Avaliação do emprego de catalisadores sólidos ácidos e do processo de intensificação por pervaporação na síntese de acetato de n-propila

Abstract

Resumo: Os ésteres são compostos de grande importância na indústria química e de alimentos, pois possuem uma ampla variedade de aplicações. Dentre eles, destacase o acetato de n-propila, um éster de odor frutado muito utilizado como solvente em fragrâncias e aromatizantes. A principal forma de síntese química dos ésteres é por meio da esterificação de Fischer. Essa é uma reação que apresenta conversões limitadas pelo equilíbrio químico e, convencionalmente, é catalisada por ácido sulfúrico, que pode causar problemas ao processo e ao meio ambiente. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o emprego de zircônia sulfatada e de um catalisador à base de carbono sulfonado, proveniente do resíduo do processamento de palmito pupunha, na catálise heterogênea do acetato de n-propila, bem como da técnica de pervaporação na melhora do desempenho do processo. Para isso, o catalisador à base de carbono foi produzido de forma a apresentar a maior atividade catalítica e caracterizado. As reações foram conduzidas em diferentes condições de temperatura (60 - 80 °C), razão molar de n-propanol para ácido acético (1:1 - 3:1) e proporções dos catalisadores (5 - 10%). Os mecanismos cinéticos foram avaliados pelos modelos pseudo-homogêneo, Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal. A cinética homogênea assistida por pervaporação foi realizada com uma membrana produzida com poli(vinil álcool) (PVA). Um modelo matemático foi proposto a partir dos dados experimentais e usado na simulação das esterificações heterogêneas com pervaporação empregando os catalisadores produzidos. Os efeitos da razão entre área da membrana e volume inicial da reação e da proporção de catalisador sobre o desempenho do processo com pervaporação foram avaliados por meio da simulação. Os resultados demonstraram que o catalisador à base de carbono apresentou atividade catalítica e propriedades adequadas. O mecanismo da esterificação catalisada pela zircônia sulfatada foi descrito de forma satisfatória pelo modelo de Eley-Rideal com ácido acético adsorvido, enquanto o do catalisador à base de carbono, pelo modelo de Langmuir-Hinshelwood. O modelo proposto para a reação homogênea foi adequado e os resultados de ganho de processo indicaram que a pervaporação intensificou a reação em cerca de 12%. A membrana de PVA foi altamente seletiva à água. As simulações sugeriram que o parâmetro de área da membrana por volume de reação teve a maior influência sobre o desempenho do processo. Diante disso, tanto a zircônia sulfatada quanto o catalisador à base de carbono, proveniente de resíduo de palmito pupunha, foram eficientes na síntese de acetato de n-propila e a pervaporação com membrana de PVA apresentou potencial para intensificar a esterificação.

Abstract: Esters are compounds of great importance in the chemical and food industry, as they have a wide variety of applications. Among them, n-propyl acetate stands out, an ester with a fruity odor widely used as a solvent in fragrances and flavorings. The main form of chemical synthesis of esters is through Fischer esterification. It is a reaction with conversions limited by chemical equilibrium and, conventionally, is catalyzed by sulfuric acid, which can cause problems for the process and the environment. Therefore, the objective of this work was to evaluate the use of sulfated zirconia and a catalyst based on sulfonated carbon, derived from the residue of the peach palm heart processing, in the heterogeneous catalysis of n-propyl acetate, as well as the pervaporation technique in the process performance improvement. For this, the carbon-based catalyst was produced to present the highest catalytic activity, and it was characterized. The reactions were carried out under different temperature conditions (60 - 80 °C), molar ratio of n-propanol to acetic acid (1:1 - 3:1), and catalyst proportions (5 - 10%). Kinetic mechanisms were evaluated by pseudohomogeneous, Langmuir-Hinshelwood, and Eley-Rideal models. Pervaporationassisted homogeneous kinetics was performed with a membrane produced with PVA. A mathematical model was proposed from the experimental data and used in the simulation of heterogeneous esterifications with pervaporation using the produced catalysts. The effects of the ratio between membrane area and initial reaction volume and the proportion of catalyst on the performance of the process with pervaporation were evaluated through simulation. The results demonstrated that the carbon-based catalyst showed catalytic activity and adequate properties. The mechanism of esterification catalyzed by sulfated zirconia was satisfactorily described by the Eley-Rideal model with adsorbed acetic acid, while the carbonbased catalyst was described by the Langmuir-Hinshelwood model. The proposed model for the homogeneous reaction was adequate, and the process gain results indicated that pervaporation intensified the reaction by about 12%. The PVA membrane was highly water selective. Simulations suggested that the membrane area per reaction volume parameter had the greatest influence on process performance. Therefore, both the sulfated zirconia and the carbon-based catalyst from peach palm residue were efficient in the synthesis of n-propyl acetate, and the pervaporation with the PVA membrane showed the potential to intensify the esterification reaction.