.

O processo de destilação reativa é aplicado especificamente em reações químicas reversíveis na fase líquida, em que a reação de equilíbrio limita a conversão dos reagentes (Seo et

al., 1999). Tem sido proposta como uma técnica promissora para a recuperação de ácido láctico

com elevada pureza e elevado rendimento do caldo de fermentação (Kumar et al., 2006a) devido a muitos motivos, entre os quais:

CAPÍTULO 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

TESE DE DOUTORADO- ANDREA KOMESU 46

 redução dos custos com equipamentos na esterificação, que normalmente necessita

de uma seção onde ocorre a reação e uma etapa posterior onde ocorre a separação dos produtos reacionais;

 melhora na conversão dos reagentes, reduzindo os custos com reciclagem;

 melhora na seletividade dos produtos desejados, reduzindo a formação de

subprodutos;

 significativa redução da quantidade de catalisador requerido para um mesmo grau

de conversão;

 possibilita integração energética para uma reação exotérmica onde o calor de

reação pode ser usado para fornecer o calor de vaporização e reduzir o calor necessário no refervedor.

Apesar das inúmeras vantagens mencionadas, a destilação reativa apresenta algumas dificuldades e limitações (Taylor e Krishna, 2000):

 os reagentes e produtos devem ter volatilidade adequada de modo que elevadas

concentrações dos reagentes e baixas concentrações de produtos sejam mantidos na zona reacional;

 se o tempo de residência para que a reação se processe for longo, são necessários

uma coluna de grandes dimensões e um acúmulo considerável de líquido no estágio de equilíbrio, sendo assim, a utilização de um arranjo de reação e separação subsequentes é mais econômico;

 dificuldade no projeto de processos que trabalham com altas vazões devido a

problemas de má distribuição de líquido nas colunas recheadas;

 as condições de temperatura e pressão ótimas para a destilação podem ser

diferentes das consideradas ótimas para a reação desejada e vice-versa.

Diversos estudos variando os parâmetros e condições operacionais para a recuperação do ácido láctico nas destilações reativas têm sido reportadas, como os citados a seguir.

 Seo et al. (1999) estudaram um processo de destilação reativa em batelada e o

efeito dos fatores: carga de catalisador, razão molar dos reagentes, concentração de alimentação, tipo de álcoois (metanol, etanol e 2-propanol) e a temperatura do condensador parcial. Nas condições ótimas obteve-se um rendimento de recuperação do ácido láctico superior a 90%.

CAPÍTULO 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

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 Asthana et al. (2005) usaram uma coluna reativa contínua para estudar a razão de

alimentação etanol/ácido láctico, a temperatura de alimentação do etanol e razão de refluxo. Obteve-se rendimento superior a 85% de lactato de etila e uma conversão superior a 95% de ácido láctico.

 Kumar et al. (2006b) estudaram um processo contínuo de recuperação do ácido

láctico por destilação reativa. O caldo de fermentação contendo a solução diluída de ácido láctico 8-10% (16-160 g/kg) foi primeiramente evaporado em um evaporador para concentrar a solução de ácido láctico (600-800 g/kg) A solução concentrada de ácido láctico e metanol foram alimentados continuamente no reator CSTR em condições de ebulição. No CSTR, a reação de esterificação ocorreu entre o ácido láctico e o metanol na presença de um catalisador (resina de troca iônica), formando lactato de metila e água. As impurezas presentes no caldo de fermentação foram purgadas no fundo do CSTR. A corrente de vapor que saiu do CSTR contendo: lactato de metila, água e metanol foi alimentada na coluna de destilação reativa. O lactato de metila reagiu com água na presença de catalisador na zona reativa da coluna. No topo da coluna foi recuperado o metanol e a água e no fundo o ácido láctico concentrado (42,3% em massa).

 Lunelli et al. (2010b) estudaram a esterificação do ácido láctico com etanol em um

sistema de destilação reativa contínuo na presença de catalisador heterogêneo (resina de troca catiônica) e catalisador homogêneo (ácido sulfúrico). Planejamentos fatoriais foram usados para identificar a influência dos parâmetros operacionais: temperatura de reação, razão molar de alimentação etanol/ácido láctico e o efeito do tipo de catalisador no processo. O melhor resultado foi obtido quando etanol e ácido láctico foram alimentados na razão molar 1,3:1.

 Mo et al. (2011) estudaram a hidrólise do lactato de metila usando uma coluna de

destilação reativa. Primeiramente, estudaram-se as propriedades termodinâmicas e cinéticas da reação e, em seguida, projetou-se a coluna de destilação baseada no custo total anual. Obteve-se uma corrente de fundo 35,87% (massa) de ácido láctico e 0,1% (massa) de lactato de metila e uma corrente de topo de 94,61% (massa) de metanol e 5,39% (massa) de água. O efeito do número de pratos da seção de retificação, número de pratos da seção de reação e a localização da alimentação no custo anual total foram analisados. Uma estrutura de controle dual de temperatura é proposta para a coluna de destilação reativa ótima, e os resultados mostraram que funciona bem para o sistema de hidrólise.

CAPÍTULO 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

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 Edreder et al. (2011) estudaram as condições de operação ótima de uma coluna de

destilação reativa convencional e invertida para a hidrólise do lactato de metila em ácido láctico. Para um dado tipo de coluna e configuração, o tempo mínimo de operação foi obtido otimizando a razão de refluxo. Em uma coluna convencional, o ácido láctico sendo o componente mais pesado na mistura, a razão de refluxo do destilado tem um importante papel na remoção do metanol no topo. Para uma coluna invertida, a razão de refluxo do fundo tem um importante papel na remoção do ácido láctico no fundo da coluna. Observou-se que para alguns casos, ácido láctico de maior pureza foi obtido na coluna invertida comparada com a coluna convencional em termos de tempo de batelada.

 Mujtaba et al. (2012) estudaram a redução de energia térmica do processo de

hidrólise do lactato de metila e separação do ácido láctico usando destilação reativa em batelada. A minimização de energia foi alcançada minimizando o tempo de produção pela otimização da razão de refluxo, sem compromisso com a especificação do produto. Foi observado que 56% da energia térmica pode ser reduzida para um produto com certa especificação e ácido láctico com 95% de pureza não pode ser obtido com uma única razão de refluxo.

Novos estudos para a recuperação do ácido láctico por meio da destilação reativa são necessários, de modo a se desenvolver um processo mais economicamente atraente e eficiente para aplicações industriais.