Reatores Químicos e Transesterificação

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Reatores Químicos e Transesterificação 
SUMÁRIO 
 
1. Reatores Químicos e sua importância 
2. Tipos de Reatores Químicos 
3. Utilização dos reatores químicos 
4. Reatores utilizados na obtenção do biodiesel 
5. Matérias-primas para o biodiesel 
6. Produção de biodiesel no Brasil 
7. Atuação do Engenheiro Químico na Indústria de Biodiesel 
SUMÁRIO 
 
8. Rotas de produção de biodiesel 
9. Catálise heterogênea na obtenção de biodiesel 
Reatores químicos 
• Geral: recipientes onde ocorrem reações químicas 
• Indústria: equipamentos projetados para permitir a realização de 
reações químicas para obtenção de um ou vários produtos 
 
Importância dos reatores químicos 
• Permite a obtenção de produtos de grande importância econômica dentro de 
condições seguras, eficientes e viáveis economicamente 
• Ex.: Craqueamento catalítico do petróleo, produção de etanol, produção de tintas, polímeros, indústrias 
de produtos químicos em geral, produção de bebidas (cerveja. vinhos), tratamento de efluentes 
domésticos e industriais. 
Regime de operação dos reatores: 
 
 Descontínuo ou batelada: não há entrada nem saída de massa 
(reagentes ou produtos) durante o processo 
 
 Contínuo: há entrada e saída de massa durante o processo 
 
 Semicontínuo: há entrada de reagente durante o processo sem 
retirada de produto, ou então só há retirada de produto durante o 
processo 
 
 
Formas de operação dos reatores químicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
R, t=0 
R 
P 
Batelada Contínua 
SemiContínua 
R; t 
SemiContínua 
P; t 
Principais tipos de Reatores químicos: 
 Batelada 
 Contínuo de tanque agitado – Reator de Mistura 
 Tubular (contínuo) 
 Tubular com leito fixo (contínuo) 
 Leito fluidizado (contínuo) 
 
 
 
Principais tipos de reatores químicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) Batelada (b) Tubular (c) Mistura 
(d) 
(d) Tubular de Leito de Fixo 
(e) Leito 
Fluidizado 
C = f(t) C = f(y) 
y 
C = cte 
C = f(y) 
C = f(y) 
y 
y 
 Exemplos de Reatores Químicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mistura 
Sistema exaustão em carros Reator biológico de fluxo ascendente 
Tubular 
Características gerais dos reatores químicos 
• Controle de vazão (entrada/saída) 
• Controle de pressão 
• Controle de temperatura 
 
Associação de reatores contínuos: série ou paralelo 
 
 
 
Série Paralelo 
R 
P 
P 
R 
P 
R 
Utilização geral dos reatores químicos 
• Batelada 
 Reações que necessitam de agitação intensa 
 Obtenção de produtos com elevado valor agregado ou produção sazonal 
 Operações mais difíceis de converter em operações contínuas 
 Bastante usado em reações em fase líquida 
 Vantagens: altas conversões podem ser atingidas (flexibilidade de tempo de 
contato reagentes) 
 Desvantagem: alto custo de operação, dificuldade de produção em larga escala 
 Ex.: Produção de tintas, defensivos agrícolas, biodiesel, bebidas (fermentação) 
 
 
 
 
 
Utilização geral dos reatores químicos 
• Contínuo de tanque agitado - mistura 
 Reações que necessitam de agitação intensa 
 Bastante usado em reações em fase líquida 
 Vantagens: distribuição homogênea de T e C no reator, 
 Desvantagens: em geral tem menor conversão por volume de reator entre os 
reatores contínuos 
 
 
 
 
 
Utilização geral dos reatores químicos 
• Tubular 
 Muito usado para reações em fase gasosa 
 Usados na forma de tubos longos ou banco de tubos 
 Vantagens: alta conversão por volume de reator entre os reatores contínuos 
 Desvantagens: reações exotérmicas há formação de pontos quentes – difícil 
controle de temperatura no interior do reator 
• Tubular de leito fixo 
 Muito usado em reações em fase gasosa 
 Vantagens: mesmas do reator tubular 
 Desvantagens: formação de canais preferenciais no leito de cat 
Utilização geral dos reatores químicos 
• Leito fluidizado 
 Muito usado para reações em fase gasosa 
 Vantagens: boa distribuição de temperatura no leito, pode operar com grandes 
quantidades de alimentação e de sólidos 
 Desvantagens: alto custo do reator e regeneração do catalisador 
 Ex.: Craqueamento catalítico fluidizado de frações do petróleo separadas na 
destilação 
 
 
 
 
Principal tipo de reator químico na produção de 
biodiesel 
• Reator Batelada – Tanque agitado em batelada 
Metanol + KOH Óleo vegetal 
Biodiesel, glicerina e reagentes 
Matérias-primas para obtenção do biodiesel 
• Óleos vegetais, gorduras vegetais, gordura animal e resíduos de 
ácidos graxos 
Definição de óleos e gorduras 
• Substâncias insolúveis em água 
• De origem animal ou vegetal 
• Formadas principalmente de produtos de condensação entre 
glicerol e ácidos graxos: triglicerídeos 
• Ácidos graxos: 95 % do peso molecular dos produtos 
 
 
Diferenças entre óleos e gorduras 
 
Segundo a Resolução n° 270/05 da ANVISA (Agência 
Nacional de Vigilância Sanitária): 
 - gorduras: triglicerídeos sólidos a 25 °C 
 - óleos: triglicerídeos líquidos a 25 °C 
Óleos e gorduras vegetais 
 Encontrados nas sementes de diversas plantas; 
Constituídos principalmente de triglicerídeos (triésteres ou triacilgliceróis) 
Ésteres formados a partir de ácidos 
carboxílicos de cadeia longa (ácidos 
graxos) e glicerol 
(triálcool) 
Onde, R1, R2 e R3 são ácidos carboxílicos 
de cadeia longa 
Óleos e gorduras vegetais 
Tabela. Algumas oleaginosas e conteúdos de óleo(1) 
Oleaginosas Teor de óleo (%) 
Soja 18-20 
Girassol 35-45 
Algodão 18-20 
Babaçu 60-65 
Polpa de palma (dendê) 45-50 
Mamona 45-50 
Canola 40-45 
Seleção dos óleos e gorduras para a produção de biodiesel 
Alguns fatores que interferem na escolha da matéria-prima: 
 
• Composição  propriedades físico-químicas 
 
• Disponibilidade de variedade desenvolvida da planta para cultivo 
 
• Produtividade por área 
 
• Disponibilidade do óleo vegetal no mercado 
 
• Custo de produção do óleo vegetal e do biodiesel: a matéria-prima pode chegar a 70 % do 
custo de produção, segundo dados dos EUA(2) 
 
 
Consumo atual de matérias-primas para a produção de biodiesel 
80%
15%
5% soja
sebo
outras
oleaginosas
Outras oleaginosas: dendê, girassol, mamona. 
Produção de Biodiesel no Brasil 
• Produção do Brasil em 2012: 2,7 milhões de m3 (ANP) 
• Principais estados produtores: Goiás, Mato Grosso, Rio Grande do Sul e 
São Paulo 
• Região Centro-oeste e Sul maiores produtoras, depois a região Sudeste 
 
Atuação do Engenheiro Químico em uma Indústria 
de Biodiesel 
Inicialmente: 
• Supervisionando o processo de produção 
• Supervisionando o laboratório de análises químicas: controle de 
qualidade da matéria-prima e produto final 
 
 
 
 
Rotas de Obtenção do BIODIESEL 
Transesterificação 
R1 C
O
OR'
C
C
C
H
H
H
H
H
O
O
O
C
C
O
O
R2
R3
R2 C
O
OR'
R3 C
O
OR'
C
C
C
H
H
H
H
H
OH
OH
OH
R'OH
excesso
Catalisador
C
O
R1
R’OH: metanol 
Catalisadores: KOH, NaOH, 
H2SO4 
Esterificação 
R’OH: metanol 
Catalisadores: - ácidos: 
H2SO4 
Ácido graxo Alquiléster 
R C
O
OH
H2OR3 C
O
OR'
R'OH
excesso
Catalisador
3 
Espécie ativa para 
catálise básica: 
KOCH3, NaOCH3 
• Os triglicerídeos devem estar isentos de ácidos graxos livres (<0,5 
%) 
• Álcalis mais usadoscomo catalisadores: hidróxidos, carbonatos e 
alcóxidos de sódio e potássio. 
• 1 NaOH / 100 Óleo / 20 álcool (em massa) 
• 1 NaOH / 5 Óleo / 25 álcool (em mol) 
Catálise alcalina: 
Características das Reações Químicas de Produção Biodiesel 
 
 Reações químicas reversíveis - excesso de um dos reagentes: álcool – metanol 
 
 Catalisadores: básicos ou ácidos dependendo do tipo de reação 
 
 
 Reações heterogêneas - Sistema heterogêneo – duas fases (metanol e óleo de soja) 
 
 
 Para atingir um teor de biodiesel (ésteres) para uso como combustível – reações são realizadas mais de uma 
vez com a fase contendo o óleo vegetal e ésteres 
 
Processo Industrial : 5 % KOH, relação molar Metanol: óleo (5:1) 
Rendimentos – teor de biodiesel 
Transesterificação > 95 % - Reciclagem de no min. 3 x para Rend. > 97 % 
 Esterificação > 95 % - Reciclagem de no mín. 5 x para Rend. > 97 % 
Glicerina: 5 a 10 % (m/mbiodiesel) 
O
R1
OH
+
OR2O
R1
R2 OH
catalisador
H2O
Biodiesel 
Problemas: água e ácidos graxos levam à formação de emulsões 
O
R1
O-
+ Na+
O
R1
OH
+ NaOH
Processos de produção do BIODIESEL 
Catálise heterogênea 
• Facilidade na separação do glicerol: menor formação de 
emulsões – não tem base no meio 
• Simplicidade na purificação dos produtos, menos resíduo 
de catalisador nos produtos 
• Reutilização dos catalisadores