BR102017007842A2 - Procedure for producing a multifunctional product, device for applying the procedure and product obtained with the such procedure - Google Patents

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Abstract

procedimento pelo qual a matéria-prima, um gás que compreende principalmente hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono são introduzidos em um primeiro reator, juntamente com um catalisador, em que acontece uma ou mais reações através da quais se obtém metanol ou éter dimetílico, ou ambos, que são introduzidos em um segundo reator em que se adicionam oxigênio e um catalisador, obtendo-se formaldeído e, em menor parte, éter dimetílico, sendo que pode existir ainda um excesso de água, em que a água é extraída do processo e o restante de produtos é introduzido no terceiro reator com, opcionalmente, um aditivo, e são expostos a catalisadores sob um ambiente de temperatura média e pressão, para que sejam produzidos três ou quatro grupos de reações químicas que, após a extração da maioria da água gerada como resíduo durante o processo, produz como resultado um produto líquido multifuncional que pode ser utilizado como dissolvente, agente espumante ou como combustível oxigenado; sendo que o dito produto, normalmente líquido, compreende ésteres polioximetilenodimetílicos com fórmula molecular ch3o(ch2o)nch3, em que n tem um valor de 1 a 7.

Description

"PROCEDIMENTO PARA A PRODUÇÃO DE UM PRODUTO MULTIFUNCIONAL, DISPOSITIVO PARA APLICAR O DITO PROCEDIMENTO E PRODUTO OBTIDO COM O DITO PROCEDIMENTO" [0001] A invenção refere-se a: A) um procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, a partir de matéria-prima que compreende oxigênio, gás de síntese e um aditivo opcional, B) um dispositivo para a aplicação do procedimento pretendido, que compreende pelo menos três reatores em série onde são produzidos, no máximo quatro e no mínimo três grupos de reações, e C) o produto finalmente obtido através desse procedimento.
[0002] Durante o procedimento, a matéria-prima introduzida em um primeiro reator compreende gás de síntese, que principalmente contém monóxido de carbono e hidrogênio, a matéria-prima introduzida em um segundo reator compreende principalmente oxigênio e a matéria-prima introduzida em um terceiro reator compreende um aditivo opcional, e são expostos a catalisadores sob um ambiente de temperatura média e pressão para que sejam produzidos três ou quatro grupos de reações químicas que, após a extração da maioria da água gerada como resíduo durante o processo, produzem como resultado um produto líquido multifuncional que pode ser utilizado como dissolvente, agente espumante ou como combustível oxigenado; sendo que o dito produto, normalmente líquido, compreende ésteres polioximetilenodimetílicos com fórmula molecular CH30(CH20)nCH3 em que n tem um valor de 1 a 7.
[0003] A partir deste ponto, o produto obtido junto com os seus subprodutos derivados, que também são líquidos à temperatura ambiente e pressão atmosférica, tais como metanol e vestígios de água, entre outros, será denominado como produto multifuncional, podendo-se diminuir a sua fração correspondente a subprodutos, através de uma destilação fracionada, e também pode-se melhorar a sua estabilidade química modificando seu PH através da incorporação e controle do aditivo opcional no último grupo de reações.
FUNDAMENTOS
[0004] Os sistemas convencionais mais econômicos para converter o gás de síntese em um produto com características similares ao produto multifuncional ao que se refere à presente patente, são feitos através dos subprodutos do dito gás de síntese: via metanol e formaldeído ou via éter dimetílico e formaldeído.
[0005] A primeira via para produzir um produto similar ao produto multifuncional ao que se refere à presente patente, requer que primeiramente seja convertido o gás de síntese em metanol, com pressões de aproximadamente 6.000 kPa (60 bars) e a temperaturas de aproximadamente 250° graus centígrados, sendo que o dito gás é passado várias vezes pelo mesmo reator, devido ao fato de que a água gerada no processo limita a conversão do gás de síntese em metanol. Esse processo moderno para produzir metanol sob baixa pressão (LPM) foi desenvolvido no final de 1960.
[0006] Após a produção de metanol, é necessário o processamento do mesmo no reator à parte, com a pressão próxima da atmosférica, para ser dissociado em formaldeído e hidrogênio, a uma temperatura de aproximadamente 600° graus centígrados, utilizando como catalisadores cobre ou prata ou, oxidando-o com ar para convertê-lo em formaldeído e água a 280° graus centígrados, utilizando uma pressão próxima da atmosférica.
[0007] Por último, o formaldeído produzido se faz reagir com metanol aumentando a pressão para 2.000 kPa (20 bars), com uma temperatura aproximada de 250° graus centígrados em um processo de destilação reativa, utilizando resina de intercâmbio iônico como catalisador ácido e assim, formar um produto de características similares ao produto multifuncional.
[0008] Tem-se como exemplo desse processo a patente estadunidense de BP/AMOCO n° US 6.160.186. Porém, esse processo perde eficiência quando o gás de síntese, ao gerar água durante a produção do metanol, faz com que seja obtida uma porcentagem de conversão em metanol menor e, portanto, requer várias passadas pelo reator sob uma pressão de aproximadamente 6.000 kPa (60 bar), e depois de cada passada, esse metanol precisa perder pressão e ser resfriado para que seja possível extrair a água gerada no processo, visto que atua como limitante na conversão; para a separação anterior, geralmente é utilizado um processo de destilação denominado em inglês como destilação "flash", o qual é realizado a uma temperatura e pressão mais baixas do que a requerida para a síntese do metanol.
[0009] Portanto, para converter esse metanol em formaldeído, é necessário aquecer novamente o metanol, geralmente em presença de um agente oxidante como ar, oxigênio, água ou C02, e um catalisador apropriado. Uma vez oxidado o metanol em formaldeído, o mesmo deve ser resfriado e armazenado em um estoque que se localiza à parte da linha de processo para depois recuperá-lo desse estoque, aquecê-lo e injetá-lo ao mesmo tempo que o metanol, a uma pressão aproximada de 2.000 kPa (20 bars) e a uma temperatura próxima de 180° graus centígrados, para que os ditos produtos possam reagir em um processo conhecido como destilação reativa, utilizando-se resina de troca iônica como catalisador.
[0010] Outra forma conhecida para produzir um produto similar ao produto multifuncional é feita a partir de gás de síntese e oxigênio, menos convencional do que a primeira, mas com uma conversão maior, sendo que o gás de síntese é convertido diretamente em éter dimetílico a uma temperatura próxima de 250° graus centígrados, e com uma pressão média: de 2.000 a 4.000 kPa (20 a 4.000 kPa (40 bar)), depois é armazenado em um recipiente com uma pressão moderada e à temperatura ambiente, sendo que é extraído para ser combinado com formaldeído, tomado de alguma fonte em que esteja contido, ou que possa gerá-lo, para finalmente processar ambos os produtos, éter dimetílico e formaldeído, sendo aquecidos a uma temperatura de aproximadamente 180° graus centígrados, e submetidos a uma pressão de aproximadamente 2.000 kPa (20 bar), utilizando-se resina de troca iônica como catalisador.
[0011] Esse processo requer a produção do formaldeído, geralmente obtido do metanol, com os inconvenientes indicados na primeira forma, ou adquiri-lo de outros produtos que já contêm o aldeído, mas que são mais caros; ou em forma pura, tal como o caso do trioxano, do para-formaldeído e do formaldeído em solução com metanol ou água; sendo que essa última forma de obter formaldeído para produzir polioximetileno éter dimetílico é utilizada pelo processo desenvolvido pela BASF e refletido na patente estadunidense n° US 7.999.140 B2.
[0012] O produto multifuncional objeto da presente patente se torna útil como dissolvente e também como combustível líquido devido as suas características e vantagens, entre as quais se destacam: [0013] 1. Baixa toxicidade.
[0014] 2. Pode ser misturado em toda proporção com gasolina ou diesel.
[0015] 3. Quando o objetivo é que seja misturado com diesel, admite que seja ajustado para diferentes graus de viscosidade e para diferentes números de cetano.
[0016] 4. Mantém em apenas uma etapa liquida, as misturas de álcool com hidrocarbonetos como gasolina ou diesel, ainda que exista contaminação de água.
[0017] 5. Quando misturado e combustado com hidrocarbonetos, os níveis tóxicos da emissão de gases que provêm da combustão do hidrocarboneto baixam.
[0018] 6. Pode ser obtido a partir de biomassa ou de hidrocarbonetos.
[0019] 7. É biodegradável.
[0020] 8. Atua como sumidouro de dióxido de carbono devido ao fato de que gera menor quantidade de C02 por unidade de energia líquida obtida, e devido ao fato de que quando utilizada como componente nos combustíveis convencionais, seu conteúdo de oxigênio, é maior do que 50%, com um impacto negativo irrelevante na potência do motor que é empregado.
[0021] 9. Admite que seja complementado com outros componentes combustíveis para que possa ser utilizado em até 100% em motores convencionais, sem modificações substanciais, obtendo-se uma eficiência competitiva em comparação com combustíveis convencionais.
[0022] 10. Limpa resíduos de carvão mineral e de água os depósitos de combustível e os injetores.
[0023] 11. Trabalha com os sistemas atuais de bombeação nas estações de serviço.
[0024] No estado atual da ciência não foi encontrado um procedimento integrado que consiga obter o produto multifuncional apenas a partir de gás de síntese, oxigênio e um aditivo opcional, utilizando a integração de tecnologias conhecidas, para que ao interagir sejam capazes de gerar uma sinergia surpreendente e caracterizada por: [0025] 1. Conseguir em apenas uma passada uma porcentagem maior de conversão em produto multifuncional.
[0026] 2. Ser capaz de manter o processo trabalhando em forma autotérmica e de forma contínua, às custas da energia térmica recebida da oxidação parcial de parte das suas matérias-primas, e sem provocar maior gasto em energia eléctrica, sendo que utiliza quase a totalidade da energia naquela necessária para manter o processo sob pressão moderada.
[0027] 3. Evitar a necessidade de armazenar externamente os produtos intermediários do procedimento à linha do processo.
[0028] 4. Obter um produto multifuncional que, se aplicado adequadamente o aditivo opcional, possa modificar seu PH e, portanto, suas características físico-químicas para que, por um lado, diante da presença de substâncias ácidas, evite a reversão das reações pelas que foi formado; e por outro lado, quando utilizado como combustível, aumente sua sensibilidade à detonação.
[0029] Precisamente, através do procedimento e dispositivos inovadores apresentados pelo presente documento de patente são conseguidos os quatro pontos anteriores, descritos a seguir.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[0030] A invenção refere-se a um procedimento para a obtenção de um produto multifuncional a partir de uma matéria-prima que compreende oxigênio, gás de síntese e um aditivo opcional, sendo que também se refere ao dispositivo para a aplicação do dito procedimento, e também ao produto finalmente obtido com o dito procedimento.
1,- QUANTO AO PROCEDIMENTO
[0031] Em relação ao procedimento, tem de ser dito que o mesmo é globalmente exotérmico, visto que, ainda que compreenda algumas reações endotérmicas, as reações exotérmicas liberam mais energia térmica do que a consumida pelas reações endotérmicas. Para que as reações endotérmicas possam se manter à temperatura requerida, esse procedimento compreende a reutilização do calor desprendido das reações exotérmicas.
[0032] Por causa disso, o procedimento é autotérmico sem precisar de fontes externas para dar mais calor do que aquele utilizado apenas uma vez para iniciar o procedimento, e no que diz respeito à energia eléctrica, sua utilização é requerida para manter de forma continua a pressão para o gás de síntese.
[0033] O procedimento compreende pelo menos três grupos de reações e no máximo quatro grupos de reações.
[0034] Para isso, o dispositivo que forma parte do presente documento de patente, compreende pelo menos três reatores em série: um primeiro reator, que pode compreender ao mesmo tempo um reator principal e um auxiliar, no qual acontece pelo menos um dos dois primeiros grupos de reações, um segundo reator em que acontece o terceiro grupo de reações, e um terceiro reator em que acontece o quarto grupo de reações.
[0035] Antes de iniciar o processo propriamente dito, a matéria-prima é preparada a uma temperatura entre 200° e 300°, e a uma pressão entre 1.800 e 6.000 kPa (18 e 6.000 kPa (60 bars)), preferencialmente próxima de 3.000 a 4.000 kPa (30 a 4.000 kPa (40 bars)), sendo que a matéria-prima é um gás que compreende principalmente: [0036] a. Hidrogênio [0037] b. Monóxido de carbono [0038] c. Dióxido de carbono.
[0039] Em uma primeira etapa, no primeiro reator, que compreende ao mesmo tempo o reator principal e, opcionalmente um auxiliar, é produzido pelo menos um dos primeiros dois grupos de reações que são expostos a seguir.
[0040] O gás de síntese composto principalmente por hidrogênio, monóxido de carbono, entra no primeiro reator a uma temperatura entre 200° e 300° centígrados e a uma pressão entre 2.000 e 6.000 kPa (20 e 60 bars) , preferencialmente 4.000 kPa (40 bars), e é colocado em contato com pelo menos um catalisador.
[0041] Em função da composição desse catalisador, podem ser provocadas as reações do primeiro grupo para produzir metanol, ou as do segundo grupo para produzir éter dimetílico.
[0042] Se o catalisador é para produzir metanol, o composto preferido possui uma base de Cu0/Zn0/A1203 que no presente documento será denominado como Cl, e o dito acelera a reação principal do primeiro grupo: CO+2H2—>CH30H.
[0043] Se o catalisador é para produzir éter dimetílico, o composto preferido possui uma base de Cu0/Zn0/A1203 e alumina, que no presente documento será denominado como C2, e acelera a reação principal do segundo grupo: 3CO + 3H2—>CH30CH3 + C02.
[0044] Quando os dois primeiros grupos de reações acontecem simultaneamente durante o procedimento, os catalisadores correspondentes a cada um desses dois grupos de reações podem estar dispostos em série, em paralelo, ou bem ambos os dois misturados em qualquer proporção, sendo que acontece a seguinte reação: 2CH30H—»CH30CH3+H20 e a água residual desta reação são aproveitados como matéria-prima para formar mais hidrogênio, através da reação lateral: C0+H20—»C02+H2, excesso de água entre os reagentes, o que significa a redução da principal limitante na conversão do gás de síntese em éter dimetílico e metanol.
[0045] Como tem-se mostrado, o primeiro reator pode compreender um reator principal e um auxiliar.
[0046] Em uma modalidade em que o primeiro reator compreende um reator principal e um auxiliar, os dois grupos de reações podem ser produzidos de maneira separada, de tal forma que cada reator, principal ou auxiliar, contenha apenas um tipo desses dois catalisadores, e os reatores principal e auxiliar possam ser dispostos em série, em forma alternada, em forma paralela ou em formas combinadas dessas disposições.
[004 7] No caso tal que esse primeiro reator compreenda um reator principal e um auxiliar para realizar os dois grupos de reações e, tanto o reator principal como o auxiliar contenham os catalisadores, Cl e C2, de forma misturada, esses reatores, principal e auxiliar, também podem estar dispostos em série, em forma alternada, em forma paralela ou em forma combinada dessas disposições.
[0048] Em uma segunda etapa, os produtos resultantes da primeira etapa, em geral éter dimetílico e metanol, entram no segundo reator do dispositivo, em que é adicionado oxigênio, e são colocados em contato com catalisadores C3 que favorecem a produção de formaldeído através da oxidação parcial de uma parte do éter dimetílico ou do metanol, através das seguintes reações: CH30+1/202—MÜH20+H20 e CH30CH3+02^2CH20+H20; e também favorecem a reação 2CH30H—»CH30CH3+H20, obtendo-se éter dimetilico como produto menor.
[0049] Se nesse segundo reator entram ambos os produtos, então acontecem reações laterais como a seguinte: CH30CH3+H20—»2CH20+2H2, produzindo-se dessa forma mais formaldeido e deixando-se como subprodutos principais o excesso de água que não fez reação e o hidrogênio.
[0050] Os catalisadores preferenciais para essas reações, denominados no presente documento como C3, possuem uma base de pelo menos dois metais ou compostos do grupo: alumina, óxido de molibdeno, vanádio e ferro.
[0051] A água residual, subproduto do terceiro grupo de reações que acontecem dentro do segundo reator, é condensada preferencialmente no final desse reator, ou em um condensador à parte, e é extraída fora do processo, antes de os produtos que discorrem nele sejam descarregados no terceiro reator, preferencialmente sob pressão e temperatura de saída não superiores ao do segundo reator, para iniciar o quarto e último grupo de reações, a fim de obter o produto multifuncional.
[0052] Durante o quarto grupo de reações, as moléculas de aldeído são incorporadas às moléculas do éter dimetilico através de reações aldólicas, para reforçar com aldeído a formulação do produto multifuncional, processo através do qual, nesse produto, pode ser ajustada a sua volatilidade, ponto de inflamação, pressão de vapor e conteúdo energético, segundo as necessidades especificas do mercado em que vai ser colocado.
[0053] No terceiro reator, os principais produtos intermediários, éter dimetilico e formaldeido, junto com o gás de síntese não convertido e alguns subprodutos minoritários, são submetidos a uma destilação reativa e entram em contato com pelo menos um tipo de catalisador fortemente ácido, preferencialmente uma resina de troca iônica, que no presente documento será denominada como C4.
[0054] No terceiro reator, pode ser incorporado o aditivo opcional, que preferencialmente compreende uma amina para basificar e modificar o PH do produto multifuncional, com o objetivo de evitar que as reações desse grupo sejam revertidas, e de sensibilizar permanentemente o produto multifuncional à detonação quando utilizado em motores de combustão interna.
[0055] Quanto à amina referida no parágrafo anterior, a etilenodiamina é preferencial, e a segunda preferencial é 2-dimetilaminoetilazida, e preferencialmente, esse aditivo opcional pode ser incorporado ao procedimento diluído em pelo menos um grupo de diluente do seguinte grupo: i) Um álcool de 1 a 4 átomos de carbono dopado com nitrometano e ii) éter dibutílico dopado com éter monometílico de propilenoglicol.
[0056] Depois o produto multifuncional, junto com parte do gás de síntese não convertido e os subprodutos menores, saem do dispositivo para que, se desejado, através de uma destilação fraccionada, possam ser separados parcial ou totalmente.
[0057] Em relação ao aditivo opcional, este compreende preferencialmente, pelo menos uma amina, em que a preferencial é etilenodiamina, e a segunda preferencial é 2-dimetilaminoetilazida.
[0058] Quando utilizada para fins de combustão, esse aditivo opcional pode estar diluído em um álcool de 1 a 4 átomos de carbono, preferencialmente dopado com nitrometano e/ou diluído em éter dibutila, preferencialmente dopado com éter monometílico de propilenoglicol, para aumentar o poder de sensibilidade à detonação, concedida pela amina ao produto multifuncional.
[0059] Uma das características desse procedimento é que, entre a primeira e a segunda etapa, a pressão dos produtos resultantes da primeira etapa é reduzida, preferencialmente em dois terços, e o excesso de pressão remanescente entre a primeira e a segunda etapa é destinado para aumentar a pressão dos produtos que discorrem entre a terceira e a quarta etapa.
[0060] Por outro lado, os produtos de saída da primeira e da segunda etapas cedem calor ao terceiro reator, às matérias-primas entrantes ao dispositivo ou ao aditivo opcional que entra no dispositivo pelo injetor de aditivo.
[0061] Para isso, o dispositivo conta com meios para recuperar o calor e a pressão.
[0062] A recuperação de pressão e calor faz com que o procedimento seja em grande medida energeticamente autossuficiente. 2.- QUANTO AO DISPOSITIVO: [0063] Quanto ao dispositivo, e sem prejuízo do exposto acima, compreende pelo menos três reatores conectados em série, em que acontece pelo menos três dos quatro grupos de reações principais, para serem usados em forma contínua e conseguir que os produtos intermediários passem de um para o outro sem precisar de um armazenamento externo ao processo.
[0064] Desses três reatores, pelo menos um primeiro reator, que pode compreender um reator principal e um auxiliar é para os dois primeiros grupos de reações, pelo menos um segundo reator para o terceiro grupo de reações, pelo menos um terceiro reator para o quarto grupo de reações.
[0065] 0 primeiro reator contém pelo menos um catalisador entre Cl e C2, o segundo reator contém o catalisador C3 e o terceiro reator contém o catalisador C4.
[0066] Todos esses reatores compreendem um feixe de tubos, dentro dos quais estão localizados os catalisadores e por donde discorrem os produtos reagentes.
[0067] O feixe de tubos de cada reator está coberto por uma luva que repousa sobre pelo menos dois apoios, preferencialmente quatro, que podem ser discos/flanges.
[0068] Em uma modalidade preferencial, com quatro discos/f langes, dois em uma extremidade, e dois em outro do feixe de tubos, os discos/flanges mais exteriores funcionam como tampas do reator. Enquanto que entre os discos/flanges mais interiores e os que funcionam como tampas, formam câmaras que recolhem os produtos de saida ou de entrada no feixe de tubos.
[0069] Os discos flanges mais exteriores, que funcionam como tampas do reator, são utilizados para introduzir ou extrair do processo determinadas matérias como, por exemplo, matérias-primas, oxigênio, água, aditivos ou produto final.
[0070] A introdução ou extração dessas matérias é feita através de furos que comunicam o interior com o exterior das câmaras anteriormente referidas.
[0071] Cada reator compreende pelo menos duas câmaras, preferencialmente cada uma nas suas extremidades opostas, em que tais câmaras compreendem orifícios para receber ou descarregar principalmente os reagentes, e orifícios comunicados com o interior para receber ou descarregar os produtos que discorrem dentro dos tubos no reator.
[0072] O segundo e terceiro reator se comunicam com injetores de oxigênio e de aditivo, respectivamente.
[0073] Os tubos do feixe de tubos de cada reator estão presos aos discos/flanges adjacentes às câmaras, preferencialmente com soldadura, pressão ou rosca, e os ditos discos/flanges estão dotados de um furo passante para cada tubo do feixe de tubos.
[0074] O dispositivo compreende um meio direto e um meio indireto para transferir o calor dos grupos principais de reações exotérmicas ao grupo de reações endotérmicas, que podem acontecer conj untamente.
[0075] Os diferentes meios que o dispositivo tem para transmitir esse calor das reações exotérmicas às endotérmicas podem ser diretos, indiretos ou uma combinação de ambos.
[0076] 0 meio direto é via recirculação do próprio produto resultante das reações exotérmicas do primeiro, segundo e terceiro grupo de reações, pelo conduto em que acontecem as reações endotérmicas, ocasionando diretamente a troca de calor que é transmitida às reações endotérmicas através do dito produto resultante.
[0077] 0 meio indireto é via recirculação do próprio produto resultante das reações exotérmicas do primeiro, segundo e terceiro grupo de reações, pelo conduto em que acontecem as reações endotérmicas, ocasionando indiretamente a troca de calor que é transmitida às reações endotérmicas através de um fluido que não intervém quimicamente no processo.
[0078] Será chamado no presente documento meio combinado, o meio que utiliza o meio direto e indireto para transmitir calor. O calor remanescente pode ser cedido opcionalmente com dois dos diferentes meios referidos anteriormente: diretos, indiretos ou combinados.
3.- FATOR DIFERENCIADOR DO PRODUTO RESULTANTE QUANDO UTILIZADO COMO COMBUSTÍVEL
[0079] O produto multifuncional resultante quando aplicado o aditivo opcional, quando utilizado em motores de combustão interna, possui a característica de ter PH maior de 7, o que o converte em um produto alcalino e de alta sensibilidade à detonação, fatores que são positivos e diferenciadores para seu uso como componente em combustíveis de motores que trabalham por combustão interna. BREVE EXPLICAÇÃO DA FIGURA 1 [0080] A Figura 1 mostra um esquema do procedimento objeto do presente pedido e dos catalisadores preferenciais utilizáveis, sem que deva ser tomado como único, mas apenas como exemplo descritivo em que se aprecia o dispositivo com um primeiro reator (1) que compreende um reator principal (2) e outro auxiliar (3), um segundo reator(4) e um terceiro reator (5).
[0081] Nesse caso, o primeiro grupo de reações acontece no reator principal (2) do primeiro reator (1), e o segundo grupo de reações no reator auxiliar (3) do primeiro reator (1) , o terceiro grupo de reações acontece no segundo reator (4) e o quarto grupo de reações no terceiro reator (5).
[0082] Antes que a matéria entre no primeiro reator, essa passa por um compressor (6) e um trocador de calor (7) [0083] Um injetor de oxigênio (8) se encontra associado ao segundo reator (4) e um injetor do aditivo opcional (9) se encontra associado ao terceiro reator (5).
[0084] Após o terceiro grupo de reações e, antes do quarto grupo de reações, é extraída do processo a água residual (10) pela ação de um condensador (13) [0085] Após o quarto grupo de reações, são extraídos do processo o produto multifuncional (11) e o gás de síntese não convertido, e subprodutos menores (12).
[0086] Dentro do circuito existem pelo menos duas interconexões com válvulas de passo/alívio cuja função é descarregar o excesso de produto sem afetar o meio ambiente, e sem que substancialmente seja afetada a produção ou a qualidade final do produto multifuncional.
[0087] Essas interconexões são uma primeira interconexão (15) localizada entre o reator principal (2) e o segundo reator (4), e uma segunda interconexão (14) localizada entre o reator auxiliar (3) e o terceiro reator (5).
DESCRIÇÃO DE UMA FORMA DE MODALIDADE DA INVENÇÃO
[0088] Agora será exposta uma modalidade da invenção que não é única, mas apenas exemplificativa.
[0089] 0 gás de síntese é comprimido a 4.000 kPa (40 bars) através do compressor (6) e depois é adicionado calor até 280° graus no trocador de calor (7) , para depois entrar no primeiro reator (1), no seu reator principal (2) e no auxiliar (3), que podem estar em série ou em paralelo.
[0090] De acordo com uma modalidade possível, o gás de síntese entra em forma paralela ao reator principal (2) e auxiliar (3) do primeiro reator (1) , esses reatores hospedam os catalisadores Cl e C2 respectivamente, e ambos trabalham a 280° graus centígrados e 4.000 kPa (40 bars) de pressão.
[0091] No reator principal (2) do primeiro reator (1) acontece o primeiro grupo de reações para formar principalmente metanol, que depois entra no reator auxiliar (3) junto com o gás que não fez reação e outros subprodutos derivados do primeiro grupo de reações. Todos os produtos que discorrem no reator principal (2) entram no reator auxiliar (3) que contém o catalisador C2, com o gás que não fez reação no reator principal (2), para produzir principalmente éter dimetílico através do segundo grupo de reações.
[0092] O éter dimetílico e o metanol, cada um junto com as respectivas matérias-primas que não reagiram, e os respectivos subprodutos derivados das suas respectivas reações, tais como dióxido de carbono, formiato de metila e ácido carbônico, mais o oxigênio e o aditivo opcional que são injetados fora do dispositivo, entram todos no segundo reator (4) sob a mesma temperatura de saída dos produtos do reator auxiliar (3) , e a uma pressão reduzida para que, através do terceiro grupo de reações, possa se oxidar principalmente o metanol em formaldeído, sob presença do catalisador C3. 0 oxigênio é injetado por um injetor de oxigênio (8) que compreende um orifício que comunica o exterior com o interior do segundo reator (4), como indicado na Figura 1.
[0093] Todos os produtos que discorrem no segundo reator (4) são expostos ao catalisador C3 para produzir principalmente formaldeído, e passam por um condensador, preferencialmente sob pressão, para extrair a água residual (10), preferencialmente através de um condensador (13) que esteja fora do dispositivo.
[0094] Os produtos que saem do segundo reator (4) e entram no terceiro reator (5) junto com o aditivo opcional que é injetado externamente por um injetor de aditivo (9) , passam fazendo contato com o catalisador C4 em um cenário de temperatura de aproximadamente 170° graus centígrados e uma pressão próxima de 2.000 kPa (20 bars), para gerar as reações do quarto grupo, em que se produz o produto multifuncional (11) na sua maior parte. Desse terceiro reator saem, além de produto multifuncional, e em menor parte ou vestígios: água, metanol, ácido carbônico, ácido fórmico, ácido acético, dióxido de carbono, formiato de metila e formaldeido; também saem outros produtos em forma de gás, provenientes da matéria-prima que não conseguiu se converter, tais como monóxido de carbono, metano, hidrogênio, oxigênio e vestígios de hidrocarbonetos que serão denominados subprodutos menores (12).
[0095] Existem duas interconexões com válvulas de passo/alívio mostradas na Figura 1. Ambas servem para descarregar o excesso de produto sem que seja substancialmente afetada a produção ou a qualidade final do produto multifuncional.
[0096] As interconexões são uma primeira interconexão (15) do reator principal (2) com o segundo reator (4) e a outra, uma segunda interconexão (14) do reator auxiliar (3) com o terceiro reator (5).
[0097] Enquanto acontecem os diferentes grupos de reações, os produtos de saída do primeiro reator (1), que compreende seus reatores principal (2) e auxiliar (3), e do segundo reator (4) cedem calor ao terceiro reator (5) de forma indireta através de um líquido não volátil que circula entre a luva e o feixe de tubos que contém os reatores, utilizando-se uma central térmica, e o calor remanescente pode opcionalmente ser aplicado às matérias-primas entrantes no dispositivo e no aditivo opcional que pode entrar no dispositivo pelo injetor de aditivo (9).
[0098] Finalmente, se desejado, o produto multifuncional (11) que sai do terceiro reator (5) pode ser separado nos seus diferentes componentes, através de uma destilação, sendo que a destilação tipo fracionada é preferencial.
[0099] Os produtos líquidos ou gasosos que saem do reator R4 junto com os ésteres polioximetilenodimetílicos, podem opcionalmente ser recirculados e servir como matéria-prima para um processo de gasificação para a produção de gás de síntese.
[00100] Em outro exemplo de modalidade da invenção, o gás de síntese é comprimido a 4.000 kPa (40 bars) com o compressor (6), e depois se adiciona calor até 280° graus no trocador de calor (7), para entrar depois no reator principal (2) e no auxiliar (3), que podem estar em série ou em paralelo, sendo que no reator principal, esse gás de síntese entra em contato com o catalisador Cl e, no reator auxiliar (3) entra em contato com o catalisador C2. Como resultado, é produzido em cada reator um grupo de reações em que os produtos resultantes do reator principal e auxiliar são principalmente metanol e éter dimetílico, respectivamente, obtendo-se uma conversão em peso superior a 40% do gás de sínteses empregado.
[00101] Os produtos do reator principal (2) e auxiliar (3) onde acontece o primeiro grupo de reações no reator principal (2) e é produzido metanol, e, em que, no reator auxiliar (3) acontece o segundo grupo de reações, é produzido éter dimetílico, entram todos no segundo reator (4) a uma temperatura e pressão não maior do que à do reator principal e auxiliar, e há contato com o catalisador C3 que favorece a oxidação parcial do metanol e o éter dimetilico em formaldeído, gerando-se, dessa forma, subprodutos líquidos, principalmente: água, dióxido de carbono, formiato de metila, ácido carbônico e metanol. Também estão presentes durante esse processo de oxidação, subprodutos gasosos do gás de síntese e parte do gás de síntese que não reagiu nos reatores principal (2) e auxiliar (3), principalmente: hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e nitrogênio infiltrado com o oxigênio e as matérias-primas.
[00102] Os produtos dos reatores principal (2) e auxiliar (3) saem ambos a 280° graus e 3.400 kPa (34 bars) de pressão, que preferencialmente é reduzida a 1.200 kPa (12 bars), e entram no segundo reator (4) em que está hospedado o catalisador C3 e é adicionado através de um injetor de oxigênio (8), seja oxigênio puro ou um composto em que esteja contido.
[00103] Nesse segundo reator (4), o metanol é oxidado quase na sua totalidade em formaldeído, resultando em água como subproduto, também parte do éter dimetilico se oxida em menor proporção em formaldeído, dando como resultado água como subproduto.
[00104] No final do segundo reator (4), todos os produtos que discorrem passam por um condensador (13) que se localiza preferencialmente no extremo final do segundo reator (4), que pode ser externo, para que principalmente a água residual (10) produzida como subproduto no segundo reator (4) seja condensada e extraída fora do sistema produtivo.
[00105] Os produtos de saída do condensador à parte dos extraídos do sistema produtivo, junto com o aditivo opcional, entram no terceiro reator (5) que hospeda o catalisador C4 que está a uma pressão próxima de 2.000 kPa (20 bars) e temperatura de 175° graus centígrados, e produz o quarto grupo de reações que produz principalmente o produto multifuncional com uma conversão do gás de síntese, superior de 40%.
[00106] Os produtos finais saem aproximadamente a 175° graus e 1.700 kPa (17 bars) de pressão, e a conversão do gás de síntese em produto multifuncional, por peso, é de aproximadamente 40%, e 10% no máximo é metanol, e no máximo 8% é de outros subprodutos menores (12) líquidos. A porcentagem remanescente são produtos que não foram convertidos em produto multifuncional, e saem em forma de gás, junto com os que não conseguiram reagir e que se separam do produto multifuncional por resfriamento.
[00107] Portanto, é conveniente separar o poli-oximetileno éter dimetílico dos subprodutos líquidos indesejados contidos no produto multifuncional, sendo que os subprodutos líquidos separados junto com os outros produtos gasosos que saem do terceiro reator podem ser utilizados opcionalmente no processo de produção de gás de síntese para pré-aquecer matérias-primas e aditivos opcionais.
REIVINDICAÇÕES

Claims (38)

1. Procedimento para a produção de um produto multifuncional CARACTERIZADO pelo fato de que compreender: - uma etapa prévia de preparação da matéria-prima a uma temperatura entre 200° e 300°, e a uma pressão entre 1.800 e 6.000 kPa (18 e 6.000 kPa (60 bars) ) , preferencialmente entre 3.000 e 5.000 kPa (30 e 50 bars), e de maneira preferível entre 3.700 e 4.300 kPa (37 e 43 bars), sendo que a matéria-prima é um gás que compreende hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono; uma primeira etapa, que compreende as reações provocadas por pelo menos um dos seguintes dois catalisadores: um catalisador, Cl, preferencialmente com base em Cu0/Zn0/Al203 no qual ocorre o primeiro grupo de reações; e um catalisador, C2, preferencialmente com base em alumina e Cu0/Zn0/Al203 no qual ocorre o segundo grupo de reações; - uma segunda etapa em que pelo menos um dos produtos resultantes da primeira etapa passa para o segundo reator e compreende as seguintes subetapas: i) injetar oxigênio nos produtos resultantes da primeira etapa; ii) os produtos resultantes da primeira etapa, junto com o oxigênio, entram em contato com pelo menos um catalisador, C3, preferencialmente com base em pelo menos um composto entre alumina, óxido de molibdeno, vanádio e ferro, sendo que ocorre o terceiro grupo de reações; r iii) após o terceiro grupo de reações, são obtidos como subprodutos o hidrogênio e o excesso de água que não fez reação; - uma terceira etapa em que os produtos resultantes da etapa anterior, principalmente éter dimetilico e formaldeido, passam para o terceiro reator e são submetidos a uma destilação reativa, sendo que esta etapa compreende as seguintes subetapas: i) extração, preferencialmente por condensação, da água residual; e ii) os produtos resultantes das fases anteriores, o gás de síntese não convertido e os subprodutos não extraídos previamente fora do sistema produtivo, entram em contato com pelo menos um catalisador C4 fortemente ácido, preferencialmente resina de troca iônica, em que ocorre o quarto grupo de reações e a obtenção do produto multifuncional; e - uma quarta etapa compreende a saída do dispositivo do produto multifuncional, junto com o gás de síntese não convertido e os subprodutos minoritários não extraídos previamente.
2. Procedimento para a produção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro grupo de reações compreende a reação CO+2H2—>CH30H, obtendo-se éter dimetílico.
3. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo grupo de reações compreende a reação 3C0 + 3H2—>CH30CH3 + C02, obtendo-se éter dimetílico.
4. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a matéria-prima entra em contato ao mesmo tempo com o catalisador Cl e C2, gerando-se uma reação que compreende 2CH30H—>CH30CH3+H20 obtendo-se éter dimetílico e água residual, provocando-se a reação lateral C0+H20—»C0+H20, em que é obtido hidrogênio.
5. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que no terceiro reator entra apenas um dos produtos resultantes da primeira etapa, principalmente éter dimetílico ou metanol, em que ocorre a oxidação parcial de uma parte do éter dimetílico ou do metanol, através das reações CH30H+1/202—>CH20+H20 e CH30CH3+02->2CH20+H20.
6. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que no terceiro reator entram conjuntamente os produtos obtidos no primeiro grupo de reações, principalmente éter dimetílico e metanol, em que acontece a reação lateral CH30CH3+H20—>2CH20+2H2 deixando-se como subprodutos principais o excesso de água que não fez reação e o hidrogênio.
7. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que na terceira etapa os produtos obtidos nas etapas anteriores, e ainda o gás de síntese não convertido e os subprodutos não extraídos previamente fora do sistema produtivo, entram em contato com pelo menos um catalisador fortemente ácido, preferencialmente resina de troca iônica, tendo como resultado ésteres dimetílicos de polioximetileno, e se fosse incorporado o aditivo, o dito produto possuiría PH neutro ou superior a 7.
8. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a terceira etapa compreende adicionalmente a injeção de um aditivo que compreende pelo menos uma amina, sendo que a amina preferencial é etilenodiamina e a segunda preferencial é 2-dimetilaminoetilazida.
9. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o aditivo opcional é incorporado ao procedimento diluído em pelo menos um grupo de diluente do seguinte grupo: i) um álcool de 1 a 4 átomos de carbono preferencialmente dopado com nitrometano e ii) éter dibutílico dopado preferencialmente com éter monometílico de propilenoglicol, obtendo-se ésteres dimetílicos de polioximetileno com PH neutro ou superior a 7.
10. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que entre a primeira e a segunda etapa a pressão dos produtos resultantes da primeira etapa é reduzida, preferencialmente em dois terços.
11. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que o excesso de pressão remanescente entre a primeira e a segunda etapa é destinado para aumentar a pressão dos produtos que discorrem entre a terceira e a quarta etapa.
12. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os produtos de saída da primeira e da segunda etapa cedem calor ao terceiro reator.
13. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os produtos de saida da primeira e da segunda etapa cedem as matérias-primas entrantes para o dispositivo.
14. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os produtos de saida da primeira e segunda etapa cedem calor aditivo opcional que entra no dispositivo pelo injetor de aditivo (9).
15. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o catalisador C4 se localiza no interior do terceiro reator, sob pressão próxima ou inferior de 2.000 kPa (20 bars) , e a temperatura próxima ou inferior de 175° graus centígrados.
16. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que na quarta etapa, os produtos finais saem a uma temperatura entre 150° e 200°, preferencialmente entre 100° e 175°, e a uma pressão entre 1.500 e 2.000 kPa (15 e 20 bar) de pressão, preferencialmente a 1.700 kPa (17 bar) de pressão, e a conversão do gás de síntese em produto multifuncional, por peso, é de aproximadamente 40%, em que 10% como máximo é metanol, e máximo 8% é de outros subprodutos minoritários (12) líquidos.
17. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a quarta etapa compreende ainda um processo de separação do produto multifuncional em relação ao gás de síntese, e outros produtos não convertidos, e os subprodutos menores líquidos não extraídos anteriormente, sendo que podem ser separados total ou parcialmente, preferencialmente por resfriamento.
18. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os produtos líquidos ou gasosos que saem do quarto reator junto com o produto multifuncional são recirculados, servindo como matéria-prima em um processo de gasificação para a produção de gás de síntese, ou, uma vez separada, pode entrar como produto a ser reciclado no dispositivo da presente invenção.
19. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os produtos líquidos ou gasosos que saem do quarto reator, junto com o produto multifuncional são recirculados, servindo como produto a ser reciclado no dispositivo da presente invenção.
20. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a volatilidade, nível de conteúdo energético, número de cetano e pressão de vapor do produto multifuncional obtido, são modificados através da variação da quantidade de aldeido produzido no terceiro grupo de reações.
21. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o nivel de sensibilidade à detonação e a sua estabilidade ou grau de resistência à reversão das suas reações diante da presença de substâncias ácidas do produto multifuncional, é alterado modificando-se a quantidade do aditivo opcional e do tipo de diluente, incorporado no quarto grupo de reações.
22. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o efeito nebulizador nas câmaras de combustão interna e a octanagem quando utilizada junto com combustíveis convencionais, é alterada modificando-se a quantidade de diluente "i" do aditivo opcional.
23. Procedimento para a obtenção de um produto multifuncional, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o efeito nebulizador nas câmaras de combustão interna e os gases de emissão provenientes da sua combustão quando utilizados junto com combustíveis convencionais são alterados através do controle do diluente "ii" do aditivo opcional.
24. Dispositivo para aplicar o procedimento exposto CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: pelo menos três reatores, primeiro, segundo e terceiro, dispostos em série, sendo que cada reator compreende: a. uma pluralidade de tubos que contém o catalisador oportuno e, através dos quais discorre o produto reagente; essa pluralidade de tubos está contida dentro de um elemento de cobertura, tudo integrado por uma série de elementos de suporte; e b. pelo menos duas câmaras comunicadas com o exterior; - pelo menos um compressor e pelo menos dois meios de condensação; - meios para transferir calor desde um reator para outro, de acordo com as suas necessidades; - meios para coletar ou aplicar calor à matéria-prima entrante no processo. - meios de recuperação de pressão; e - meios de medição, automatização e controle de fluxos, temperatura e pressão, de acordo com as necessidades de cada reator.
25. Dispositivo para aplicar o procedimento exposto, de acordo com a reivindicação 24, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro reator compreende um reator principal e um reator auxiliar, dispostos de forma serial, alternada ou em paralelo.
26. Dispositivo para aplicar o procedimento exposto, de acordo com a reivindicação 25, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro reator contém pelo menos um catalisador, entre Cl e C2, sendo que o segundo reator contém o catalisador C3, e o terceiro reator contém o catalisador C4.
27. Dispositivo para aplicar o procedimento exposto CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro reator compreende os catalisadores Cl e C2 separadamente, um disposto no reator principal e o outro no auxiliar.
28. Dispositivo para aplicar o procedimento exposto CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro reator compreende os catalisadores Cl e C2 misturados entre si.
29. Dispositivo para aplicar o procedimento exposto, de acordo com a reivindicação 24, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de cobertura da pluralidade de tubos é uma luva, e os elementos de suporte são preferencialmente discos flanges com furos que passam de um lado para outro, sendo que os tubos recebem ou descarregam os reagentes.
30. Dispositivo para aplicar o procedimento exposto CARACTERIZADO pelo fato de que cada reator compreende pelo menos duas câmaras, preferencialmente cada uma nas suas extremidades opostas, sendo que tais câmaras compreendem orifícios para receber ou descarregar principalmente os reagentes, e orifícios comunicados com o interior para receber ou descarregar os produtos que discorrem dentro dos tubos no reator.
31. Dispositivo para aplicar o procedimento exposto, de acordo com a reivindicação 30, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo e terceiro reatores se encontram comunicados com injetores de oxigênio e de aditivo, respectivamente.
32. Produto multifuncional, obtido através do procedimento reivindicado, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ésteres polioximetilenodimetílicos com fórmula molecular CH30(CH20)nCH3, sendo que n tem um valor de 1 a 7.
33. Produto multifuncional, obtido através do procedimento reivindicado, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ésteres polioximetilenodimetílicos sem depurar, isto é, com todos ou parte dos subprodutos líquidos derivados do processo, e se tem sido empregado o aditivo opcional, com seus diluentes, caso existam.
34. Produto multifuncional, obtido através do procedimento reivindicado, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ésteres polioximetilenodimetílicos depurados, em que foram separados previamente todos ou a maior parte dos subprodutos líquidos derivados do processo, e se tem sido empregado o aditivo opcional, separando todos ou maior parte desse aditivo opcional e seus diluentes, caso existam.
35. Produto multifuncional, obtido através do procedimento reivindicado, CARACTERIZADO pelo fato de que a volatilidade, nivel de conteúdo energético, número de cetano e pressão de vapor do produto multifuncional obtidos são reguláveis através do controle da quantidade de aldeido produzido no terceiro grupo de reações.
36. Produto multifuncional, obtido através do procedimento reivindicado, CARACTERIZADO pelo fato de que o nivel de sensibilidade à detonação e a sua estabilidade ou grau de resistência à reversão das suas reações diante da presença de substâncias ácidas do produto multifuncional são reguláveis através do controle do aditivo opcional e do tipo de diluente incorporado no quarto grupo de reações.
37. Produto multifuncional, obtido através do procedimento reivindicado, CARACTERIZADO pelo fato de que o efeito nebulizador nas câmaras de combustão interna e a octanagem quando utilizada junto com combustíveis convencionais são reguláveis através do controle do diluente "i" do aditivo opcional.
38. Produto multifuncional, obtido através do procedimento reivindicado, CARACTERIZADO pelo fato de que o efeito nebulizador nas câmaras de combustão interna e os gases de emissão provenientes da sua combustão, quando utilizados junto com combustíveis convencionais, são reguláveis através do controle do diluente "ii" do aditivo opcional.
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