Ciência 2009 - Encontro de Ciência em Portugal

Reactor de Membranas Adsorptivo de Leito Móvel Simulado, novo processo híbrido de separação e respectivas utilizações

Carla S.M. Pereira, Viviana M.T.M. Silva, Alírio E. Rodrigues

LSRE - Laboratório de Processos de Separação e Reacção

Departamento de Engenharia QuímicaFaculdade de Engenharia da Universidade do Porto

CSMP Ciência 2009 - Encontro de Ciência em Portugal2

Produtos Verdes Solvente verde: Lactato de Etilo

Aditivo verde de diesel: Dietilacetal

Separações Reactivas Reactor de Leito Móvel Simulado (RLMS)

Reactor de Membranas (RM)

Novo processo híbrido: PermSMBR Conceito

Aplicações: Lactato de Etilo e Dietilacetal

Comparação: RLMS vs. PermSMBR

Conclusões

ÍndiceÍndice

CSMP Ciência 2009 - Encontro de Ciência em Portugal3

Produtos VerdesProdutos VerdesSolvente verde: Lactato de Etilo

1) Jones J, Pham T, Smart K, Splinter D, Steele M. Ethyl Lactate Production. Capstone Design Project, University of Oklahoma, CH E 4273, Spring 2003.

Solvente

Aditivo Alimentar

Perfumaria

Cosmética

Indústria Farmacêutica

Mercado mundial: 3 milhões de toneladas por ano, o que corresponde a aproximadamente 3 mil milhões de euros1.

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Fragrâncias - Perfumaria

Produtos Farmacêuticos

Solventes

Resinas de Poliacetais

Aditivo de Combustível

Natural GasCrude

BIOMASS

PropaneButane Gasoil Virg. Naphta

cat. cracking steam cracking

I SOBUTENE ISOMYLENES

deydrogenationisomerization

Syn Gas

METHANOL

ETHANOL

PROPYLENE

I sobutane

TBA

MTBE

TAAEETBE

TAMEIPA-DI PE

fermentation

Water

DIETHYLACETAL

ACETALDEHYDE

dehydrogenationcurrently used

potential future application

Legend

A visão em 1997

Produtos VerdesProdutos Verdes

Aditivo verde para diesel: Dietilacetal

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Síntese do lactato de etilo

Síntese do dietilacetal

Ácido Láctico Etanol Lactato de Etilo Água

H+

OH O 2 +

O

O H2O +H+

Etanol Acetaldeído Dietilacetal Água

Produtos VerdesProdutos Verdes

Conversão de equilíbrio ≈ 55%

Conversão de equilíbrio ≈ 57%

Catalisador: Amberlyst 15-wet

Resina ácida de permuta iónica

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Destilação Reactiva

Extracção Reactiva

Reactor Separador produtosmistura

reaccionalreagentes

Separador Reactivo produtosreagentes

Reactores Cromatográficos (adsorptivos)

Reactores de Membranas

Processos Tradicionais

Intensificação de Processos

Separações ReactivasSeparações Reactivas

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Eluent (E) ( B+ E)

( A ) Raffinate ( C+ E)

Port switching direction

Eluent (E)

Raffinate ( C+ E)

Extracto (A+D)

Extracto (A+D)

Alimentação (A+B)Alimentação (A+B)Refinado (A+C)

Refinado (A+C)

Desorvente (A)

A+B C+D

Zona II Conversão Reagentes e Separação

dos ProdutosZona III

Regeneraçãodo DesorventeZona IV

Zona IRegeneração

da Resina

Direcção do líquido e alternância das portas

O RLMS é constituído por várias colunas interligadas em série, com duas correntes de entrada e duas correntes de saída.

Todas as correntes são introduzidas/retiradas do sistema através de portas existentes entre as colunas, e as suas posições são deslocadas periodicamente na direcção do líquido, de forma a simular o movimento do sólido em contra-corrente com o líquido.

Desorvente (A)

Reactor de Leito Móvel Simulado (RLMS)Reactor de Leito Móvel Simulado (RLMS)

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Unidade Piloto Licosep 12-26 SMB (Novasep, France)

Unidade piloto de LMS LICOSEP 12-26;

12 colunas ( L=23 cm; diâmetro=2.6 cm;

Empacotamento: Amberlyst 15-wet

Unidade Piloto RLMSUnidade Piloto RLMS

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Pereira, C.S.M., Zabka, M., Silva, V.M.T.M. and Rodrigues, A.E., 2009. A novel process for the ethyl lactate synthesis in a simulated moving bed reactor (SMBR). Chem. Eng. Sci. 64 (14): 3301-3310.

Produção de Lactato de Etilo no RLMSProdução de Lactato de Etilo no RLMS

Ethanol / Ethyl Lactate

EthanolEthanol / Water

Desorbent Desorbent Extract Extract

FeedFeedRaffinateRaffinate

Liquid flow

Conversão de equilíbrio = 55 %

RLMS Conversão 100 %

Lactic Acid solution (85 wt% in water)

CSMP Ciência 2009 - Encontro de Ciência em Portugal10

1) Rodrigues, A. E. and Silva, V. M. T. M. Industrial process for acetals production in a simulated moving bed reactor. Patent PT 103123, 2004; WO 2005/113476A1, 2005.

2) Silva, V. M. T. M. and Rodrigues, A. E., 2005. Novel process for diethylacetal synthesis. AlChE J. 51 (10): 2752-2768.

Produção de Dietilacetal no RLMSProdução de Dietilacetal no RLMS

Reactor de Leito Móvel Simulado para a Síntese de Acetais ACETech (1),(2)

Ethanol /ACETAL

Ethanol Ethanol /Water

Desorbent Desorbent Extract Extract

FeedFeedRaffinateRaffinate

Liquid flow

Conversão de equilíbrio = 57 %

RLMS Conversão 100 %

Ethanol+Acetaldehyde

CSMP Ciência 2009 - Encontro de Ciência em Portugal

Retido

Permeado

11

A+B C+D

membrana

catalisador

Os reagentes A e B são alimentados ao reactor de membranas, onde se formam os produtos C e D.

A membrana é selectiva a um dos produtos, D, removendo-o do meio reaccional.

Reactor de Membranas (RM)Reactor de Membranas (RM)

Conversões superiores às de equilíbrio.

Unidade Reactor de Membranas por Pervaporação

CSMP Ciência 2009 - Encontro de Ciência em Portugal12

Direcção do líquido e alternância das portas A+B C+D

Alimentação (A+B)

Refinado (A+C)

Extracto (A+D)

Desorvente (A)

Desorvente Extracto

Refinado Alimentação

PermSMBR: o ConceitoPermSMBR: o Conceito

Reactor integrado com duas técnicas diferentes de separação: i) cromatografia (Leito Móvel Simulado - SMB); ii)membrana permeável.

PermSMBRPermSMBR:: Reactor de Membranas Adsorptivo de Leito Móvel SimuladoReactor de Membranas Adsorptivo de Leito Móvel Simulado

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0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 3 6 9 12

Co

nc

en

tra

çã

o (

mo

l/L)

EtanolÁc. LácticoEtil LactatoÁgua

D F RP1 P2 P3 P4

P10 P11P7

XP5 P6 P8 P9 P12

12 colunas, cada coluna com 13 membranas comerciais tubulares selectivas à água;

T=50ºC; Empacotamento: Amberlyst 15;

Conversão: 99,34 %

PUR: 99.19 %

PUX: 99.98 %

Alimentação: Ácido láctico (85 wt%)Dessorvente: EtanolConfiguração: 3-3-4-2

PermSMBR: AplicaçõesPermSMBR: Aplicações

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 3 6 9 12

Co

nc

en

tra

çã

o (

mo

l/L)

Etanol

Acetaldeído

DietilacetalÁgua

D F RP1 P2 P3 P4 P5 P6 P7

Conversão: 99,93 %

PUR: 99.78 %

Alimentação: Etanol / AcetaldeídoDessorvente: Etanol

Configuração: 6-3-3

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RLMS PermSMBRMelhoria

(%)

Consumo de dessorvente (LEth/kgAcetal)

1.74 0.57 67.2

RLMS PermSMBRMelhoria

(%)

Produtividade (kgEL/LA15/dia) 18,06 25,68 42,22

Consumo de dessorvente (LEth/kgEL)

4,75 3,57 24,74

Resultado de optimização de ambas as tecnologias, RLMS e PermSMBR

Lactato de Etilo

Dietilacetal

PUR, RLMS = PUR, PermSMBR = 99.78 %

X, RLMS = X, PermSMBR = 99.93 %

Produtividade, RLMS=Produtividade, PermSMBR = 22. 51 kgAcetal/LA15/dia

Comparação: RLMS vs. PermSMBRComparação: RLMS vs. PermSMBR

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ConclusõesConclusões

Os compostos oxigenados (como os ésteres e os acetais) provenientes de matéria prima renovável, são bastante atractivos e requerem processos eficientes e sustentáveis para serem competitivos no mercado.

O reactor RLMS é uma dessas tecnologias promissoras, particularmente para reacções limitadas pelo equilíbrio (A+B C+D) que podem ser deslocadas até conversões de 100%.

Esta tecnologia integrada com membranas, deu origem ao novo processo híbrido PermSMBR, que permite melhorar o desempenho do RLMS:

redução dos custos associados às unidades de separação seguintes

• aumento de produtividade;

• redução significativa do consumo de dessorvente.

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Obrigada pela vossa atenção!