Sobre a importância do etileno em petroquímica, suas aplicações, processo geral de produção, e o paradigma do bioetileno

O etileno é um dos intermediários petroquímicos mais importantes e é matéria-prima para diversos produtos. Os produtos finais feitos com etileno incluem embalagens de alimentos, filmes, brinquedos, recipientes para alimentos, garrafas, anticongelante, tapetes, isolamento, utilidades domésticas, etc. Os produtos químicos feitos de etileno para produzir esses produtos finais são polietileno, dicloroetano, óxido de etileno, etilbenzeno e acetato de vinil, só para citar alguns.

Embora a produção de etileno [à base de fósseis] difira ligeiramente por licenciante, o processo geral é bastante semelhante (consulte a figura abaixo). Existem também algumas diferenças no processo provenientes do tipo de matéria-prima utilizada.

(...) As duas principais matérias-primas para a produção de etileno são a nafta e o gás natural (etano, propano, butano, etc.). O primeiro passo na produção de etileno é pegar na matéria-prima e craqueá-la em etileno e outros produtos diversos num forno. Este processo é chamado de pirólise. A pirólise é o craqueamento térmico de hidrocarbonetos de petróleo com vapor, também chamado de craqueamento a vapor. (...) A reação de craqueamento é altamente endotérmica, portanto, altas taxas de energia são necessárias.

(...) Os gases craqueados saem do forno a 1382F a 1607F (750C a 875C). Estes devem ser arrefecidos imediatamente para preservar a composição da química e evitar a ocorrência de reações colaterais indesejáveis.

(...) Após o arrefecimento do gás craqueado na torre de arrecimento (quench tower), a próxima etapa do processo é a compressão do gás craqueado. Um compressor centrífugo acionado por turbina é utilizado para realizar essa compressão e normalmente há quatro a cinco estágios, com patamares de arrefecimento intermediários. O número de estágios necessários depende principalmente da composição do gás craqueado e da temperatura do meio de arrefecimento. Todo o caudal da planta de etileno passará por um compressor de gás craqueado, portanto, o desempenho e a confiabilidade desta unidade são especialmente importantes. O compressor também é um equipamento extremamente caro, resultando em uma grande percentagem do capital total requerido da planta industrial.

Um sistema de remoção de gás ácido está normalmente localizado entre o 3º e o 4º ou entre o 4º e o 5º estágios do compressor. Em todas as configurações de processo, a remoção de gases ácidos deve estar localizada a montante da unidade de secagem para evitar a formação de gelo e hidratos nas etapas de fracionamento seguintes. Os gases ácidos são normalmente depurados uma vez ou em combinação com um produto químico regenerativo.

(...) A seção de fracionamento recebe o gás craqueado comprimido a uma pressão de 464 a 551 psi (32-38 bar) para posterior fracionamento em diferentes produtos e frações em qualidades especificadas. Isso é feito através de uma série de colunas de destilação e reatores de hidrogenação. A separação criogénica é o método predominante para a separação de gás craqueado. Embora os processos de separação de gás por adsorção, absorção ou tecnologia de membrana tenham progredido no passado recente, eles não encontraram grandes aplicações na indústria de etileno.

Fonte: Emerson

Imagem: Chiyoda

Aplicações dominantes do etileno:

Bioetileno - Um paradigma mais verde para polímeros

O bioetileno feito de bioetanol (de biomassa) representa uma alternativa quimicamente idêntica ao etileno. Comparado com o equivalente petroquímico, as principais vantagens do bioetileno são que ele pode reduzir as emissões de gases de efeito estufa ao longo do ciclo de vida (tanto da produção quanto do uso) e a dependência da indústria química de combustíveis fósseis. O bioetanol pode ser obtido pela fermentação da matéria-prima sacarose (por exemplo, cana-de-açúcar) e da biomassa amilácea (por exemplo, milho) por hidrólise seguida de fermentação. Essas duas rotas de produção são bem desenvolvidas e utilizadas para produzir bioetanol para o setor de transporte em países e regiões (por exemplo, Brasil, EUA, Europa e China). 

Além da cana-de-açúcar e do milho, a biomassa lignocelulósica também pode ser utilizada como matéria-prima, mas a conversão em bioetanol é mais desafiadora e cara devido à estrutura química da biomassa. Se os avanços tecnológicos superarem esses problemas a produção de bioetanol e bioetileno a partir da biomassa lignocelulósica poderá tornar-se economicamente atraente. No Brasil, a produção de bioetileno já é economicamente competitiva devido à ampla disponibilidade de matéria-prima barata de cana-de-açúcar, ampla experiência na produção de etanol e preços crescentes do petróleo. Isso levou a uma nova capacidade de produção de bioetileno a partir da cana-de-açúcar.

Estima-se que a produção de bioetileno a partir da cana-de-açúcar economize cerca de 60% de energia fóssil em comparação com a produção petroquímica, pois o processo também pode produzir eletricidade. As emissões associadas de gases de efeito estufa cradle-to-gate da fábrica são cerca de 40% menores do que a produção petroquímica. Em comparação, o bioetileno de milho e a lignocelulose economizam menos energia e menos emissões de gases de efeito estufa porque os processos relacionados não exportam eletricidade. 

Fonte: Production of Bio-ethylene, Technology BriefIEA-ETSAP and IRENA 2013

 

Imagem: Orsing

O etileno é também uma hormona natural de muitas espécies vegetais:

O desenvolvimento de um fruto é caracterizado por uma série de transições de desenvolvimento estreitamente coordenadas por um rede de genes em interação e vias de sinalização.

Com base no seu modo de amadurecimento, os frutos carnosos são divididos em duas categorias, climatéricos e não climatéricos, dependendo da presença ou ausência do aumento da respiração e da produção autocatalítica de etileno (Lelièvre et al., 1997).

Em frutas climatéricas, a hormona vegetal etileno é o principal sinal que controla a maioria dos aspectos do amadurecimento. Por outro lado, o amadurecimento de frutas não climatéricas não depende estritamente do etileno, e a natureza dos gatilhos do amadurecimento nesse tipo de fruta ainda não foi elucidada.

(...) O envolvimento do etileno no amadurecimento de frutas foi inicialmente relatado há muito tempo (Burg e Burg, 1962) e, desde então, evidências diretas acumularam-se para demonstrar que o etileno medeia o amadurecimento de frutas nos níveis fisiológico, bioquímico e molecular.

Fonte: M. Liu, J. Pirrello, C. Chervin, J.P. Roustan, M. Bouzayen, Ethylene Control of Fruit Ripening: Revisiting the Complex Network of Transcriptional Regulation. Plant Physiol. 169(4), 2015, 2380-90.