Quais os efeitos térmicos importantes que podem ocorrer em processos químicos industriais relativamente simples, como por exemplo, o citado no livro Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química: O processo de fabricação do etileno glicol (um agente anticongelante) através da oxidação do etileno a óxido de etileno e sua subsequente hidratação a glicol?
Passo 1
O enunciado pergunta quais efeitos térmicos devemos considerar em processos químicos industriais relativamente simples, exemplificados pela oxidação do etileno a óxido de etileno e pela hidratação subsequente a etileno glicol. O conteúdo é termodinâmica de processos químicos e vamos precisar entender entalpia de reação, transferência de calor, mudanças de fase e integração energética para responder.
Passo 2
Analisar o calor de reação dos dois estágios. A oxidação do etileno a óxido de etileno é fortemente exotérmica, ou seja, tem
, o que gera calor que eleva a temperatura do reator. A hidratação do óxido de etileno a etileno glicol também é exotérmica, mas em grau diferente. Para estimar a elevação adiabática de temperatura usa-se
onde
e
são as massas e capacidades caloríficas das correntes reagentes.
Passo 3
Examinar o controle térmico no reator. Como as reações liberam calor, precisamos de sistemas de remoção de calor (jacket, câmaras internas, serpentinas). A manutenção de uma temperatura ótima evita hotspots que degradam o catalisador e deslocam o equilíbrio. Se o resfriamento falhar, há risco de “runaway” (reação descontrolada).
Passo 4
Considerar gradientes térmicos e seus efeitos mecânicos. Variações de temperatura dentro de tubos e cascas de trocadores provocam dilatação diferencial e tensões térmicas, que podem levar a trincas, vazamentos e fadiga nos materiais. Também afetam uniformidade de fluxo e desempenho do catalisador.
Passo 5
Levar em conta mudanças de fase nas etapas de separação. Depois da reação, muitas vezes faz-se condensação do óxido de etileno ou vaporização para purificação, seguida de destilação do etileno glicol. O calor latente de vaporização/condensação impõe cargas grandes aos trocadores e às colunas, exigindo dimensionamento adequado e utilidades (vapor e refrigeração).
Passo 6
Avaliar a integração energética do processo. Calor gerado na reação pode pré-aquecer correntes de alimentação ou impulsionar evaporadores, reduzindo o consumo de utilidades externas. O balanço térmico global identifica oportunidades de troca de calor “quente–frio” entre correntes e melhora a eficiência energética.
Resposta
- Calor de reação (entalpia de reação), que eleva a temperatura do reator e exige remoção de calor.
- Elevação adiabática de temperatura (
), importante para prever hotspots e riscos de runaway. - Controle de temperatura do reator via trocadores (jacket, serpentinas) para manter seletividade e preservar catalisador.
- Gradientes térmicos em equipamentos, causando dilatações, tensões térmicas e potencial fadiga dos materiais.
- Efeitos de mudança de fase (calor latente de vaporização e condensação) nas etapas de purificação e destilação.
- Integração energética (recuperação de calor entre correntes quentes e frias) para aumentar eficiência e reduzir consumo de utilidades.