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Sobre inovações processuais em catálise homogénea, com vista a unidades industriais mais integradas e intensivas


Diagrama conceptual de um processo clássico de catálise homogénea.


Catálise homogénea é aquela em que uma reação química ocorre numa só fase, a qual serve de meio para reagentes, produtos e catalisadores. É contrária ao que sucede em catálise heterógenea, a qual a reação tem lugar numa interface (gás-sólido, líquido-sólido, etc) devido ao catalisador situar-se numa fase distinta daquela em que situam os reagentes e produtos.

Um dos motivos pelos quais a catálise homogénea é menos comum industrialmente em relação à heterogénea resulta da incoveniente mistura do catalisador com os regentes e produtos, a qual acaba por levantar desafios técnicos de separação, desde logo (mas não só) porque o catalisor pode modificar as suas propriedades dependedo da natureza da separação escolhida, e ver assim perturbada as sua funções ao ser reutilizado. Os referidos desafios implicam processos de separação mais dispendiosos, acabando por prejudicar a viabilidade económica do projeto.

Em todo o caso, podem citar-se alguns processos industriais de catálise homogénea, os quais tipicamente utilizam um ácido ou uma base como catalisadores. São eles:
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O 'escoamento invertido com adsorção' (reverse flow adsorption - RFA
e o seu contributo para uma catálise homogénea mais eficiente:



Diagrama conceptual de um processo de catálise homogénea 
que inclui 'escoamento invertido com adsorção' (RFA).


A investigação em torno do desafio de tornar a catálise homogénea mais competitiva tem produzido os seus frutos, sendo a tecnologia conhecida por  'escoamento invertido com adsorção' (em inglês reverse flow adsorption - RFA) um conceito que merece destaque.

Através de um entendimento da separação e reação como etapas comunicantes e interdependentes, o RFA propõe-se a utilizar dois leitos de adsorvente com capacidade de realizar adsorção/desorção reversível do catalisador, e a combinar tal possibilidade com a inversão de fluxo (ciclicamente). Com isto, o catalisador é alimentado ao reactor através da desorção de um leito, e ao abandonar o reator é adsorvido no outro leito. Deste modo o catalisador realiza um ping pong entre o leito à esquerda e à direita do reator, participando pelo meio na etapa reacional tal como pretendido. Acresce a isto o facto do catalisador não se movimentar numa corrente própria, mas antes arrastado pela corrente de reagentes (antes de entrar no reator) ou pela corrente de produtos (à saída do reator).

Um exemplo de aplicação deste conceito pode ser encontrado no artigo publicado por Marras et al.,  em 2011, da Universidade de Amesterdão, e cujo título é:  Reverse-Flow Adsorption for Process-Integrated Recycling of Homogeneous Transition-Metal Catalysts.


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Uma versão ainda mais integrada e eficiente de RFA


Diagrama conceptual de um processo de catálise homogénea 
que integra 'escoamento invertido com adsorção' (RFA) no próprio reactor.


No passado ano de 2016, Hamou et. al, investigadores da Universidade de Lyon e da Universidade de Lorraine, publicaram um estudo intitulado Reaching steady state under cyclic operations with dispersion: The case of the reverse flow adsorber. Um mérito deste estudo é revelar que é possível atingir o estado estacionário caso se funda o reator de catálise homogénea com um leito de fixo contendo adsorvente, e que mediante optimização de parâmetros é possível aumentar em mais de 20 vezes a concentração de catalisador dentro do reactor, o que potencia a reação. Esse aumento deve-se ao efeito conjunto da minimização da perda de calisador à saída do reactor (leaching), ao ajuste do caudal de catalisor make-up (realizado no centro da unidade), e à correcta definição dos tempos de ciclo para a inversão do escoamento.

Este progresso em matéria de processo propõe-se a abrir caminho para a existência de uma peça de equipamento única onde ocorre simultaneamente a reação, a separação e a reciclagem de catalisador. Tal façanha contribui enormemente para processos de catálise homogénea mais integrados e intensivos, querendo isto significar processos mais compactos (menos espaçosos), mais baratos ( requer menos equipamentos), eficientes (menos energia e utilidades, bem como potenciação de resultados).

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