Faculdade de Engenharia da Universidade do...

Ácido Benzóico - Projeto FEUP 1/16

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Ácido Benzóico

Projeto FEUP 2014/2015- Mestrado Integrado em Engenharia Química:

Prof. Armando Sousa e Prof. Manuel Firmino Prof. João Bastos

Equipa Q1FQI02_2:

Supervisor: Prof. João Bastos Monitor: Hélder Nunes

Estudantes & Autores:

Ana Catarina Alves [email protected] Cândido Xavier [email protected]

Inês Pintão [email protected] João Cunha [email protected]

Marcelo Oliveira [email protected] Sofia Paixão [email protected]

mailto:[email protected]





mailto:up201403040@


Resumo

No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, Mestrado Integrado em Engenharia

Química, elaborou-se o presente relatório, cujo tema primordial é o ácido benzóico.

Associado a este tema, é indispensável abordar o processo químico que está na base da

sua produção, bem como as suas aplicações, precauções, influência no mercado mundial,

um pouco da sua história entre muitos outros tópicos.

O ácido benzóico é um composto aromático, nomeadamente um ácido carboxílico, cuja

fórmula molecular é (C6H5COOH). Foi descoberto no séc. XVI e hoje constitui uma matéria-

prima na produção de fenol e algumas outras substâncias. Para além disso, tem inúmeras

aplicações associadas tais como a produção de fármacos, cosméticos, plásticos, e até na

indústria alimentar.

É possível obter ácido benzóico na natureza (através da essência do benjoeiro), no

entanto, essa via não é suficiente para satisfazer as necessidades do homem. Deste modo,

foram implementados inúmeros processos para a sua obtenção, destacando-se a oxidação

do tolueno com oxigénio molecular. Este é um processo de baixo custo e elevado

rendimento, constituindo assim o processo mais viável nos dias de hoje.

Atualmente, o ácido benzóico é produzido e comercializado mundialmente, sendo na

Europa e nos EUA que se encontram as maiores produtoras.

Palavras-Chave

Ácido benzóico; Tolueno; Abbas Hassan; Benzeno; Cloreto de Metanoíla;

Carbonatação; Bromobenzeno; Hidrólise; Benzonitrilo; Benzamida.


Agradecimentos

Ao longo da elaboração do presente relatório, o Professor João Bastos e o nosso

monitor, Hélder Nunes, revelaram-se cruciais para a correta realização do mesmo. Ambos

se mostraram sempre disponíveis para esclarecer qualquer tipo de questão e elucidar-nos

acerca do tema. Deste modo, o grupo gostaria de agradecer a sua colaboração e de

salientar que esse auxílio constituiu uma mais valia para a realização do presente relatório.


Índice

Lista de figuras ............................................................................................................... 5

1. Introdução ............................................................................................................... 6

2. Estado de arte ........................................................................................................ 8

2.1 Processos de produção ..................................................................................... 8

2.1.1 Principal processo......................................................................................... 10

2.3 Mercado mundial e aplicações ......................................................................... 12

2.3.1 Aplicações .................................................................................................... 12

2.3.2 Mercado ........................................................................................................ 12

3. Conclusões ........................................................................................................... 14

4. Referências bibliográficas ..................................................................................... 15


Lista de figuras

Representação em linhas de ligação da molécula de ácido benzóico – Figura 1, página 9

Diagrama processual do ácido benzóico patenteado por Abbas Hassan – Figura 2, página

10


1. Introdução

O ácido benzóico é um composto aromático e, portanto, orgânico, pertencendo à família

dos ácidos carboxílicos mais simples (um grupo carboxilo ligado a um anel benzénico).

Descoberto no século XVI, foi assim denominado por ter sido obtido através da essência

do benjoeiro (árvore existente na Sumatra, Indonésia). Mais tarde, em 1832, foi descoberta

a composição do ácido benzóico por Justus von Liebig e Friedrich Wöhler. Já no século XIX

foram descobertas algumas aplicações quotidianas deste composto, tais como a sua

capacidade antifúngica.(Cardoso 2014; Wikipedia 2014)

Grande parte do ácido benzóico que se obtém através dos inúmeros processos

existentes é utilizado como matéria-prima na produção de fenol. A outra pequena parte é

comercializada no mercado.(Cardoso 2014; Wikipedia 2014)

Para além dos processos industriais, o ácido benzoico pode ser encontrado na

Natureza - nomeadamente em frutas tais como ameixas, morangos, amoras, framboesas e

groselha - em bálsamos, resinas e, principalmente, na casca de árvores do género Styrax,

como o benjoeiro.(Cardoso 2014; Wikipedia 2014)

O ácido benzoico apresenta um aspeto de cor branca e formato de cristais em

agulha, ou então, em pó, além disso, tem um odor agradável e fraco. Acrescentam-se ainda

as seguintes propriedades:

Densidade: 1.32 g/cm3

pH: 2.8 (Solução saturada a 25oC)

Ponto de ebulição: 249oC

Ponto de fusão: 122oC

Densidade relativa do vapor (Ar=1): 4.2

Solubilidade na água a 20oC: 0,29 g/mL

Pressão de vapor a 25oC: 0,1 Pa

Temperatura de auto-ignição: 570oC

(QUÍMICA 2014)

Como muitos compostos orgânicos, o ácido benzóico apresenta vários riscos inerentes

à sua utilização. Entre eles, destaca-se a irritabilidade não só ocular mas também do

sistema respiratório, estômago e pele, podendo provocar também alergias. Deste modo, é

fundamental estarmos cientes dos procedimentos a realizar em caso de acidente. O

procedimento correto para este tipo de situações é a lavagem abundante com água e, em

casos mais extremos, a recorrência a um especialista.

Como consequência dos perigos a este composto associados, é necessário tomar

medidas de prevenção que incluem o modo de armazenamento e manuseamento do


mesmo. Assim, o ácido benzóico deve ser sempre armazenado num recipiente fechado,

fresco e bem ventilado, que se encontre livre de humidade e afastado de fontes de ignição.

É também importante preveni-lo de descargas electroestáticas. Relativamente ao modo de o

manusear, é aconselhado o uso de equipamentos de proteção adequados que permitam

evitar condições poeirentas, a dispersão pelo vento e o consequente contacto com os olhos,

pele e roupa.

No âmbito da Segurança Química, a OMS (Organização Mundial de Saúde) sugeriu,

para os seres humanos, uma ingestão tolerável provisória de 5mg/kg de peso corporal por

dia. Associado a este problema, foi realizado um inquérito de saúde em 2010, em Taiwan,

em que 30% da comida seca e pickles testada revelou ter excesso de ácido benzóico, o que

pode provocar danos ao nível do fígado e rins.

No entanto, não existem grandes riscos associados ao meio ambiente dado que este

composto apresenta elevada capacidade de biodegradação e, consequentemente, baixo

nível de bioacumulação.


2. Estado de arte

2.1 Processos de produção

O ácido benzóico é um composto orgânico, mais precisamente, um ácido carboxílico,

quer isto dizer que possui um grupo carboxílico, como mostra a Figura 1:

Como é possível verificar, a sua fórmula química é C6H5COOH.

Como composto orgânico que é, ocorre livremente na natureza.

O ácido benzóico é um composto orgânico simples, no entanto constitui um dos

materiais mais importantes, não só pelas suas características físicas, aliadas às suas

aplicações, mas também por ser a base de produção de inúmeros compostos orgânicos.

Naturalmente, este ácido ocorre em plantas, mas como já é esperado, a natureza

não consegue fornecer a quantidade necessária desta substância de modo a satisfazer as

crescentes exigências da sociedade. Desta forma, foi necessário, e continua a ser, que os

engenheiros químicos projetem, otimizem e operem processos que consigam rentabilizar

as matérias-primas de menor valor industrial e as transformem neste produto, que possui

muitas potencialidades.

Como acontece para grande parte dos produtos químicos, há uma enorme necessidade

de ter cada vez mais e melhores processos químicos para produzir certas substâncias. O

ácido benzóico não é uma exceção.

Devido às suas características, começou a ser necessário produzir grandes quantidades

e isso só foi possível através do estabelecimento de processos químicos.

Figura 1- Representação em linhas de ligação da

molécula de ácido benzóico.


Existem vários processos químicos para a produção do ácido benzoico, sendo que o

principal processo é a oxidação do tolueno, o qual irá ser aprofundado no capítulo 2.1.1.

Para além deste processo existem outros que não são tão recorrentes na produção

industrial, devido aos elevados custos e baixos rendimentos, comparativamente ao processo

de oxidação do tolueno. Esses processos, que podem ser considerados secundários, serão

então enumerados e brevemente explicados em baixo:

Reação de Benzeno com Cloreto de Metanoíla:

Um dos processos através do qual é possível obter ácido benzoico é através da

reação entre o benzeno (C6H6) e o cloreto de metanoíla (HCOCl). O primeiro composto que

se obtém é o benzaldeído (C6H5CHO) e ácido clorídrico, que se forma por adição de um

catalisador (cloreto de cobre (I) (Cu2Cl2) ou cloreto de alumínio (Al2Cl6).

Posteriormente, o benzaldeído sofre oxidação, dando origem ao ácido benzóico. A

seguinte equação traduz a formação deste composto(Wikipedia 2014a):

C6H6 + HCOCl

Al2Cl6/Cu2Cl2→ C7H6O + HCl

(1)

C6H5CHO + 3O → C6H5COOH + H2O (2)

Carbonatação do Bromobenzeno:

Outro processo, não tão usado, é através do Bromobenzeno (C6H5Br), o qual pode ser

convertido em ácido benzoico por carbonatação do intermediário brometo de fenilmagnésio

(C6H5MgBr) pelas seguintes reações(Wikipedia 2014a):

C6H5MgBr + CO2 → C6H5CO2MgBr (3)

C6H5CO2MgBr + HCl → C6H5CO2H + MgBrCl (4)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Benzeno

http://pt.wikipedia.org/wiki/Benzalde%C3%ADdo

http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_clor%C3%ADdrico


Hidrólise de Benzonitrilo e Benzamida:

A benzonitrilo e a benzamida podem ser hidrolisadas a ácido benzoico ou a sua

base conjugada em condições ácidas ou básicas(Wikipedia 2014b; Wikipedia 2014c). No

entanto, não conseguimos encontrar nenhuma informação sobre a reação de formação do

ácido benzoico através da hidrólise. Então, fazendo uso da Química Orgânica, propomos

como possíveis reações de formação de ácido benzoico a partir da hidrólise de benzonitrilo

e benzamida as seguintes(Santos 2013):

Hidrólise do Benzonitrilo

Hidrólise da Benzamida

C7H7NO + H2O + HCl → C6H5COOH + NH4Cl (6)

2.1.1 Principal processo

A forma mais eficiente de produzir ácido benzóico é a oxidação do tolueno com oxigénio

molecular, uma vez que se usa matérias primas relativamente baratas, nomeadamente o

tolueno e catalisadores de cobalto. Por outro lado revela-se opção ambientalmente viável,

para além de que tem bons rendimentos. Embora este processo seja o mais usado, ele não

produz apenas ácido benzóico, mas produz também quantidades apreciáveis de

benzaldeído. (Aspects 2012)

Sabemos que a Engenharia Química sofreu um grande avanço durante a Segunda

Guerra Mundial e foi precisamente durante esse intervalo de tempo que a empresa I.G.

Farbenindustrie desenvolveu o processo supracitado. (Aspects 2012)

Até os dias de hoje, este processo sofreu algumas alterações. Assim, actualmente a

produção deste ácido ocorre a uma temperatura 165ºC e a uma pressão de 0.9 MPa.

Nestas condições, o rendimento é cerca de 90%, tornando o processo economicamente

viável. (Aspects 2012)

A Figura 2 representa a patente desenhada por Abbas Hassan do seu diagrama

processual de produção de ácido benzóico.

C7H5N + 2 H2O + HCl → C6H5COOH + NH4Cl (5)


Figura 2 - Diagrama processual do ácido benzóico patenteado por Abbas Hassan.

Como é percetível, as correntes de alimentação são: oxigénio, ou simplesmente ar, e

tolueno, que é introduzido na corrente através de uma bomba. (Land and Rayford 2009)

De seguida, a corrente de oxigénio e tolueno dá entrada num reator de agitação, que

tem 2 grandes funções: por um lado, reduz o tamanho das partículas, e por outro “consegue

dispersar e transportar o oxigénio para dentro da fase líquida, que é constituída por tolueno”.

Durante esta etapa, consegue-se produzir alguma quantidade de ácido benzóico. (Land and

Rayford 2009)

De seguida, esta mistura é enviada para um reator onde, juntamente com

catalisadores de cobalto, se dá a maior parte da conversão dos reagentes em ácido

benzóico. Esta reação tem um bom rendimento, devido às condições de temperatura e

pressão envolvidas, mas também devido aos catalisadores e às pequenas dimensões das

partículas, razão pela qual temos um reator de agitação previamente a este reactor. (Land

and Rayford 2009)

Através da análise do diagrama compreendemos que na parte superior do reator, sai

oxigénio que não reagiu, azoto e outros gases, resultantes quer do ar, quer de possíveis

reações secundárias. (Land and Rayford 2009)

De seguida, uma mistura contendo 20% a 35% de ácido benzóico é aquecido

previamente, através de um permutador de calor, para depois ser conduzida a uma coluna

de fracionamento, onde se dá a destilação fracionada, separando o ácido das outras


espécies químicas. É de notar que o ácido benzóico tem um ponto de ebulição de 249ºC,

enquanto o tolueno tem um ponto de ebulição de 110,6ºC. (Land and Rayford 2009)

Como tal, o ácido benzóico encontra-se na parte descendente da coluna, enquanto

que o tolueno que não reagiu é enviado para o condensador, para passar do estado gasoso

ao estado líquido; depois é armazenado num acumulador. No entanto, encontra-se aqui um

problema, que é o facto de haver duas fases líquidas imiscíveis, uma orgânica e uma

aquosa. Estas são separadas de modo que seja possível reciclar o tolueno, para mais tarde

reintegrar a corrente de alimentação do processo, diminuindo, assim, os custos de obtenção

dos reagentes. (Land and Rayford 2009)

2.3 Mercado mundial e aplicações

2.3.1 Aplicações

Aplicações:

O ácido benzóico e os seus derivados apresentam inúmeras aplicações nos mais

variados ramos industriais:

1. Indústria alimentar:

a. Conservantes (devido às suas propriedades antimicrobianas);

b. Aromatizantes;

c. Óleo de amêndoa amarga.

2. Indústria farmacêutica:

a. Cosméticos;

b. Medicamentos, em especial antifúngicos;

c. Como componente de alguns dentífricos.

3. Corantes;

4. Resinas;

5. Indústria dos plásticos;

6. Perfumes.

2.3.2 Mercado

A produção de ácido benzóico está relativamente espalhada por todo o mundo.

No entanto, existem certas empresas e regiões onde a sua produção é mais


significativa, sendo estas consideradas as grandes produtoras. Essas empresas são a

holandesa DSP, as norte-americanas Velsicol Chemical e Emerald Kalama Chemical, e a

chinesa Wuhan. Acrescenta-se que a Velsicol tem fábricas de produção na Estónia e a DSP

em Roterdão. Estas últimas têm, portanto, um espaço de comercialização bastante

importante no Espaço Económico Europeu (EEE). (Partes 2009)

O ácido benzóico é comercializado no estado sólido ou líquido, com grau de maior ou

menor pureza. Os seus derivados, como o benzoato de sódio ou outros produtos à base de

benzoato, por exemplo, têm também uma grande importância comercial. Uma das

aplicações exemplo do ácido benzóico de elevada pureza é para utilização na alimentação

animal. (Partes 2009)

Geograficamente, o mercado mais relevante para o ácido benzóico no estado sólido

abrange o EEE, os EUA e a Ásia, representando estas regiões praticamente toda a

produção mundial. (Partes 2009)

O mercado de comercialização do ácido benzóico sólido pertence maioritariamente ao

território do EEE pelas seguintes razões: os maiores níveis de produção registam-se no

EEE, sendo a importação proveniente da China e EUA insignificativa na última década; a

qualidade de produto produzido no EEE é superior à qualidade do produzido na China, de

acordo com as escolhas dos consumidores; os impostos e custos de transporte constituem

um entrave razoável em relação à comercialização de produtos não europeus. (Partes 2009)

Relativamente à produção industrial deste composto, verifica-se uma produção de cerca

de 560.000 toneladas anuais das quais 75% é destinado à produção de fenol, 10% para a

produção de benzoato de sódio e os restantes 5% para a síntese química de plastificantes.

(OECD, 2001)


3. Conclusões

Perante a realização deste trabalho foi possível inferir aspetos importantes sobre o

composto orgânico, ácido benzóico.

Primeiramente foram investigados os aspetos básicos deste composto orgânico tal

como a sua proveniência a nível natural, uma vez que este pode ser encontrado em certas

frutas, resina, bálsamos e principalmente em cascas de árvore do tipo benjoeiro. Foram

também analisadas as propriedades físicas e químicas deste composto bem como os riscos

e as precauções a tomar perante o seu manuseamento.

De seguida, foi dado destaque aos processos industriais dos quais pode ser obtido o

ácido em questão, sendo este principalmente obtido a nível industrial através da oxidação

do tolueno com oxigénio molecular. Este processo revela ser o mais rentável e produtivo

uma vez que são usados reagentes relativamente baratos, como o tolueno (matéria-prima) e

catalisadores de cobalto.

Por último foram analisadas as aplicações e os mercados mundiais do ácido benzóico,

podendo concluir-se que este é utilizado em variadas indústrias como por exemplo, em

conservantes na indústria alimentar, em medicamentos antifúngicos e, principalmente, a

nível farmacêutico e em perfumes. Em relação aos mercados mundiais foi possível inferir

que os principais países produtores do composto estão situados no EEE, nos Estados

Unidos da América e na China. Para além disso, este produto tem uma quantidade

produção elevada, excedendo as 500 000 toneladas/ano, destinando-se a vários fins, sendo

o principal a produção de fenol.


4. Referências bibliográficas

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http://pt.wikipedia.org/wiki/Benzalde%C3%ADdo. (10-10-2014)

14. Wikipedia. Benzoic acid. Disponível em:

http://en.wikipedia.org/wiki/Benzoic_acid. (10-10-2014)

15. Wikipedia. Benzonitrila. Disponível em:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Benzonitrila. (09-10-2014)

16. Wikipedia. Benzamida. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Benzamida.

(09-10-2014)

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