BRPI0806342A2 - processo para a produção de dióxido de cloro - Google Patents
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Abstract
PROCESSO PARA A PRODUçãO DE DIóXIDO DE CLORO. A presente invenção refere-se a um processo para a produção de dióxido de cloro, compreendendo a formação de dióxido de cloro em um meio de reação em pelo menos um vaso de reação e retirar o dióxido de cloro do dito pelo menos um vaso de reação, sendo que o processo compreende ainda uma etapa de tratar o meio de reação ou pelo menos uma corrente do processo que se origina direta ou indiretamente do dito pelo menos um vaso de reação com um adsorvente eficiente para remover compostos orgânicos clorados da dita pelo menos uma corrente do processo.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE DIÓXIDO DE CLORO".
A presente invenção refere-se a um processo para a produção de dióxido de cloro, compreendendo a formação de dióxido de cloro em um meio de reação em um vaso de reação e retirar o dióxido de cloro do dito vaso de reação, e compreendendo ainda tratar pelo menos uma corrente do processo originária do vaso de reação com um adsorvente.
O dióxido de cloro usado em solução aquosa é de interesse co- mercial considerável, principalmente no branqueamento de polpa, mas tam- bém na purificação de água, branqueamento de gorduras, remoção de fe- nóis em rejeitos industriais, etc. É, portanto, desejável fornecer processos nos quais o dióxido de cloro possa ser produzido eficientemente.
Existem inúmeros processos diferentes para a produção de dió- xido de cloro. A maioria dos processos em larga escala em uso comercial são operados em moinhos de polpa e envolvem a reação contínua de clorato de metais alcalinos em um meio de reação acidífera com um agente redutor tal como peróxido de hidrogênio, metanol, íons de cloreto ou dióxido de en- xofre, para formar dióxido de cloro que é retirado como um gás do meio de reação. Uma revisão desses processos pode ser encontrada em "Pulp Bleaching - Principies and Practice", TAPPI PRESS 1996, Seção II: Raw Materials, Capítulo 2: "Bleaching Chemicals: Chlorine Dioxide, páginas 61- 69.
Em um tipo de processos, o meio de reação é mantido em um único vaso de reação sob condições de ebulição em uma pressão abaixo da pressão atmosférica, onde o sal de ácido de metal alcalino do ácido é preci- pitado e retirado como uma torta de sal. Os exemplos de tais processos es- tão descritos nas patentes US 5.091.166, 5.091.167, 5.366.714 e 5.770.171, e no WO 2006/062455. A torta de sal pode ser lavada com água ou outro solvente, como descrito, por exemplo, nas patentes US 5.674.466 e 6.585.950.
Em outro tipo de processos, o meio de reação é mantido sob condições cristalizadoras, geralmente em pressão substancialmente atmos- férica. Na maioria dos casos, o meio de reação esgotado do meio de reação de um primeiro vaso de reação é levado até um segundo vaso de reação para reações adicionais, a fim de produzir dióxido de cloro. O meio de rea- ção esgotado do meio de reação retirado do vaso de reação final, usualmen- te referido como ácido residual, contém ácido, sal de metal alcalino do ácido e normalmente algum clorato de álcali não-reagido. O ácido residual pode algumas vezes, pelo menos parcialmente, ser usado no processo de obten- ção de polpa. Os exemplos de processos de geração de dióxido de cloro não-cristalizadores estão descritos na n— EP 612686, no WO 2006/033609, na JP 03-115102 e na JP 88-008203.
Foi também descrito como tratar o meio de reação esgotado ou torta de sal dissolvida eletroquimicamente, como descrito, por exemplo, nas patentes US 4.129.484, 5.478.446, 5.487.881, 5.858.322 e 6.322.690.
Em processos para geração de dióxido de cloro em pequena escala, tal como para aplicações de purificação de água ou pequenas fábri- cas de branqueamento, o dióxido de cloro usualmente não é separado do meio de reação. Em vez disso, uma corrente de produto que compreende dióxido de cloro, sal, excesso de ácido e opcionalmente clorato não-reagido é retirada do reator e usada diretamente, usualmente depois de diluição em um edutor. Os exemplos de tais processos estão descritos nas patentes n— US 2.833.624, 4.534.952, 5.895.638, 6.387.344, 6.790.427 e nos pedidos de patente US 2004/0175322, Publicação N0 2003/0031621, Publicação N0 2005/0186131 e Publicação N0 2006/0133983.
Os processos industriais modernos para produção de dióxido de cloro em moinhos de polpa são altamente eficientes e apenas pequenas quantidades de subprodutos indesejados tais como cloro, são geradas. En- tretanto, descobriu-se agora que correntes do processo que se originam do vaso de reação podem conter pequenas quantidades de compostos orgâni- cos clorados, tais como dibenzo-p-dioxinas ou dibenzo-furanos clorados. Embora as suas quantidades sejam extremamente baixas, a alta toxicidade de alguns compostos clorados torna desejável reduzir o seu teor até um grau tão alto quanto possível, particularmente como algumas correntes do pro- cesso terminam finalmente no processo de obtenção de polpa.
A origem dos compostos orgânicos clorados não está comple- tamente clara. As tentativas para usar matérias-primas de alta pureza com relação a contaminantes orgânicos foram bem-sucedidas, porém nem sem- pre controladas para eliminar completamente os compostos orgânicos clora- dos das correntes do processo. Assim sendo, há uma necessidade de se obter outros aperfeiçoamentos.
A presente invenção refere-se a um processo para a produção de dióxido de cloro, compreendendo a formação de dióxido de cloro em um meio de reação em pelo menos um vaso de reação e retirando o dióxido de cloro do dito pelo menos um vaso de reação, sendo que o processo compre- ende ainda uma etapa de tratar o meio de reação ou pelo menos uma cor- rente do processo que se origina direta ou indiretamente do dito pelo menos um vaso de reação com um adsorvente eficiente para remover compostos orgânicos clorados da dita pelo menos uma corrente do processo.
De acordo com a invenção, o meio de reação ou correntes do processo em todos os tipos de processos geradores de dióxido de cloro po- dem ser tratadas, particularmente aquelas nas quais o dióxido de cloro é formado reagindo íons de clorato e um agente redutor em um meio de rea- ção aquosa acidífera, mas também processa baseado em outras matérias- primas tais como clorito de metais alcalinos. Os processos incluem aqueles descritos nas publicações mencionadas anteriormente e aqueles usados comercialmente tais como SVP-LITE®, SVP-HP®, SVP®-SCW, SVP®-HCL, HP-A®, Mathieson, R2, R3, R8, R10 e processos integrados de dióxido de cloro/clorato. Assim sendo, a invenção é aplicável em processos com um único vaso operados em pressão abaixo da pressão atmosférica e condições cristalizadoras, bem como processos operados em pressão substancialmen- te atmosférica e condições não-cristalizadoras. Além disso, os processos de geração de dióxido de cloro podem ser operados com vários agentes reduto- res tais como metanol, peróxido de hidrogênio, dióxido de enxofre, íons de cloreto e misturas deles, bem como com vários ácidos minerais tais como ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido clórico e misturas deles. O clorato po- de ser suprido como clorato de metal alcalino, tal como clorato de sódio, co- mo ácido clórico, ou qualquer mistura deles. Na maioria dos processos, o dióxido de cloro é retirado do meio de reação como um gás que subseqüen- temente pode ser absorvido em água, mas a invenção é aplicável também para outros tipos de processos.
As correntes de processo que podem ser tratadas incluem cor- rentes que se originam direta ou indiretamente do vaso de reação. As cor- rentes de processo que se originam indiretamente do vaso de reação refe- rem-se a correntes que sofreram uma ou mais operações unitárias, tais co- mo absorção, extração, tratamento eletroquímico, etc. Os exemplos especí- ficos de correntes de processo, que podem ser tratadas de acordo com a invenção, incluem gás que contém dióxido de cloro retirado do vaso da rea- ção, soluções aquosas que contêm dióxido de cloro, como por exemplo, ob- tida absorvendo gás retirado do gás do vaso de reação em água, meio de reação do vaso de reação, por exemplo, meio de reação recirculante através de um aquecedor, filtro ou qualquer outro dispositivo, e ácido residual retira- do do vaso de reação ou obtido dissolvendo sal sólido obtido no vaso da re- ação ou em um cristalizador separado. Em um processo que opera sob con- dições não-cristalizadoras, descobriu-se ser vantajoso tratar o ácido residual que se origina do vaso de reação final. Em um processo que opera sob con- dições cristalizadoras, descobriu-se que é vantajoso tratar gás que contém dióxido de cloro retirado do vaso de reação ou uma solução aquosa obtida absorvendo esse gás em água.
O tratamento de correntes de processo pode ser feito colocando o líquido ou o gás em contato continuamente ou em bateladas com um ad- sorvente sólido em qualquer tipo de vaso, coluna ou torre apropriada para contato líquido-sólido ou gás-sólido. Os exemplos de soluções práticas in- cluem adsorvedores de leito fixo, colunas com leito recheado, adsorvedores de leito móvel, adsorvedores de leito fluidizado, contato com nuvem com lama ou poeira entranhada, e em seguida filtração, precipitação eletrostática ou separação de ciclone. É possível também tratar uma corrente de proces- so líquida, tal como ácido residual, com um dispersante, por exemplo, um tensoativo ou um antiespumante, antes da etapa de adsorção.
O meio da reação pode ser tratado colocando em contato com um adsorvente sólido dentro do vaso da reação, por exemplo, mantendo o adsorvente em um cartucho ou outro tipo de contentor dentro do reator.
Usualmente, a temperatura original do meio da reação ou cor- rente do processo pode ser mantida, por exemplo, de cerca de 30 a cerca de 100°C ou entre cerca de 40 a cerca de 85°C, embora seja inteiramente pos- sível também aquecer ou resfriar a corrente do processo antes de colocar em contato com o adsorvente. O tempo médio de contato pode ser, por e- xemplo, de cerca de 10 min a cerca de 10 h ou entre cerca de 15 min a cer- ca de 3 h.
O adsorvente pode estar em qualquer formato físico, tais como grânulos ou qualquer tipo de corpos monolíticos tais como estruturas alveolares.
Pelo menos parte dos compostos orgânicos clorados no meio da reação ou corrente do processo é adsorvida sobre o adsorvente. Depois de um certo tempo de operação, idealmente durante paradas periódicas de ma- nutenção ou, por exemplo, de cerca de 8 horas a cerca de 24 meses, o ad- sorvente usado é, de preferência, regenerado ou substituído e levado para regeneração ou destruição.
Os exemplos de adsorventes apropriados incluem aqueles ba- seados em carvão, tais como carvão ativado, fuligem, coque, carvão vegetal, linhito ou tubos de carvão fulereno, ou outros materiais tais como zeólitas, sílica, polímeros orgânicos hidrofóbicos tais como poliésteres ou poliolefinas tais como polietileno ou polipropileno, óxidos de metais ou metais tais como TiO2, V2O5, WO3, Pd, Cr ou misturas deles, opcionalmente sustentados so- bre um suporte em um condutor tal como sílica. Os óxidos de metais tam- bém catalisam a decomposição de compostos adsorvidos em temperatura elevada, tornando favorável tratar o meio da reação ou uma corrente do pro- cesso em uma temperatura de pelo menos cerca de 100°C.
Os exemplos de adsorventes particularmente úteis incluem a- queles feitos de pelo menos um polímero orgânico, tais como poliolefinas, tais como partículas de carga que contêm polietileno ou polipropileno, efici- entes para adsorver compostos orgânicos clorados. As partículas de carga podem ser feitas de carvão, por exemplo, carvão ativado, fuligem ou coque. O teor de partículas de carga pode ser, por exemplo, de cerca de 0,1 a cerca de 30% em peso. Quando completamente usado, o adsorvente pode ser destruído por incineração. Tais adsorventes estão descritos na patente US 7.022.162 e estão também disponíveis comercialmente como grânulos, por exemplo, sob a marca comercial Adiox®.
Em muitos casos, pode ser vantajoso passar a corrente do pro- cesso através de um filtro mecânico, de preferência antes de colocar em contato com o adsorvente para reprimir contaminantes insolúveis de alcan- çar o adsorvente. Vários tipos de filtros podem ser usados, tais como saco, correia, vela/cartucho, disco, tambor, folha/chapa, Nutsche, placa de prensa ou filtros tubulares.
Em muitos casos, particularmente em processos operados sob condições não-cristalizadoras, e particularmente quando peróxido de hidro- gênio é usado como agente redutor, descobriu-se ser possível reduzir signi- ficativamente as quantidades de compostos orgânicos clorados passando ácido residual ou qualquer corrente do meio de reação através de um filtro mecânico para remover materiais orgânicos insolúveis. Qualquer tipo de fil- tro, tais como aqueles mencionados acima, pode ser usado. Nestes casos, pode ser possível obter redução significativa sem usar qualquer adsorvente.
Os exemplos de compostos orgânicos clorados que podem estar presentes no meio da reação ou nas correntes de processo, e removidos por adsorção, incluem dibenzo-p-dioxina e dibenzo-furanos clorados. Os exem- plos específicos de tais compostos incluem dibenzo-p-dioxinas cloradas nas posições 2,3,7,8; 1,2,3,7,8; 1,2,3,4,7,8; 1,2,3,6,7,8; 1,2,3,7,8,9 e 1,2,3,4,6,7,8; e dibenzo-furanos clorados nas posições 2,3,7,8; 1,2,3,7,8; 2,3,4,7,8; 1,2,3,4,7,8; 1,2,3,6,7,8; 2,3,4,6,7,8; 1,2,3,7,8,9 e 1,2,3,4,6,7,8; e 1,2,3,4,7,8,9.
No caso em que haja outros compostos orgânicos halogenados no meio da reação ou corrente do processo, tais como compostos bromados correspondentes, o seu teor será também reduzido pelo tratamento.
A invenção está descrita adicionalmente nos desenhos apensor, dos quais a Figura 1 e Figura 2 ilustram esquematicamente diferentes moda- lidades, as quais, entretanto, não devem ser interpretadas como Iimitativos do âmbito da invenção.
Fazendo referência à Figura 1, um processo para a produção de dióxido de cloro sob condições cristalizadoras está ilustrado esquematica- mente. Um vaso de reação 1 mantém um meio de reação sob condições de pressão abaixo da pressão atmosférica, usualmente entre cerca de 8 a cerca de 80 kPa absoluto. O meio da reação é circulado através de um conduto de circulação 2 e um aquecedor 3 (comumente denominado "recozedor") e de volta para o vaso da reação 1 em uma vazão suficiente para manter a tem- peratura do meio da reação no ponto de ebulição, usualmente entre cerca de 15 a cerca de 100°C. As correntes de alimentação de clorato de sódio, ácido sulfúrico e agente redutor R, tal como metanol ou peróxido de hidrogênio, são alimentadas para vários pontos do conduto de circulação, mas podem, caso apropriado, ser também alimentadas diretamente para o vaso da rea- ção. É possível também premisturar uma ou mais das correntes de alimen- tação. A concentração de clorato mantida no meio da reação pode variar dentro de limites amplos, por exemplo entre cerca de 0,25 mol/litro até a sa- turação. A acidez do meio da reação é, de preferência, mantida entre cerca de 0,5 a cerca de 12 N. No meio da reação, o clorato de sódio, o agente re- dutor e o ácido sulfúrico reagem para formar dióxido de cloro, sulfato de só- dio e opcionalmente outros subprodutos, dependendo do agente redutor u- sado. O dióxido de cloro e outros produtos gasosos são retirados como um gás junto com água evaporada. O sulfato de sódio precipita como um sal substancialmente neutro ou ácido, dependendo da acidez do meio da reação e é retirado como uma torta de sal, IV^SO4 (s) ou Na3H(S04)2 (s), circulando o meio da reação através de um filtro 4. O gás retirado do vaso da reação 1 é levado para um resfriador 5 e depois um absorvedor 6 suprido com água gelada que dissolve o dióxido de cloro para formar dióxido de cloro, água, ClO2 (aquoso), enquanto que os componentes gasosos não-dissolvidos são retirados como gás G. O dióxido de cloro em água é então levado para uma coluna 7 recheada com um adsorvente eficiente para adsorver compostos orgânicos clorados tais como dibenzo-p-dioxinas e dibenzo-furanos, cujo teor no dióxido de cloro em água desta forma é reduzido significativamente.
Fazendo referência à Figura 2, um processo para a produção de dióxido de cloro sob condições não-cristalizadoras está ilustrado esquemati- camente. Um vaso de reação primário 10 mantém um meio de reação em pressão substancialmente atmosférica, por exemplo, de cerca de 50 a cerca de 120 kPa absoluta, e uma temperatura preferida entre cerca de 30 a cerca de 100°C. As correntes de alimentação de clorato de sódio, ácido sulfúrico, e um agente redutor R, tal como peróxido de hidrogênio, entram no vaso de reação primário 10, separadamente ou como misturas de duas ou mais de- las, enquanto que um gás inerte A, tal como ar, é soprado para dentro do fundo. No meio de reação, o clorato de sódio, o agente redutor e ácido sulfú- rico, reagem para formar dióxido de cloro, sulfato de sódio e opcionalmente outros subprodutos, dependendo do agente redutor usado. O dióxido de clo- ro e outros produtos gasosos são retirados como um gás junto com o gás inerte. O meio da reação esgotado X1 é levado para um vaso de reação se- cundário 11 também suprido com uma corrente de alimentação de agente redutor R e gás inerte, tal como ar. Além disso, neste caso o dióxido de cloro é produzido no meio da reação e é retirado com outros produtos gasosos como um gás junto com o gás inerte, enquanto que o meio da reação esgo- tado X2 é levado para um separador 12 suprido com gás inerte, tal como ar, para remover substancialmente a totalidade do gás do líquido. A pressão absoluta mantida nos vasos de reação 10, 11 é, de preferência, de cerca de 50 a cerca de 120 kPa. A acidez do meio de reação nos vasos de reação 10, 11 é, de preferência, mantida entre cerca de 4 a cerca de 14 Ν. A concentra- ção de clorato de metal alcalino no meio da reação no primeiro vaso de rea- ção 10 é, de preferência, mantida entre cerca de 0,005 mol/litro até a satura- ção, e no segundo vaso de reação 11, de preferência, de cerca de 9 a cerca de 75 mmoles/litro. O gás dos vasos de reação primário e secundário 10, 11 e o separador 12 é levado para um absorvedor 6 operado como no processo da Figura 1. A fase líquida X3 do separador 12, referida como ácido residual, é levada para um filtro 13 que remove material não-dissolvido, tal como uma fase orgânica, que pode ter sido formada a partir de impurezas orgânicas em matérias-primas tais como água ou peróxido de hidrogênio. Neste estágio, também uma parte significativa de compostos orgânicos clorados foi removi- da. Depois de passar pelo filtro 13, o ácido residual X3 é levado para uma coluna 7 recheada com um adsorvente eficiente para adsorver compostos orgânicos clorados tais como dibenzo-p-dioxinas e dibenzo-furanos, cujo teor no ácido residual é desta forma reduzido significativamente. Exemplo 1: O ácido residual de um processo operado como descrito na Fi- gura 2 com peróxido de hidrogênio como agente redutor foi tratado com um adsorvente da marca comercial Adiox®, grânulos de polipropileno contendo partículas de carvão. Amostras foram coletadas e dois frascos de vidro, cada um com 1 litro de ácido residual. Foram adicionados a cada frasco 25 gra- mas de grânulos de Adiox®. Os frascos foram afixados a uma placa vibrató- ria em um banho de água a 58°C, e foram batidos por duas horas. Depois, os grânulos foram separados do ácido residual. As amostras foram analisa- das com relação a dibenzo-p-dioxinas e dibenzo-furanos antes e depois do tratamento com o adsorvente. Os resultados, expressos como equivalentes tóxicos de 2,3,7,8-tetracloro-dibenzo-p-dioxina, aparecem na tabela abaixo:
<table>table see original document page 10</column></row><table>
Os resultados para os vários congêneres estão indicados na se- guinte tabela:
<table>table see original document page 10</column></row><table> <table>table see original document page 11</column></row><table>
Exemplo 2: Ácido residual de um processo operado como descrito na Figura 2 com peróxido de hidrogênio como agente redutor foi passado através de uma coluna de adsorção recheada com 13,0 kg do mesmo tipo de grânulos de Adiox® que no Exemplo 1. A altura do leito de adsorção foi de 1,5 m e o diâmetro 1,24 dm. A vazão de ácido residual foi 40 kg/h e a duração do teste foi de 21 dias. Uma análise dos grânulos de Adiox® depois do teste indicou que em média, 17 pg de TEQ/kg de ácido residual tinham sido adsorvidos nos grânulos e além disso 5 pg de TEQ/kg de ácido residual foram aderidos às superfícies dos grânulos. Isto somou até uma separação total de cerca de 440 ng TEQ o tratado de cerca de 20 toneladas de ácido residual.
Claims (16)
1. Processo para a produção de dióxido de cloro, compreendo a formação de dióxido de cloro em um meio de reação em pelo menos um va- so de reação e retirar o dióxido de cloro do dito pelo menos um vaso de rea- ção, sendo que o processo compreendendo ainda uma etapa de tratar o meio de reação ou pelo menos uma corrente do processo que se origina di- reta ou indiretamente do dito pelo menos um vaso da reação com um adsor- vente eficiente para remover compostos orgânicos clorados da dita pelo me- nos uma corrente do processo.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, compreendendo ainda passar a pelo menos uma corrente do processo através de um filtro mecânico antes de colocar em contato com o adsorvente.
3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -2, onde os compostos orgânicos clorados compreendem dibenzo-p-dioxina ou dibenzo-furano clorado.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -3, onde a pelo menos uma corrente do processo tratada inclui gás que con- tém dióxido de cloro retirado do vaso da reação.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -4, onde a pelo menos uma corrente do processo tratada inclui uma solução aquosa que contém dióxido de cloro.
6. Processo de acordo com a reivindicação 5, onde a solução aquosa que contém dióxido de cloro é obtida absorvendo gás retirado do vaso da reação em água.
7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -6, onde a pelo menos uma corrente do processo tratada inclui ácido residual retirado do vaso da reação.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -7, onde a pelo menos uma corrente do processo tratada inclui o meio de re- ação do vaso da reação.
9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -8, onde a pelo menos uma corrente do processo tratada inclui uma solução aquosa de um sal sólido obtido no vaso de reação ou em um cristalizador separado.
10. Processo de acordo com a reivindicação 8, onde o meio de reação é tratado colocando em contato com adsorvente sólido dentro do va- so de reação.
11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -10, onde o dióxido de cloro é formado reagindo íons de clorato e um agente redutor em um meio de reação aquosa acidífera.
12. Processo de acordo com a reivindicação 11, onde o proces- so é operado com próxido de hidrogênio como agente redutor.
13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações -11-12, onde o processo é operado íons de cloreto como agente redutor.
14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações -11-13, onde o processo é operado com metanol como agente redutor.
15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -14, onde o adsorvente está na forma de grânulos.
16. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- -15, onde o adsorvente é feito de pelo menos um polímero orgânico que con- tém partículas de carga eficientes para adsorver compostos orgânicos clora- dos.
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