Conclusões

O objetivo principal deste trabalho foi estudar as influências do aumento de teor de sólidos nas propriedades da emulsão estireno-butadieno, em processo semi-contínuo, que afetam a segurança da reação de copolimerização em emulsão, procurando alterar minimamente as variáveis importantes para qualidade do produto final. Os resultados apresentados neste trabalho exibiram um comportamento adequado para emulsões de acordo com o aumento do teor de sólidos. As simulações desenvolvidas com o software Aspen Polymers® resultaram em perfis condizentes com os estudados na literatura.

Para o aumento do teor de sólidos na formulação, a água da pré-emulsão foi reduzida, aumentando-se a quantidade de monômeros proporcionalmente na formulação e, portanto, incrementado o teor de sólidos de 48,4 % até 65,1 %, a cada 1 %. O teor de sólidos de 65,1 % foi o maior valor possível encontrado nesta formulação pois representou retirada de toda água da dosagem em contínuo ao reator. As propriedades finais da emulsão apresentaram resultados esperados conforme embasamento teórico abordado: a massa específica, a viscosidade, massa molar média e diâmetro de partícula aumentaram com o aumento do teor de sólidos e a polidispersidade, a temperatura de transição vítrea, o calor específico e a condutividade térmica diminuíram. Notou-se que o rendimento da reação diminuiu com o aumento do teor de sólidos à mesma temperatura original da reação, 75°C.

Foi necessário propor alguns parâmetros de projeto do reator para continuidade do estudo. Juntamente com a obtenção dos perfis das propriedades físico-químicas e de transporte da emulsão foi possível calcular o coeficiente de película e o coeficiente global de transferência de calor, cuja finalidade foi verificar a influência do aumento do teor de sólidos na troca térmica do reator e, consequentemente, na segurança da reação. Para a formulação original (48,4 teor de sólidos), o coeficiente de película calculado foi de 748,88 W/m²°C e coeficiente global de transferência de calor de 378,2 W/m²°C.

Em seguida foi analisada a interferência da temperatura na reação com o intuito de promover rendimentos elevados para teor de sólidos maiores. Variações de temperatura no modelo com maiores teores de sólidos levaram a maiores conversões dos monômeros e

86

consequentemente maiores rendimentos globais. Para temperaturas mais elevadas, notou-se que com uma elevação de apenas 5C o comportamento da reação, apesar de apresentar patamares mais altos, exibe um perfil semelhante até o final da dosagem da pré-emulsão. Entre 80C e 85C não houve diferenças significativas no perfil de liberação, demonstrando uma reação mais rápida; com 50 % de tempo reduzido a taxa de liberação de energia caiu praticamente para zero (cinco horas de reação). A partir de 90C constatou-se um perfil de temperatura com variações mais abrutas e que toda a liberação de calor estava concentrada nas primeiras três horas do ciclo.

Para simular uma condição muito próxima da prática industrial considerou-se interferir minimamente no sistema de refrigeração que atende o modelo original, e assim foi verificado que é possível operar com um aumento de até 3C, atingindo o valor de 78C na reação, mantendo o mesmo perfil de temperatura. O pico de liberação de energia foi aumentado de 48 kW para 61kW (26 %). Com isso tempos menores de reação podem ser atingidos.

A simulação para porcentagens de sólidos de 50 %, 55 % e 65 % foi realizada à temperatura de 78C. Constatou-se um aumento da velocidade da reação indicando aumento de rendimento, pois a liberação de energia tendeu a valores mais próximos de zero ao final do mesmo tempo de reação de 10 horas.

Dando continuidade ao estudo, foi necessário analisar as propriedades físicas químicas e compará-las com o produto original com intuito de verificar possíveis diferenças que possam acarretar em impactos no sistema de troca térmica e problemas na aplicação final do produto.

Foram comparados os perfis de cada propriedade para as temperaturas de 75C e 78C nas concentrações de sólidos de 48,4 % (original) 50 %, 55 % e 65 %. A condutividade térmica apresentou perfis extremamente semelhantes para ambas temperaturas. A massa específica exibiu uma tendência de maior aumento a partir dos 60 % de sólidos. A viscosidade apresentou um pequeno incremento de valor na concentração de 65 % à temperatura de 78C indicando um comportamento com maior caráter exponencial para temperaturas e concentrações mais altas. O calor específico variou linearmente com a temperatura, porém com a variação de apenas de 3°C quase não foi possível notar sua influência. Diâmetros de partículas menores e massa molar média mais baixa foram encontrados para a temperatura de 78C. Este fato é

87

explicado, pois com o aumento da temperatura ocorre o aumento da velocidade da reação, favorecendo maior número de partículas formadas. A polidispersidade foi maior a 78 °C e em relação à temperatura de transição vítrea, as diferenças são muito pequenas e pouco impacta na aplicação final do produto.

A segurança do processo pôde ser avaliada qualitivamente a partir do coeficiente global de troca de calor e o perfil de temperatura adiabática da reação pôde ser encontrado para análise em possíveis cenários de descontrole de reação. Com este perfil é possível determinar limites de operação a partir de dados de projeto de reatores químicos.

De acordo com todas as análises realizadas foi possível determinar que teor de sólidos de 60 % e 78°C é o ponto de melhor ajuste de acordo com os objetivos do trabalho baseado na segurança do processo e qualidade do produto.

No teor de sólidos de 60 % a 78°C, a liberação de energia total da reação foi de 450,8 kW, um aumento de 30,7 % em relação à formulação original; o coeficiente global de troca de calor reduziu de 378,2 W/m² °C para 275 W/m² °C (27,7 %).

Para verificar se estes resultados são aceitáveis em relação à segurança do processo teriam que ser avaliados os impactos no balanço de massa e energia da reação, porém nos artigos originais e literatura disponível não há dados suficientes para realização e cálculos e definição exata do melhor ponto de trabalho. Seria necessário teste de reação piloto em laboratório com calorímetro para monitoramento e validação desta tendência.

Porém, a simulação do processo de copolimerização em emulsão de estireno- butadieno utilizando como ferramenta o software Aspen Polymers® nos indica um caminho favorável para realização de testes em escala piloto, evitando assim dispêndio de testes aleatórios, minimizando o número de experimentos e custos com análises, que são etapas importantes em meio à concorrência global existente na área de polimerização. A busca constante de melhoria contínuas de processos e redução de tempos e custos de desenvolvimento de produtos é um diferencial importante a ser considerado.

89