Otimização da etapa de extração líquido-líquido em meio alcalino do mononitrobenzeno

Abstract

Encontrar soluções de melhoria de funcionamento de processos com vista à sua otimização é fundamental para as empresas. O objetivo deste estudo foi a otimização da etapa de extração líquido-líquido do mononitrobenzeno (MNB), em meio alcalino, na CUF-QI. A primeira etapa consistiu na construção do modelo matemático para a extração líquido-líquido neste processo, que inclui dois lavadores em série. Esta extração reativa emprega como solvente uma solução aquosa de amónia, sendo os compostos a extrair o dinitrofenol (DNF) e o trinitrofenol (TNF), subprodutos da nitração do benzeno. O modelo matemático aplicou os princípios básicos da termodinâmica para descrever o equilíbrio líquido-líquido através do modelo NRTL. Contudo, a utilização do modelo NRTL para os compostos DNF e o TNF revelou-se inviável, uma vez que as propriedades termodinâmicas dos mesmos são pouco conhecidas, o que obrigou a recorrer a modelos estatísticos. Em trabalhos anteriores foram construídos modelos estatísticos para as razões de distribuição do DNF e TNF entre as duas fases com base em dados do laboratório e do processo de lavagem alcalina na CUF-QI. As soluções da função de otimização do processo de lavagem foram obtidas recorrendo ao software GAMS®. O modelo matemático permitiu proceder a uma análise de sensibilidade das razões de distribuição de DNF e TNF entre as fases aquosa e orgânica em função das variáveis de operação, nomeadamente: concentrações de amónia e de carbonato de amónio na água de lavagem, razão mássica entre a água de lavagem e o MNB a lavar e temperatura nos lavadores. As variáveis em estudo foram analisadas individualmente. A concentração de amónia na água de lavagem confirmou ser a variável globalmente mais influente, tanto na análise de sensibilidade como na solução de otimização do processo, apesar de ter efeitos contrários na distribuição dos dois compostos a remover entre as fases. O estudo de otimização também teve em atenção todas as variáveis referidas em conjunto e os resultados foram analisados em função das percentagens de extração de DNF e TNF atingidas à saída do segundo lavador face às condições nominais, bem como da percentagem de redução global de nitrofenóis (NF= DNF+TNF). Nas atuais concentrações de DNF e TNF na alimentação do MNB, as condições de operação ótimas podem permitir uma extração global de NF de 99,68%, o que representa uma melhoria de 75% em relação às condições nominais. A redução das concentrações de amónia e NF na corrente proveniente do concentrador de nitrofenóis da fábrica, que alimenta os lavadores, permitirá ainda maiores reduções dos NF em relação às condições nominais (78,1%-82,6%) sendo esta melhoria mais significativa para o TNF. A operação dos dois lavadores com temperaturas diferentes não justifica o investimento em permutadores de calor, apesar de uma ligeira melhoria do processo. Nos diversos casos avaliados a eliminação do TNF confirmou ser o maior desafio. Os resultados apresentados tiveram em consideração que se atinge uma boa separação das fases orgânica e aquosa não havendo arrastamento da fase aquosa na fase orgânica.

Finding solutions to improve the operation of processes through optimization is fundamental for the chemical companies. The objective of this study was the optimization of the liquid-liquid mononitrobenzene (MNB) extraction stage, with alkaline solvent, at CUF-Químicos Industriais.The first step consisted in developing the mathematical model for the liquid-liquid extraction, which includes two washers in series. This extraction is reactive and uses an aqueous solution of ammonia as solvent that extract the by-products of benzene nitration, namely dinitrophenol (DNF) and trinitrophenol (TNF). The mathematical model applied the basic principles of thermodynamics to describe liquid-liquid equilibrium by using the NRTL model. However, due to the lack of information regarding the thermodynamic properties of DNF and TNF, the on NRTL model was infeasible for these products. In previous studies, statistical models for DNF and TNF were developed for the prediction of distribution ratios between the two phases, based on laboratory results and the industrial data from alkaline washing process at CUF-QI. These models were adopted in this study the solution of the optimization functions were obtained using GAMS® software.The mathematical model allowed a sensitivity analysis of the DNF and TNF distribution ratios between the aqueous and organic phases as function of the operating variables, namely the ammonium and ammonium carbonate concentrations in the wash water, the wash water/MNB flowrate ratio and the temperature in the washers. Each variable was analyzed independently. The concentration of ammonia in the wash water has confirmed to be the most significant variable, either in the sensitivity analysis or in optimum solution of the process, although it has shown apposite effects on the distribution of the compounds to be removed between the phases.The optimization study also took into account all the mentioned variables together and the results were analyzed as a function of the extraction percentages of DNF and TNF at the outlet stream of the second washer compared to the nominal conditions, as well as the percentage of global reduction of nitrophenols (NF = DNF + TNF). At the current feed concentrations of DNF and TNF, the optima operating conditions can allow an overall NF extraction of 99.68%, which represents an improvement of 75% over nominal conditions. The reduction of ammonia and NF concentrations in the stream coming from concentrator of nitrophenols, which feeds the wasters, will allow even greater NF reductions over nominal conditions (78.1% -82.6%), being this improvement more significant for TNF. The operation of the two washers with different temperatures does not compensate the investment on heat exchangers. In the several cases evaluated the elimination of TNF confirmed to be the greatest challenge. The results presented have taken into account that a good separation of the organic and aqueous phases is achieved without any flow of the aqueous phase in the organic phase.