Oxidação umida catalitica da lignina em reatores trifasicos com produção de aldeidos aromaticos

Os materiais lignocelulósicos, representando a maior reserva natural renovável da natureza, encontram-se armazenados nas plantas sob a forma de celulose, hemicelulose, lignina e extrativos, com a lignina correspondendo cerca de 30% deste total. As rotas de beneficiamento da lignina, com destaque para os processos oxidativos, visando a produção de vanilina, principalmente, utilizam na grande maioria processos bifásicos, alguns utilizando catalisadores solúveis na fase líquida, operando no entanto, com baixos rendimentos. No presente trabalho desenvolveu-se um processo de oxidação úmida catalítica (CWAO) da lignina para a produção seletiva de aldeídos aromáticos, com ênfase na vanilina, siringaldeído e p-hidroxibenzaldeído, aplicando um catalisador de paládio suportado em y-alumina. Prevendo-se a avaliação do processo catalítico foram conduzidas experiências em reator auto clave mecanicamente agitado, operando em batelada alimentada com relação à fase gasosa. Operou-se entre 373K e 413K, a uma pressão total de 20bar, representando uma pressão parcial de oxigênio entre 2bar e 10bar. A lignina com concentração de 60gIL foi solubilizada em meio alcalino de NaOH 2N. Utilizou-se um catalisador de Pd (2,85%pp.), em y-alumina, com granulometria entre 90_m e 200_m, aplicando-se concentrações de 3%pp. a 5%pp. em relação ao volume reacional. As reações de degradação da lignina e de formação de aldeídos aromáticos foram descritas por um modelo cinético quantificado por um sistema de reações complexas do tipo série-paralelo, com etapas de pseudo-primeira ordem. A presença do catalisador resultou em níveis de rendimento e seletividade em aldeídos, muito superiores quando comparados com o processo não catalítico, representando uma redução de cerca de 50% na energia de ativação para a degradação da lignina. Os níveis de conversão da lignina em aldeídos foram de 6% a 393K, 12% a 393K e 18% a 423K, para uma pressão parcial de oxigênio de 5bar e carga de catalisador de 4%pp. Com a finalidade de produzir aldeídos aromáticos em regime contínuo, um reator de leito fluidizado trifásico contínuo foi projetado e construído, em escala mini-piloto. O sistema foi avaliado hidrodinamicamente, em testes pré-operacionais, através de análise experimental utilizada aplicou a distribuição dos tempos de residência (DTR) na fase gasosa, utilizando o gás metano como traçador. A estimação dos dois parâmetros recorreu à confrontação das previsões obtidas via função de transferência do sistema, com os resultados provenientes dos experimentos dinâmicos, adotando-se como critério a minimização de uma função objetivo através de uma subrotina de busca seqüencial. Os resultados obtidos, de 2,2% a 9,3% para a retenção gasosa, e 38,0 a 54,4 para o número de Peclet da fase gasosa, estão compatíveis com os valores publicados na literatura para reatores de dimensões semelhantes operando nas mesmas condições. A produção de aldeídos aromáticos em regime contínuo, no reator de leito fluidizado trifásico, utilizou como agente oxidante o ar atmosférico a uma pressão de 4 bar. As influências dos parâmetros operacionais foram avaliadas dentro das ITonteiras práticas de operação, isto é, vazões da fase líquida de 5,OL/h e 10LIh, temperaturas de 393K e 413K. A vazão da fase gasosa foi fixada em 1000 NL/h com uma carga de catalisador de 4%pp e granulometria de 400llm - 5001lID. A lignina foi dissolvida em uma solução alcalina de hidróxido de sódio 2N a uma concentração de 30g/L. O melhor rendimento em aldeídos aromáticos foi de 12% em relação a concentração inicial de lignina, com o reator operando a 393K e vazão da fase líquida de 5L/hThe lignocellulosic material, representing the largest natural renewable resource, occurring in the plants under the cellulose form, hemicellulose, lignin and extractive, with the lignina corresponding about 30% of this total one. The routes of lignin chemical processing, with prominence for the oxidations processes, with the objective of vanilin production, use in the great majority two-phase processes, some using soluble catalysts in the liquid phase, operating however, with low efficiency. In the present work a process of catalytic wet air oxidation (CW AO) was developed with the objective of selective production of aromatic aldehydes, with emphasis in the vanilina, siringaldeído and p-hidroxibenzaldeído, ITom lignin, applying a palladium catalyst supported in y-alumina. Intending the evaluation of the catalytic process, experiences were carried out in a mechanically stirred high pressure autoclave reactor, in semi-batch way, in relation to the gaseous phase. It was operated in temperatures ITom 373K to 413K, at a total pressure of 20bar, representing a partia! pressure of oxygen ITom 2bar to 10bar. The lignin concentration of60gIL was in an aIkaline medium ofNaOH 2N. A palladium catalyst was used (2,85%pp.), in y-alumina, with granulometry ITom 90mm to 200mm, being applied concentrations ITom 3%pp. to 5%pp. in relation to the reactional volume. The reactions of lignin degradation and aromatic aldehydes production were described by a kinetics model quantified by a system of complex reactions of the series-parallel type, with stages of pseudo-first order. The presence of the catalyst resulted in high levels of seletivities in aldehydes, further than as compared with the non-catalytic process, representing a reduction about 50% in the activation energy for the lignin degradation. The levels of conversion ofthe lignin in aldehydes were of6% at 393K, 12% at 393K and 18% at 423K, for a partial pressure of oxygen of 5bar and catalyst loading of 4%pp. With the purpose of producing aromatic aldehydes in continuous regime way, a three-phase fluidized bed reactor was designed and built, in mini-pilot scale. The system was evaluated hydrodynamically, in pre-operational tests, through applying dynamic analysis for the gaseous phase. The hydrodynamic analysis of the system was accomplished through the values of the gaseous retention (8G) and of the ofaxial Peclet number (PeG). The experimental technique applied the residence time distribution (RTD) in the gaseous phase, using the methane gas as tracer. The estimation ofthe two parameters felI back upon the conftontation ofthe prevision obtained through transfer function ofthe system, with the results uom the dynamic experiments, being adopted as approach the minimization of a objective function through a subroutine of sequencial search. The obtained results, uom 2,2% to 9,3% for the gaseous retention, and 38,0 to 54,4 for the number of Peclet of the gaseous phase, are compatible with the values published in the literature for reactors operating in the same conditions. The aromatic aldehydes production in a continuous three-phase fluidized bed reactor, used as oxidizing agent the atmospheric air in apressure of 4 bar. The influences of the operational parameters were evaluated in the practical ranges of operation, that is, liquid phase flow rate of 5,OL/h and lOL_ temperatures of 393K and 413K. The gaseous phase flow rate was 1000 NL/h with a catalyst loading of 3%pp and granulometry of 400 j.1m 500j.1m The lignin was in an aIkaline medium of NaOH 2N, in a concentration of 30g/L. The best yield in aromatic aldehydes reached 12% in relation to lignin initial concentration, as the reactor was operating at 393K and liquid flow rate of5LI