Olá querido leitor. Quando eu comecei o meu doutorado, meu orientador me deu o livro intitulado “Introduction to Microfluidics” [1], no qual era feita a seguinte pergunta: Pode uma refinaria química ser miniaturizada?. Essa pergunta de certa forma foi e ainda é a motivadora das minhas pesquisas em Microfluídica & Engenharia Química. Imagine, que você possa ter todos os processos químicos encontrados em uma planta química em um microdispositivo ou você ter um sistema na bancada do laboratório que se assemelhe do que é praticado na indústria. Além da praticidade desse conceito para nós engenheiros no desenvolvimento de processos químicos, equipamentos e plantas químicas, essa miniaturização poderia trazer outros enormes benefícios.
Primeiro Computador do Mundo, o Integrador e Calculadora Numérica Eletrônica (ENIAC). Fonte: National Archives. ID: 594262
Por exemplo, se olharmos para o desenvolvimento da eletrônica/computação ficará mais claro como a miniaturização pode beneficiar as plantas químicas. O ENIAC foi o primeiro computador a ser desenvolvido, custando cerca de US$ 6.000.000, com 2,40 metros de altura, 0,91 metros de profundidade e 24,38 metros de comprimento e pesando 30 toneladas. Se nós compararmos um telefone celular com funções básicas de mensagens de texto, MP3 e câmera com 0,3 MP, esse celular custaria 17.000 vezes menos, seria 40.000.00 vezes menor, usaria 400.000 vezes menos energia e pesaria 120.000 vezes menos. Mas, seria 1.300 vezes mais poderoso do que o ENIAC [2]. Então, eu me pergunto e faço a mesma pergunta para você leitor. Será que uma planta química miniaturizada teria essas mesmas vantagens sobre as plantas químicas convencionais?
Em 2007, o IChemE (Instituto de Engenheiros Químicos, em inglês) lançou um roteiro para a Engenharia Química do século XXI [3] no qual diz que os engenheiros químicos deverão reavaliar os designs das plantas industriais levando em consideraçao novos conceitos como a intensificação de processos, flexíbilidade, plantas miniaturizadas, produção localizada e ecologia industrial. Essa declaração aponta para uma nova tendência de modernização das atuais plantas industriais. Assim esses conceitos, principalmente o de intensificação de processos, tem chamado a atenção de engenheiros químicos no desenvolvimento de novos (e menores) equipamentos e técnicas.
Entender o conceito de intensificação de processos (PI) e sua relação com a microfluídica pode nos ajudar a responder as duas perguntas feitas acima. Por isso resolvi explorar junto com vocês esses conceitos. E para não ficar muito extenso o texto, eu dividi em duas partes. Na primeira nós iremos definer o que é intensificação de processos e como é classificado. Na semana que vem, nós iremos ver alguns exemplos de sistemas microfluídicos que já estão sendo utilizados no sentindo de reduzir o tamanho das plantas químicas.
A. Definição de PI
Uma definição geral e compartilhada de PI não existe. Alguns autores ao longo dos anos foram apresentando diferentes definições que nos ajudaram a entender o que é PI.
A primeira definição encontrada foi dada por Ramshaw [4] em 1995 na 1st International Conference on Process Intensification in the Chemical Industry que define PI como a estratégia de redução no tamanho de uma planta química de modo a atingir um determinado objetivo de produção. Segundo Ramshaw a redução no tamanho poderia ocorrer pela diminuição do tamanho das peças individuais ou pela redução no número de unidades envolvidas.
Na época, Ramshaw falou sobre redução de volume na ordem de 100 ou mais. Isso pareceu ser um número bastante desafiador, pois conceitos de miniaturização ainda não estavam muito difundidos na Engenharia Química. O que fez outros autores a pensarem sobre esse fator de redução.
Para Stankiewicz and Moulijn [5] uma diminuição no volume na ordem de dois já tem todos os atributos necessário para ser considerado como intensificação de processo. Esses mesmos autores em [5] ampliaram a definição de PI, por achar a definição de Ramshaw bastante estreita, descrevendo PI exclusivamente em termos de redução no tamanho da planta ou do equipamento. Segundo eles, PI consiste no desenvolvimento de novos equipamentos e técnicas que deverão trazer melhorias significativas na fabricação e processamento, diminuindo consideravelmente a razão do tamanho do equipamento/capacidade de produção, consumo de energia ou produção de resíduos e resultando em tecnologias mais econômicas e sustentáveis.
De forma resumida, qualquer desenvolvimento na Engenharia Química que leve a uma tecnologia substancialmente menor, mais limpa e energeticamente eficiente é intensificação de processo, de acordo com as definições acima.
Lutze et al. [6] estendeu um pouco mais essas definições de PI. Para os autores, PI pode ser alcançado por adição/reforço de fenômenos em um processo através da integração de operações, funções, fenômenos ou, alternativamente, através do reforço orientado do fenômeno numa operação, o que segundo os autores proporcionaria oportunidades e desafios para muitos atributos como, aumento da produtividade, aumento da capacidade, maior segurança, maior flexibilidade e diminuição da energia usada e de resíduos.
B. Divisão e classificação de PI
Intensificação de processos pode ser dividido em duas áreas [5]:
- equipamento de intensificação de processos, como novos reatores e dispositivos com elevada mistura, transferência de calor e massa; e
- métodos de intensificação de processos, como novas ou híbridas separações, integração de reação e separação, troca de calor, transição de fase (reatores multifuncionais), técnicas que utilizam fontes de energias alternativas (luz, ultra-som, etc.) e novos processos/métodos de controle.
Para exemplificar essas áreas podemos analisar a produção de biodiesel através da reação de transesterificação de óleo vegetal com metanol na presença de catalisador (Figura abaixo). Esse processo consiste na reação de um álcool com o triglicerídeo (óleo vegetal), formando ésteres e glicerol, sendo acelerada por catalisadores ácidos, alcalinos ou enzimáticos. Na Figura, a reação ocorre em um reator convencional do tipo CSTR, onde a corrente de saída será composta de biodiesel, glicerol, óleo (não reagido), metanol (em excesso) e catalisador. Essa corrente (PRODUCTS) é levada a uma coluna de destilação para separar e recircular o metanol não reagido, obtendo uma corrente de produtos (ESTERES) com uma baixa concentração de metanol. Utilizando conceitos de PI, esses dois processos poderiam ser realizado em um único equipamento, utilizando a destilação reativa.
Simulação de produção de biodiesel no software Aspen Plus®.
A destilação reativa é um processo no qual uma reação química catalítica e destilação (fracionamento de reagentes e produtos) ocorrem simultaneamente em um único dispositivo [7]. No dispositivo/coluna, os produtos químicos são convertidos no catalisador enquanto os produtos da reação são continuamente separados por fracionamento. Este é um dos exemplos mais conhecidos de reação e separação de integração, e é utilizado comercialmente. Um exemplo são as colunas de destilação reativa da Sulzer Ltd (para mais informações clique aqui) .
Lutze et al. [6] relatou que os princípios de PI podem ser classificados como melhorias alcançadas através de:
- integração de operações, por exemplo, unidade de reator e membrana;
- integração de funções, por exemplo, conversão e separação ou conversão, contato e mistura;
- integração de fenômenos, por exemplo, fenômeno de reação, convecção e difusão, transferência de calor, transferência de fluxo de volume; e/ou
- melhoramento direcionado de um fenômeno de uma determinada operação, por exemplo, fenômenos convectivos e de difusão e de transferência de calor.
Os autores afirmam que usando os 3 primeiros princípios, PI é alcançado adicionando e aprimorando o fenômeno dentro de uma função e/ou operação para o projeto melhorado do equipamento, a fim de maximizar a força motriz ou superar as limitações que ocorrem no processo convencional correspondente . Já utilizando o quarto princípio, PI é conseguido através de uma melhor utilização dos respectivos fenômenos/funções para superar as limitações que ocorrem em uma determinada operação convencional.
A vantagem de classificar o PI é que podemos ter uma visão sobre a lógica dos processos intensificados, bem como as interações entre os princípios. A classificação permite a análise sistemática de cada processo intensificado para identificar os fenômenos que precisam ser aprimorados para obter o maior benefício.
A classificação também ajuda a distinguir a intensificação de processo das técnicas estabelecidas de integração de processos [6]. Também nos permite esclarecer que a intensificação de processos está relacionada apenas a métodos e equipamentos de engenharia. Assim, por exemplo, o desenvolvimento de uma nova rota química ou uma mudança na composição de um catalisador, por mais dramáticas que sejam as melhorias que elas trazem à tecnologia existente, não se qualificam como intensificação do processo [5].
Na época da primeira definição de PI uma redução de volume na ordem de 100 ou mais era extremamente dificil de ser alcançar. Entretanto, uma promissora tecnologia no campo de miniaturização de sistemas, síntese orgânica e produção de energia apareceu e vem obtendo resultados bastante satisfatório. Você já sabe de quem nós estamos falado, certo?
Sim, estamos falando da Microfluídica!
Mas, isso são cenas do próximo capítulo. Até semana que vem querido leitor!
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- Tabeling. Introduction to Microfluidics. Oxford University Press, Great Britain, 2005.
- The ENIAC vs. The Cell Phone, 2013. Disponível em:< http://www.antiquetech.com/?page_id=1438 />. Acesso em: 14 de novembro, 2017.
- Institution of Chemical Engineers (IChemE). A Roadmap for 21st Century Chemical Engineering, 2007. Disponível em :< http://www.gospi.fr/IMG/pdf/roadmap2007-GP.pdf />. Acesso em: november 14, 2017.
- Ramshaw. The Incentive for Process Intensification, Proceedings, 1st Intl. Conf. Proc. Intensif. for Chem. Ind., 18, BHR Group, London, p. 1 (1995)
- I. Stankiewicz and J. A. Moulijn. Process Intensification: Transforming Chemical Engineering. Chemical Engineering Progress, 2000.
- LutzeUTZE, R. Gani and J.M. Woodley. Process intensification: A perspective on process synthesis. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, v. 49, p. 547-558, 2010.
- Sakuth, D. Reusch and R. Janowsky. Reactive Distillation. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. 2008.
