UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ESCOLA DE QUÍMICA – CT

Síntese de Acetato de Isoamila

Disicplina: EQE – 598 – Laboratório de Engenharia Química

Professor: Daniel Barreto

Grupo:

Ana Duarte – DRE:

Conrado Monteiro – DRE: 109050980

Felipe di Napoli – DRE:

Mariana Fonseca Bezerra – DRE: 112198917

Junho/2014

1. Introdução

1.1 Propriedades e característicasO acetato de isoamila é um líquido incolor e com odor agradável de frutas. É obtido através da reação de esterificação entre o álcool isoamílico e o ácido acético na presença de catalisador. É um solvente de médio ponto de ebulição.

1.2 Estrutura Química

1.3 Principais Aplicações

O acetato de isoamila é utilizado:

Na preparação de lacas nitrocelulósicas, resinas etilcelulósicas, acetobutiratos de celulose; Formulação de thinners, tintas para impressão e acabamento; Componente de formulação para a indústria de couros; Em fragrâncias (perfumes) e aromas (essências).

1.4 Meio-ambiente e saúde

O contato com os olhos pode causar forte irritação e a aspiração de vapores pode causar irritação do trato respiratório, podendo, em altas concentrações, causar sonolências e náuseas. A ingestão irrita o trato digestivo superior, provoca náuseas e pode levar à absorção do produto pela corrente sanguínea. Resseca a pele e é irritante moderado para as mucosas. Deve ser mantido distante de calor, chamas e centelhas; o ambiente deve ser mantido ventilado.

2. Materiais utilizados:

- Balão de Fundo Redondo de 500 mL;

- Barra magnética;

- Agitador magnético com aquecimento;

- Condensador;

- Dean Stark;

- Pérolas de vidro;

- Bechers;

- Erlenmeyers;

- Provetas;

- Funil de líquido;

- Garras e muflas;

- Termômetro;

- Bastão de Vidro;

- Papel de Filtro;

- Funil de Decantação;

- Manta Aquecedora;

- Unidade de Refluxo;

3. Métodos utilizados:

A síntese do acetato de isoamila foi realizada através da utilização de um reator com aquecimento, favorecendo a retirada de água do meio e, portanto, deslocando o equilíbrio da reação para o sentido dos produtos gerados.

Os materiais descritos na seção 2 foram arrumados em um sistema de modo a formar um destilador com separação de produtos através do Dean Stark, seguindo o design da figura 1 abaixo:

Figura 01: Destilador com separação de produtos (SEV mexico).

A metodologia da reação para a produção do éster foi a já conhecida esterificação de Fischer, onde ácido reage com álcool, através de um catalisador ácido (ácido sulfúrico neste estudo), tendo a formação de éster e água.

A reação de síntese foi realizada com excesso de álcool, visando o deslocamento do equilíbrio no sentido dos produtos. Esta rota foi escolhida devido à sua facilidade nas separações posteriores à reação. Além disso, como o álcool em excesso é recolhido no Dean Stark, o mesmo poderá ser reutilizado em reações futuras, sem perdas consideráveis de insumos.

Após a decisão de se utilizar álcool em excesso, foi realizada pesquisa em literatura. Utilizando o Handbook de engenharia química do Perry. Pode-se notar a presença de dois azeótropos binários:

Água/álcool

Azeótropo gerado a T= 98°C. sua composição de saída é XXX% de água e XXX% de álcool.

Álcool/Éster

Azeótropo gerado a T= 129°C. sua composição de saída é 95% de álcool e 5% de éster.

Tendo isto em mente, o aparato de destilação incluindo o Dean Stark descrito acima foi preparado, primeiro a 98°C, para retirar o azeótropo de água/álcool, onde o álcool recolhido será reutilizado em outra batelada do processo. Posteriormente, a temperatura foi aumentada para 129°C visando a retirada de qualquer álcool residual na forma do azeótropo álcool/éster.

Após este procedimento, o produto bruto encontra-se no balão, necessitando ainda tratamento cáustico, para retirar grupos ácidos remanescentes e posterior secagem química, para retirar traços de água.

O tratamento caustico, descrito na figura 2, é feito a partir de uma lavagem do produto obtido com uma solução de bicarbonato de sódio 5% (p/v). A lavagem é realizada em funil de

decantação e sua parada é realizada quando o Rejeito de solução de bicarbonato de sódio ainda se encontre com pH levemente básico.

Figura 02: Funil de separação do sistema éster/Bicarbonato.

Posterior ao tratamento cáustico, é realizada a secagem química, visto que durante a lavagem pode-se ter uma quantidade de água perdida para o produto bruto. O procedimento é apenas a adição de sulfato de sódio anidro á solução do éster bruto. Em presença de água o sulfato modifica sua forma química, englobando as moléculas de água. A parada deste procedimento é visual, ou seja, quando os grãos de sulfato não mais expandirem ao tamanho de flocos, toda a água residual já foi retirada do meio.

4) Resultados e Discussão

4.1) Mecanismo da Reação

A reação de síntese do acetato de isoamila envolve o mecanismo da catálise ácida. A reação que ocorre entre um álcool (3-metil-1-butanol, IUPAC) e um ácido carboxílico (ácido acético) para produzir um éster (etanoato de 3-metilbutil, IUPAC) é denominada de esterificação de Fischer. Segue o mecanismo da reação:

Na primeira etapa, ocorre protonação do ácido acético pelo ácido sulfúrico formando carbocátion. Já na segunda etapa, ocorre ataque nucleofílico do oxigênio do álcool isoamílico (3-metil-1-butanol) ao carbocátion, deixando o átomo de oxigênio com carga positiva.

Na terceira etapa, há eliminação de uma molécula de água do composto formado na etapa anterior. Em seguida, na quarta etapa, ocorre também eliminação de H +, regenerando o catalisador.

4...) Fluxograma do Processo

O fluxograma (em anexo)proposto neste trabalho foi baseado nas operações realizadas em laboratório. Utilizando os conhecimentos em engenharia adquiridos pelo grupo ao longo do curso e dados da literatura, projetou-se o processo, utilizando o software Microsoft Visio, que será explicado a seguir:

O processo basicamente consiste em um reator de mistura perfeita do tipo CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), cujo TAG é “E1” no fluxograma, duas colunas de destilação (E2 e E3) cujo objetivo é separar os azeótropos formados; um tanque de neutralização (E4), onde se visa equilibrar as cargas da solução; um decantador (E5), onde a fase aquosa é separada da fase orgânica e, finalmente, outra coluna de destilação (E6), voltada exclusivamente para purificação do produto final.

Os reagentes são alimentados ao reator CSTR (E1) através das linhas R1 e R2, para álcool isoamílico e ácido acético, respectivamente. As vazões da alimentação são controladas pelas válvulas V1 e V2. Por questões operacionais, trabalhou-se com ligeiro excesso de álcool

isoamílico. O reator possui camisa de aquecimento, pois de acordo com a cinética da reação, é possível perceber que se trata de uma reação ligeiramente endotérmica. Estudos indicam que os efeitos térmicos são muito pequenos, porém por se tratar de uma reação de equilíbrio, ao elevarmos a temperatura da reação estaremos aumentando a produção de éster. A linha R3 refere-se ao catalisador, sem o qual a ocorrência da reação seria inviável. Embora haja relatos onde altos graus de conversão atingidos utilizando-se catalisadores heterogêneos, optou-se pelo uso de ácido sulfúrico (3%) como catalisador. Na indústria, porém, é comum o uso de resinas como catalisadores.

A corrente C1 de descarga do reator contém uma mistura quaternária formada por álcool amílico e ácido acético residuais (sabendo-se que a conversão é menor que 100%) e os produtos acetato de isoamila e água. Esta corrente possui uma particularidade, a saber, a formação de dois azeótropos: (1) álcool isoamílico + água e (2) álcool isoamílico + acetato de isoamila. Na coluna E2 objetiva-se separar o primeiro azeótropo (1) que destila à temperatura de 98°C. Faz-se passar esta corrente por um condensador (E5) a fim de explorar as propriedades dos componentes do azeótropo. Isto é, quando em fase líquida, o álcool isoamílico é apenas ligeiramente solúvel em água, podendo ser separado por decantação (E10) e realimentado ao reator (corrente C5), aumentando a produção de éster. A solução aquosa é enviada para unidade de tratamento de água (E7), pela corrente (C15).

O produto de fundo (corrente C3) da coluna E2 é composto pelo segundo azeótropo (2) e certa quantidade de álcool, água e ácido acético que não reagiu. Esta corrente é encaminhada para a segunda coluna de destilação (E3), onde o azeótropo (2) é destilado à 129°C com composição igual a 97,4% de álcool isoamílico e 2,6% de éster. Esta corrente (C5) também é realimentada ao reator, pela corrente (C14).

A corrente de fundo (C6) contendo o éster impuro é então levada a um tanque de neutralização, onde a mistura é tratada com solução de bicarbonato de sódio (C7) a fim de neutralizar os ácidos residuais. O tanque é dotado de agitador para garantir a homogeneidade do processo. Em seguida, a mistura é enviada através da corrente (C8) para um tanque decantador, onde as fases orgânica (éster) e aquosa (água+sais) serão separadas. A solução aquosa é retirada por baixo devido a maior densidade, pela corrente (C10), que será enviada para uma unidade de tratamento da água (E7). A água tratada foi bombeada (E8) através de um trocador de calor (E9) onde foi vaporizada e incorporada à corrente de alimentação da camisa de aquecimento do reator CSTR. O vapor de água é usado aqui como utilidade quente, visando à integração energética do processo.

Para garantir um elevado grau de pureza ao produto, a fase orgânica foi alimentada à coluna de destilação simples (E6), obtendo-se, no fundo da coluna, éster puro (teoricamente, 99%).

9.Conclusão:

Após a discussão dos dados obtidos no laboratório podemos concluir os principais pontos obtidos:

Não apresentam reagentes ou produtos de altos níveis toxicológicos ou com baixo ponto de inflamabilidade, portanto, a rota se mostra segura para a utilização na indústria química.

Baixa perda de reagentes, ou seja, devido aos reciclos utilizados, grande parte dos reagentes retirados pode ser diretamente reaproveitados na próxima batelada

Facilidade do controle sobre os reatores. Por utilizar tecnologias bastante utilizadas na indústria química, como reatores encamisados e controladores térmicos, sua operação seria simples e de fácil controle em comparação a projetos visualizados na literatura que utilizam equipamentos novos.

Alto rendimento da reação. A reação em escala laboratorial atingiu cerca de 95% do rendimento teórico esperado para a reação.

Portanto, como o objetivo do curso era criar uma rota química segura, com reciclos, sem toxidade e viável, pode-se avaliar que este projeto atende a todas as especificações exigidas no inicio do curso.

10. Bibliografia

http://www.br.com.br/wps/wcm/connect/28c0aa0043a7a2dd81c58fecc2d0136c/ft- quim-oxi-acetato-isoamila.pdf?MOD=AJPERES – acessado em 10/06/2014

http://www.sevmexico.com/gestor/grupos/categorias/productos/images/138_gr.jpg – acessado em 10/06/2014

Perry’s Chemical Engenieers’s Handbook, Setima edição. LIMA, Carolina A. De. et al, "PREPARAÇÃO DO ACETATO DE 3-METIL-1-BUTILA

(ACETATO DE ISOAMILA) A PARTIR DE UMA REAÇÃO DE ESTERIFICAÇÃO DE FISHER", Universidade Federal do Pará, 2010.

CHIANG, Sheng-Feng et al, "Design Alternatives for the Amyl Acetate Process: Coupled Reactor/Column and Reactive Distillation", Ind. Eng. Chem. Res., 2002, 41 (13).