Desidratação de álcool em peneiras moleculares. Importância do Álcool Anidro

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O benzeno foi utilizado como solvente na separação do etanol da água durante muitos anos. Por ser um composto potencialmente cancerígeno, seu uso foi proibido e a partir de 1997 tornou-se obrigatório o uso de outros métodos de desidratação do etanol. Atualmente, por utilização da infraestrutura pré-existente nas usinas, a maior parte dos produtores de etanol anidro utilizam o processo de destilação azeotrópica com cicloexano. Assim, outros processos têm sido propostos ao longo dos anos para desidratar o etanol (SMITH, 2003).

Peneiras Moleculares

O princípio de desidratação de álcool através de Peneira Molecular está baseado na capacidade de adsorção seletiva da zeólita. (HABERT, 2006).

Para o processo de desidratação do Etanol é utilizada a zeólita do tipo A (potássio alumino silicato), com aberturas de 3 Angstroms de espessura, devido ao cátion potássio, o que permite a adsorção das moléculas de água que possuem 2,8 Angstroms de diâmetro, mas é muito pequeno para as moléculas de etanol que possuem 4,4 angstroms de diâmetro. Portanto o processo consiste na retenção das moléculas de água pela zeólita. É este método seletivo das peneiras moleculares o responsável pelo termo “peneira” em sua denominação. No processo de purificação do álcool hidratado, a adsorção é um tipo de interação física, que pode ser rapidamente formada e desfeita (HABERT, 2006).

A ligação entre a água e a superfície interna da zeólita é um fenômeno de adsorção, que ocorre pelo simples contato entre elas, como se aderissem entre si. A separação se dá ou por aumento de temperatura ou por diminuição de pressão. Quando a água que estava adsorvida na zeólita se separa dela, diz-se que ocorreu a regeneração da zeólita. Os sistemas industriais de desidratação do álcool por este processo são compostos por dois ou mais tanques repletos com as partículas de zeólitas. O álcool hidratado é pressurizado, vaporizado e injetado em um dos tanques. Na saída do tanque, recolhe-se o vapor de álcool anidro, que é condensado. Enquanto isso, a água vai sendo adsorvida nas zeólitas (HABERT, 2006).

Na fase líquida a taxa de adsorção e a velocidade do fluxo são 10 vezes menores e o tempo de retenção 10 vezes maior se comparada à fase vapor, portanto para melhor eficiência do sistema o etanol deve ser desidratado na fase vapor. Assim é necessário garantir que o vapor de álcool esteja alguns graus superaquecido para eliminar uma possível formação de fase líquida durante a alimentação do leito.

(http://www.dedini.com.br/).

Quando a capacidade de adsorção de água neste tanque se esgota, um segundo tanque entra em ação enquanto o primeiro é evacuado a baixas pressões para a eliminação da água e regeneração das zeólitas. Os tanques de zeólitas ficam desta forma se alternando continuamente entre adsorção e regeneração. Como não há o uso de solvente neste processo, o álcool anidro resultante é isento de contaminantes (HABERT, 2006).

A Figura 3 apresenta o ciclo operacional de desidratação do etanol.

Figura 3: Ciclo operacional da desidratação do etanol

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Fonte: http://www.saomanoel.com.br/

O consumo de vapor é de cerca de 1/3 daquele necessário para a desidratação por cicloexano. São necessários 0,50 kg/L de vapor a baixa pressão (vapor de escape ou mesmo vapor vegetal) e 0,05 kg/L de vapor à pressão de 5 bar (para o superaquecimento do álcool hidratado vaporizado). O consumo total é, portanto de 0,55 kg/L, contra 1,5 a 1,6 kg/L no caso do cicloexano (HABERT, 2006).

O custo operacional da peneira molecular é mais baixo. Estima-se um custo máximo de reposição do zeólito de R$ 0,65/m³ de álcool produzido contra R$ 0,80/m³ no caso do cicloexano (adota-se consumo de 0,80 kg/m³ e preço de R$ 1,05/kg). Porém, o grande fator de economia pode estar na grande redução do consumo de vapor e na possibilidade de se operar a planta durante todo o ano (HABERT, 2006).

A vida útil das zeólitas dura em média 8 anos, portanto a sua substituição não é constante, o que também é uma vantagem.

Outros Processos de Obtenção do Álcool Anidro.

Atualmente, dentre as técnicas utilizadas nas indústrias mundiais de desidratação do etanol incluem a destilação extrativa, destilação azeotrópica, a desidratação em peneiras moleculares e a pervaporação (SMITH, 2003).

- Destilação Extrativa

Uso de um solvente para melhorar a eficiência de separação, com o aumento da volatilidade relativa de um ou mais componentes. Na destilação do álcool hidratado, o solvente funciona como uma terceira substância dentro da coluna destiladora. Esse solvente mistura-se melhor com a água e juntos escoam para o fundo da coluna porque a mistura dos dois é menos volátil do que o álcool. Enquanto isso o álcool, mais volátil, vai para o topo da coluna. Dentre os solventes usados no processo de desidratação de álcool, pode-se citar a glicerina e o etilenoglicol (FERNANDES, 2010).

- Destilação Azeotrópica

Este processo utiliza uma coluna onde o cicloexano é alimentado no topo e o etanol a ser desidratado alimentado um pouco abaixo. No topo da coluna tem-se como produto o azeótropo ternário, que após a condensação a mistura azeotrópica irá se separar em um vaso de decantação em duas fases líquidas: orgânica e aquosa. A fase orgânica retorna à coluna azeotrópica, juntamente à reposição de solvente perdido na corrente na base da coluna, a qual terá como produto principal o etanol anidro. Nesta corrente, geralmente há uma contaminação considerável de cicloexano. A fase aquosa é encaminhada à coluna de recuperação, onde será recuperado o álcool etílico presente inicialmente no azeótropo ternário que passou para a fase aquosa. Nesta coluna é obtida uma solução alcoólica como produto de topo e uma corrente que contém água praticamente pura no fundo (JUNIOR, 2010).

Apesar do processo de destilação azeotrópica apresentar um menor custo de investimento quando comparado aos demais métodos utilizados no Brasil e o emprego exclusivo de vapor de baixa pressão como fonte de aquecimento, ele apresenta um alto consumo de vapor (1,5 a 1,6 kg de vapor/ L álcool), além de ser comum a perda de quantidades consideráveis de cicloexano