PROCESSO DE HOCK

Oxidação

A primeira etapa do processo é a oxidação. Nessa primeira fase do processo, tanto o cumeno fresco, quanto o cumeno reciclado (originado de outras fases do processo) são bombeados para um tanque de oxidação. O oxigênio necessário nessa fase é tirado diretamente da atmosfera, porém, primeiro esse ar é filtrado e comprimido. O calor liberado nessa reação de oxidação pode ser usado para ajustar a temperatura do cumeno (que entra no tanque frio) ou, em unidades produtivas maiores, esse calor pode ser usado na fase de concentração para vaporizar o cumeno.

Após a reação, o ar que não reagiu é passado por um condensador, com intuito de separar hidrocarbonetos e cumeno do ar para que, assim, esse possa ser devolvido à atmosfera, enquanto que o cumeno pode ser reciclado. Ao final dessa fase, se formará o hidroperóxido de cumeno (CHP), além de outros produtos como o dimetil-fenilcarbonil (DMPC). [1]

O CHP é um composto muito instável e reativo (assim como a maior parte dos peróxidos orgânicos). Logo, menos de 40% do cumeno (normalmente a quantidade que reage é em torno de 35% [11]) presente no tanque reage, para evitar que ocorra uma explosão. Com essa conversão menor, a concentração do CHP no tanque de oxidação não será tão alta e nem liberará tanto calor, evitando, assim, a decomposição prematura do peróxido, além de obter maior seletividade na formação do CHP. O cumeno que não reagiu tem de ser separado e reciclado, contribuindo para o aumento dos custos finais [8].

(imagem retirada do artigo “Phenol Process Celebrates Its 60th Anniversary: The Role of Chemical Principles in Technological Breakthroughs1”escrito por V. Zakoshansky)

Como já dito anteriormente, nessa fase também ocorre a formação de subprodutos, assim a conversão do cumeno em CHP apresenta seletividade em torno de 90% (base molar). Tal seletividade é maior na presença de apenas oxigênio gasoso (95% em base molar) e bem menor na presença de todo oxigênio dissolvido na fase liquida (em torno de 50% em base molar). [2]

Durante a reação a temperatura do sistema oscila entre 90°C e 130ºC (normalmente ocorrendo na média, 110ºC), enquanto que a pressão oscila entre 1 atm e 10 atm (normalmente, ocorrendo a 7 atm). Outro dado também relevante é que essa reação, como já dito anteriormente, é exotérmica, com um calor de reação de -117kJ/mol. [7] [9].

Concentração

Após a formação do CHP, e dos outros subprodutos, a mistura é transportada para uma coluna de concentração onde, como o próprio nome diz, haverá um aumento da concentração do CHP, pois como foi dito anteriormente, menos de 40% do cumeno reage na primeira fase (ou seja, há mais cumeno do que CHP após a fase de oxidação).

Para aumentar essa concentração, a coluna normalmente opera a pressões próximas ao vácuo, pois assim a temperatura de ebulição do cumeno diminui. É, então, transferido calor para essa coluna, fazendo com que o cumeno se separe da solução, podendo ser coletado e transportado para os tanques de oxidação. Após essa separação, a concentração do CHP aumenta significativamente, o que possibilitará uma maior eficiência na próxima fase. [1]

Decomposição

Essa é a etapa mais complexa do processo de produção do fenol. Isso se deve ao fato de que nessa fase ocorrem diversas reações químicas (mais que 60) no mesmo reator, além de que nessa fase ocorre a decomposição do CHP, um composto muito instável, que libera calor a uma taxa muito rápida, sendo necessária a remoção desse calor também de forma muito rápida, para que não ocorra um acidente. [2]

(imagem retirada do artigo “Phenol Process Celebrates Its 60th Anniversary: The Role of Chemical Principles in Technological Breakthroughs1”escrito por V. Zakoshansky)

De maneira simplificada, essa fase ocorre da seguinte forma: a mistura presente na concentração é bombeada para um reator onde ocorrerá a clivagem. Nesse reator, é adicionado um ácido forte, normalmente ácido sulfúrico, (numa proporção de 1% em massa em relação aos reagentes) [11], que será o catalisador da reação. Os produtos que se desejam obter ao final do processo são, principalmente, o fenol, a acetona e o α-metilestireno (AMS). Então, é preciso fornecer condições que possibilitem a maior seletividade possível para a formação desses produtos. E isso ocorre mantendo a temperatura do meio em torno de 60 ºC. [2] O calor liberado na reação é de -252KJ/mol [11].

A conversão do CHP em fenol e acetona é quase completa, em torno de 99,5% (utilizando-se o método da empresa KBR), enquanto que a conversão do dimetil-fenilcarbinol em α-metilestireno é de aproximadamente 90%(utilizando-se o método da empresa Sunoco/UOP). [1]

Neutralização e separação

O produto da unidade de clivagem é resfriado e fenolato de sódio é adicionado para a neutralização do ácido sulfúrico, que é, então, removido sob a forma de sulfato de sódio. O produto de neutralização é enviado para a unidade de destilação, sendo a primeira delas a coluna de acetona, onde temos a obtenção de acetona pura como principal superior. A parte inferior da coluna de acetona é enviada para outra coluna de destilação onde o AMS, CHP, DMPC, fenol e água são separados como produto superior, tendo como principal produto inferior obtido o sulfato de sódio sólido. A água é separada em um decantador e levada para a seção de tratamento.

O fenol é separado do AMS em uma terceira coluna de destilação, estando apto para sua comercialização. Nessa coluna, também são retirados os traços de impureza, que no caso seriam o CHP e o DMPC restantes. O α-metilestireno, por sua vez, pode ser hidrogenado numa fase seguinte. A hidrogenação leva à formação de mais cumeno, que pode ser usado pela indústria na obtenção de mais fenol. O AMS também pode ser separado e comercializado à parte [7]. Em nosso trabalho, optamos pelo método da hidrogenação do AMS.

Conversão das reações

De maneira simplificada, a reação que ocorre no processo de formação do fenol pode ser descrita por:

(Imagem retirada do artigo “Industrial catalytic processes—phenol production” de Robert J. Schmidt)

Porém, como foi visto, principalmente na fase de decomposição o processo não é tão simples e direto assim. Outra reação importante, citada ao longo do texto, é a reação de produção do AMS, que pode ser simplificada dessa forma:

(Imagem retirada do artigo “Industrial catalytic processes—phenol production” de Robert J. Schmidt)

Como já dito anteriormente, a oxidação do cumeno ocupa atualmente o papel de principal mecanismo para a obtenção do fenol. Sendo assim escolhemos esse método de produção para apresentarmos aqui. Abaixo segue um breve resumo sobre cada etapa da obtenção de fenol via oxidação de cumeno.