PT1161426E - Processo para o fabrico de furfural. - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "Processo para o fabrico de furfural"

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um processo para o fabrico de furfural.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os reactores químicos têm de ser projectados de forma a se adequarem às características do processo pretendido. Na produção de furfural não tem sido este o caso. Para a primeira produção industrial de furfural, a QUAKER OATS utilizou reactores de um processo abandonado de cereais tal como estavam disponíveis, e desde então têm-se usado esses reactores. Mais tarde, a ROSENLEW e a ESCHER WYSS montaram fábricas de furfural baseadas em reactores projectados para fazer pasta de madeira. Nenhum dos reactores industriais de furfural utilizados hoje em dia foi concebido para ir ao encontro das necessidades especiais da produção de furfural, e não é portanto surpreendente que os rendimentos obtidos com esses reactores não excedam nem 60%.

As principais perdas de rendimento são causadas pela reacção entre furfural e xilose, de modo que procurar um alto rendimento proíbe ter o furfural e a xilose no mesmo local. Todos os reactores de furfural existentes violam este requisito. Ao eliminar claramente esta deficiência, o processo aqui descrito permite atingir rendimentos na ordem dos 100%

Em química analítica, a conversão de pentosano ou pentose em furfural é usada para uma determinação quantitativa destas substâncias. Isto é possível uma vez que foi demonstrado que neste procedimento o rendimento do furfural é de 100% provados. O procedimento consiste numa digestão atmosférico de pentosano ou pentose em HC1 aquoso a 12% saturado com NaCl. Pelo contrário, nos presentes processos industriais de furfural atrás demonstrados utiliza-se um reactor de pressão para submeter a matéria-prima a um tratamento de vapor. Por condensação, o vapor efectua o aquecimento até uma temperatura 2 ΕΡ 1 161 426/ΡΤ constante e, passando através da matéria-prima, arrasta o furfural a partir dela produzido. A reacção do furfural é catalisada quer por ácido mineral adicionado quer por vários ácidos carboxilicos (principalmente ácido acético e ácido fórmico) formados a partir da matéria-prima. Em comparação com o processo analítico do furfural, uma diferença fundamental assenta no facto de que neste ultimo processo uma entrada apropriada de calor mantém o meio reaccional num estado de ebulição, enquanto nos processos industriais a qualquer pressão, uma condensação de vapor é termodinamicamente incapaz de levar o meio reaccional, uma solução de pentose, à ebulição, devido à elevação do pondo de ebulição causada pela xilose. A diferença é ilustrada esquematicamente na Figura 1, que mostra diagramas de fases para o furfural numa solução aquosa em ebulição a 110°C (HC1 a 12% saturado com NaCl), e numa solução aquosa em ebulição a 101°C (solução de xilose) . Se for gerada uma pequena concentração de furfural ξ no primeiro sistema, que representa o processo analítico do furfural, isto leva a que o ponto A fique na zona do vapor, o que significa que qualquer furfural formado nesta solução em ebulição será instantaneamente transformado em vapor onde não pode reagir com pentose pois esta não é volátil. Consequentemente, neste caso, as perdas pela reacção entre o furfural e a pentose são impossíveis, o que explica o provado rendimento de 100%.

Por outro lado, se for gerada uma pequena concentração de furfural ξ no segundo sistema, e se esse sistema for aquecido por condensação de vapor à pressão atmosférica, isto leva a que o ponto B fique na zona do líquido. Portanto, nos presentes reactores industriais do furfural o meio reaccional não é levado à ebulição, de modo que o furfural, permanecendo em solução, pode reagir com pentose para formar furfural-pentose, o que explica as conhecidas elevadas perdas de rendimento. O arrastamento do vapor de furfural pela corrente de vapor não altera esta afirmação em extensão significativa pois este arrastamento é um processo lento e ineficiente dado o tempo bastante para a ocorrência das perdas por reacção na fase líquida.

Como a principal diferença entre o processo analítico do furfural de 100% de rendimento e o processo industrial de 3 ΕΡ 1 161 426/ΡΤ menos de 60% de rendimento assenta no facto de que no primeiro caso o meio reaccional está em ebulição enquanto que no segundo caso o mesmo está em ebulição, isto levou a criar um processo industrial no qual o meio reaccional é mantido num estado de ebulição. Tendo em conta o facto de que, com reactores gigantes de furfural carregados de sólidos não susceptiveis de serem agitados, uma entrada indirecta de energia por aquecimento das paredes pode ser excluída, constitui a essência da presente invenção proporcionar uma ebulição contínua através de uma despressurização gradual (lenta). Desta maneira, uma ebulição uniforme até dimensões moleculares é implementada sem a necessidade de mistura.

Para além dos fracos rendimentos conseguidos, os presentes processos comerciais disponíveis são de operação extremamente dispendiosa. Isto é devido às grandes quantidades de vapor necessárias, tipicamente de 30 a 50 toneladas de vapor por tonelada de furfural produzido, e aos prolongados tempos de reacção, entre 2 e 5 horas.

Um objecto da presente invenção é portanto proporcionar um processo de fabrico que não só produz um muito bom rendimento, como também necessita uma pequena entrada de vapor por tonelada de furfural produzido e resulta num curto tempo de reacção.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO A invenção proporciona um processo para o fabrico de furfural caracterizado pelos passos de carregar um reactor com material contendo pentosano, aquecer a carga pela introdução de vapor pressurizado até uma primeira temperatura predeterminada não superior a 280°C, fechar a válvula de entrada do reactor e submeter a carga a uma redução gradual da pressão até ser atingida uma segunda temperatura predeterminada não inferior a 150°C, sendo a despressurização a uma velocidade suficiente para manter a fase líquida no interior do reactor num estado de ebulição constante, sendo essa velocidade suficiente para completar a conversão em furfural antes de ser atingida a segunda temperatura predeterminada. 4 ΕΡ 1 161 426/ΡΤ

Na forma preferida a velocidade de despressurização é suficiente para completar a conversão em furfural antes de ser atingida a segunda temperatura predeterminada. Ainda na forma preferida da invenção a carga é acidificada antes do aquecimento.

Também na forma preferida da invenção, a despressurização gradual compreende um escape controlado de uma corrente de vapor do reactor até ser atingida a segunda temperatura predeterminada.

Numa forma da invenção, a primeira despressurização é seguida de um reaquecimento até uma temperatura igual ou próxima da primeira temperatura predeterminada, sendo o reaquecimento seguido de uma segunda despressurização gradual.

Podem ser empregues, se necessário, ciclos de reaquecimento e despressurização subsequentes.

Numa forma, pode ser adicionado vapor durante a despressurização para aumentar a temperatura reaccional e aumentar o rendimento.

Na forma preferida da invenção, o material de carga pode estar na forma sólida ou liquida. Bagaço de cana-de-açúcar é uma alimentação comum e pode ser adicionado ao reactor na forma sólida ou em pasta. Alimentações alternativas podem incluir qualquer outro material contendo pentose, sendo exemplos tipicos, entre outros, carolo de milho, bambu, aparas de madeira, bolo de prensado de azeitona.

Ainda na forma preferida da invenção a despressurização gradual tem lugar na gama de temperaturas entre 280° Celsius e 150° Celsius, contudo, a gama de operação preferida encontra-se entre 230° Celsius e 170° Celsius.

Através de uma escolha apropriada da primeira e da segunda temperaturas, e da selecção apropriada de uma concentração de ácido mineral ou orgânico, é possível, se desejado, completar o processo num único período de despressurização, pois altas temperaturas e elevada acidez resultam num tempo de reacção curto. 5 ΕΡ 1 161 426/ΡΤ

Na forma preferida da invenção, é usado ácido fosfórico como catalisador.

Um equipamento para utilização num processo de acordo com a invenção compreende um reactor de pressão incluindo uma entrada para vapor sobre pressão e uma saida para vapor condensado, a entrada e a saida incluindo uma ou mais válvulas para controlar o caudal. A saida inclui, depois de uma válvula, um prato perfurado de dimensões predeterminadas para ajudar ao controlo da velocidade de despressurização. Nesta forma a válvula e o prato perfurado podem ser operados em tandem para obter uma gama de velocidades de despressurização ou pode ser usada uma válvula de controlo de escoamento controlada por temperatura ou pressão.

Em qualquer forma da invenção o reactor pode ser bem isolado termicamente.

Numa forma alternativa da invenção as paredes do reactor foram projectadas para serem aquecidas. Ainda nesta forma, todas as operações com válvulas são preferivelmente controladas automaticamente por uma unidade de controlo computadorizada. Demonstrou-se experimentalmente, numa instalação à escala piloto, que mantendo a fase líquida do meio reaccional num estado de ebulição durante todo o período da reacção, o rendimento de furfural obtido é substancialmente maior que o dos processos comerciais correntes, e se correctamente controlado pode aproximar-se dos rendimentos conseguidos no processo analítico do furfural. A requerente defende que para além de aumentar o rendimento, o processo da invenção é operável com custos de capital e de produção substancialmente diminuídos, pelas seguintes razões: (1) o processo da invenção não usa vapor para separar o furfural da massa de material de alimentação uma vez que estando o reactor suficientemente aquecido, a entrada de vapor é fechada. Vapor adicional irá apenas ser necessário brevemente se for utilizado um ciclo de reaquecimento. 6 ΕΡ 1 161 426/ΡΤ (2) como resultado da não utilização de vapor para separar o furfural, o volume de condensado existente no reactor é significativamente reduzido e a concentração de furfural irá ser proporcionalmente aumentada em relação aos processos existentes. Esta concentração aumentada de furfural irá simplificar grandemente a destilação azeotrópica primária. Em casos especiais, por exemplo na aplicação do furfural como nematicida, não é mesmo necessária qualquer destilação. (3) o produto da invenção contém menos ácidos acético e fórmico (formados a partir da matéria-prima) uma vez que, depois de ser atingida a segunda temperatura predeterminada da descompressão, a maior parte destes subprodutos são descarregados com o resíduo. Isto reduz fortemente a carga do efluente gerado pela fábrica.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO 0 processo de acordo com a invenção é descrito adiante com referência à Figura 2, que é um diagrama esquemático do processo e do equipamento.

Um reactor 1, termicamente bem isolado, carregado com matéria-prima, acidificada ou não, é aquecido até uma temperatura Τχ por admissão de vapor através da válvula 2 enquanto as válvulas 3 e 4 estão fechadas. Durante o muito curto processo de aquecimento o vapor condensa, deste modo aumentando o teor de humidade da carga. Então, a válvula 2 é fechada e uma válvula de escape 3 é aberta de modo a produzir um pequeno fluxo estacionário de vapor do produto por despressurização gradual. Isto causa uma lenta diminuição da temperatura. Quando desta maneira é atingida uma temperatura seleccionada T2, a válvula de escape 3 é fechada para terminar a primeira "despressurização gradual". Se no fim deste período não for obtido mais furfural, a digestão é completada através da abertura da válvula 4 para descarregar o resíduo. Se, no entanto, se continuar a obter furfural, o reactor é reaquecido e submetido a outro período de "despressurização gradual". Este procedimento pode ser arbitrariamente repetido. Todas as operações com válvulas são controladas por uma unidade de controlo automática 5. 7 ΕΡ 1 161 426/ΡΤ

Através de uma escolha apropriada das temperaturas Ti e T2 e através de uma escolha apropriada da concentração de ácido, é possível, se desejado, completar o processo num único período de despressurização pois uma alta temperatura e uma elevada acidez permitem um curto tempo de reacção.

Desnecessário será dizer que, o projecto de uma tal operação é complicado pois a reacção do furfural tem lugar ao longo de uma ampla gama de temperaturas (e.g. desde 230°C a 160°C), mas, uma vez calculado, a realização prática do processo é extremamente simples.

Como, devido à contínua corrente de escape, o meio reaccional é mantido num estado de ebulição durante todo o período de reacção, o rendimento de furfural corresponde ao do processo analítico do furfural estando na ordem dos 100%.

Lisboa,

Claims (10)

1. ΕΡ 1 161 426/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para o fabrico de furfural caracterizado pelos passos de carregar um reactor com material contendo pentosano, aquecer a carga por introdução de vapor pressurizado a uma primeira temperatura predeterminada não superior a 280°C, fechar a válvula de entrada do reactor, e submeter a carga a uma redução gradual de pressão até ser atingida uma segunda temperatura predeterminada não inferior a 150°C, sendo a despressurização a uma velocidade suficiente para manter a fase líquida no interior reactor num estado de ebulição constante, sendo essa velocidade suficiente para completar a conversão em furfural antes de ser atingida a segunda temperatura predeterminada.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a carga ser acidificada antes do aquecimento.
3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a velocidade de despressurização ser suficiente para completar a conversão em furfural antes de ser atingida a segunda temperatura predeterminada.
4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a conversão completa em furfural ser obtida em mais do que uma despressurização desde a primeira temperatura predeterminada até à segunda temperatura predeterminada, através da adição de vapor.
5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser adicionado vapor durante a despressurização, durante um período predeterminado.
6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a despressurização gradual compreender o escape controlado de uma corrente de vapor a partir da reacção até ser atingida a segunda temperatura predeterminada.
7. 7. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a despressurização gradual ter lugar numa gama de temperaturas entre 280° Celsius e 150° Celsius. ΕΡ 1 161 426/ΡΤ 2/2
8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 7 caracterizado por a gama de temperaturas de operação estar entre 230° Celsius e 170° Celsius.
9. 9. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser usado ácido fosfórico como catalisador.
10. 10. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser usado ácido acético como catalisador adicionado. Lisboa,