Nitração de compostos aromáticos : transferência de massa e reação química

Abstract

A produção de nitrobenzeno assume uma importância relevante a nível mundial no sector da indústria química de compostos intermédios. Portugal não é excepção, com uma capacidade de produção de cerca de 10_% da produção instalada na Europa Ocidental.

No processo industrial mais difundido, a reacção entre o benzeno e o ácido nítrico, catalisada pelo ácido sulfúrico, é processada em contínuo de forma adiabática. As características destes compostos químicos conduzem a um sistema reaccional heterogéneo líquido-líquido, onde ocorrem simultaneamente fenómenos de reacção química e de transferência de massa que competem entre si. As reacções envolvidas são fortemente exotérmicas e a temperatura do meio repercute-se sobre a extensão das reacções que conduzem à formação de produtos secundários indesejáveis. Assim, a interpretação mecanística desta reacção torna-se algo complexa, sendo obrigatoriamente descrita por modelos reaccionais que contabilizam todos estes fenómenos.

O objectivo primordial deste trabalho consistiu em aprofundar o conhecimento da reacção de produção do nitrobenzeno sob condições operatórias semelhantes às utilizadas no processo industrial. Para concretizar este objectivo foi construída uma instalação piloto que permitiu reproduzir essas condições de operação, monitorizadas em contínuo. As técnicas de análise desenvolvidas para caracterização da composição das amostras das fases aquosa e orgânica possibilitaram garantir a fiabilidade e a repetibilidade dos resultados experimentais. A execução de experiências à escala piloto, de acordo com um planeamento que visou a avaliação da influência dos diferentes parâmetros de operação, providenciou um extenso conjunto de resultados experimentais para a modelização e optimização do processo, no que concerne a formação do nitrobenzeno e dos subprodutos nitrofenólicos de reacção. Estes ensaios no reactor piloto, contínuo e agitado, permitiram identificar a temperatura, a razão molar do benzeno face ao ácido nítrico na alimentação e a área interfacial como as variáveis que mais influenciam a conversão e a selectividade do processo, o que veio a ser confirmado pelos modelos mecanísticos e heurísticos desenvolvidos. A área interfacial entre as duas fases líquidas não pode ser medida directamente, mas foi alvo de um estudo que possibilitou a sua quantificação através da medição da velocidade de agitação e do conhecimento das características físico-químicas do sistema.

Nas condições operatórias semelhantes às empregues no processo conduzido na Quimigal verificou-se a predominância do regime intermédio de reacção, onde coexistem com idêntica relevância os fenómenos cinéticos e de transferência de massa. Posteriormente foram estudadas condições operatórias diferentes que conduziram o processo para o regime de reacção rápida, dominado pelas limitações difusionais, alargando o âmbito deste trabalho. Os modelos mecanísticos de Filme e de penetração de Danckwerts foram utilizados para descrever este processo contínuo e adiabático, tendo sido validados nas diversas condições operatórias estudadas.

Este estudo mostrou que a conjugação das condições operatórias pode conduzir à melhoria simultânea da conversão e da selectividade do processo. O recurso a temperatura de reacção, concentração de ácido nítrico e tempo de residência mais reduzidos, face aos actualmente empregues, em conjunto com concentração de ácido sulfúrico, razão molar entre o benzeno e ácido nítrico na alimentação e área interfacial mais elevadas, deve permitir alcançar tais objectivos. A optimização das condições de operação conduzirá a um melhoramento do processo convencional produtivo do nitrobenzeno, permitindo mantê-lo competitivo face aos novos desenvolvimentos tecnológicos, com ganhos inerentes a nível económico e na minimização do impacte ambiental. Por último, o conhecimento adquirido acerca dos fenómenos que descrevem este sistema reaccional líquido-líquido poderá também vir a ser transposto para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de novas tecnologias nesta área da Engenharia Química.