UNIVERSIDADE DO VALE DO PARAÍBA
FACULDADE DE ENGENHARIA, ARQUITETURA E
URBANISMO
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO - ANO 2014
POLIMERIZAÇÃO DA RESINA ACRÍLICA
Estudante: Maria Eduarda Serafim Camargo
Professor Orientador: Mônica D.V.D.C.T. Barbosa
São José dos Campos – SP
12 de dezembro de 2014
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus que me disponibilizou essa
oportunidade, que me deu forças e saúde durante essa jornada.
A minha família que sempre esteve presente, me apoiando em todos os
momentos.
Aos meus colegas pelo companheirismo e incentivo.
A orientadora Mônica D.V.D.C.T Barbosa que se dedicou a todos
momentos e que teve papel fundamental na elaboração desse trabalho.
Obrigada a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha
formação, sou o resultado do incentivo e fé de cada um de vocês.
“Tudo o que um sonho precisa para ser realizado é alguém que
acredite que ele possa ser realizado.”
Roberto Shinyashiki
2
RESUMO
Os polímeros são de grande importância para o nosso cotidiano, tem uma gama
imensa de produtos tais como: roupas, tintas, canetas, aplicações na construção civil,
cadeiras, copos, pratos, entre vários outros produtos. Esse trabalho representa umas das
utilizações dos polímeros na fabricação de resina para a indústria têxtil, abordando um
problema decorrente em uma empresa da região do Vale do Paraíba, que durante a
finalização do processo de fabricação ocorria à formação de resíduos. Durante o
processo de produção da resina disponibilizava muito tempo para o controle de
temperatura. Alguns testes foram realizados com o intuito de minimizar esses gastos de
tempo em um determinado reator. Durantes alguns meses foram coletados dados e testes
para a realização desse presente trabalho onde possibilitou resultados que proporcionou
obter a diminuição da formação de resíduos através de um ajuste de agitação e testes
para avaliar a matéria prima utilizada antes de aplicar em escala industrial.
PALAVRA-CHAVE: Resina; reator; resíduo.
ABSTRACT
The polymers have great importance in our daily lives, they have a huge range of
products such as clothes, paints, pens, applications in construction, chairs, glasses,
plates, and among many other products. This work represents one of the uses of
polymers in the manufacture of resins for the textile industry. It will approach a problem
caused by a company of the Vale do Paraiba region which during the completion of its
manufacturing process had residue formation. The process of conducting the resin lost a
long time for the temperature control, so some tests were carried out to minimize these
intuited spending time in a given reactor. During few months were collected and tested
some data to perform this present work which enabled us to obtain results to decrease
the waste generation. This result was possible by adjusting agitation and tests to
evaluate the raw material used before applying in industrial scale.
KEYWORDS: Resin; reactor ; waste.
3
ÍNDICE
Introdução......................................................................................................5
Materiais e Métodos....................................................................................10
Apresentação dos procedimentos experimentais.........................................11
Resultados...................................................................................................12
Conclusão....................................................................................................28
Bibliografia..................................................................................................29
4
INTRODUÇÃO
Os polímeros são de uma classe de materiais dos quais a sociedade do século XXI é
bastante dependente. O emprego de materiais poliméricos na vida diária é cada vez mais
significativo. Pode-se facilmente comprovar isso observando os inúmeros materiais que são
fabricados a partir dos compostos poliméricos, como por exemplo: tubos de encanamentos,
canetas, roupas de náilon e de poliéster, guarda-chuva e guarda-sóis, válvulas, tintas,
borracha, próteses e etc. Assim o assunto polímeros constitui um tema de indiscutível
relevância, tantos pela sua importância como matéria-prima de uma gama imensa de produtos,
sem os quais dificilmente desfrutaríamos do mesmo conforto que temos atualmente. [1]
Polímero é uma substancia constituída de moléculas caracterizadas pela repetição de
uma ou mais espécies de átomos ou grupos de átomos (unidades constitucionais, os meros),
ligados uns aos outros em quantidade suficiente para fornecer uma macromolécula, que possui
um conjunto de propriedades que não variam acentuadamente com a adição ou a remoção de
uma ou algumas de suas unidades constitucionais. [2]
Os mecanismos, segundo os quais ocorre a polimerização podem ser classificados em
duas categorias gerais: Adição e Condensação. [2]
Como os monômeros devem se juntar à molécula em crescimento, a fim de produzir
moléculas poliméricas, cada monômero deve ter dois ou mais pontos de reação nos quais
possam ser feita junções. [3]
o Polimerização por Adição: São formados por sucessivas adições de um único
monômero a uma cadeia polimérica em crescimento. As substâncias utilizadas na
produção desses polímeros apresentam, na maioria das vezes, pelo menos uma dupla
ligação entre carbono. Nesse tipo de polimerização, a molécula origina seus pontos de
reação pela ruptura de duplas ligações e formação de duas ligações simples, portanto a
polimerização ocorre sem formação de subproduto.[3]
o
Polimerização por condensação: Contrastando com as reações de adição às quais são
primariamente umas soma de moléculas individuais para formar o polímero, as reações de
condensação são formadas, geralmente, pela reação entre dois monômeros diferentes, com a
eliminação de moléculas pequenas como subproduto, exemplo à água. Nesse tipo de
5
polimerização os monômeros não precisam apresentar ligações duplas entre carbonos, mas é
necessária à existência de dois tipos de grupos funcionais nos dois monômeros diferentes,
pois reagem entre si (monômeros bifuncionais). [3]
A utilização das resinas acrílicas decorrente dos polímeros tem revolucionado o
cotidiano. Ao mesmo tempo, têm-se o surgimento de problemas consequentes de novas
aplicações ou até mesmo de matérias primas inapropriadas para o processo, tendo assim o
surgimento de partículas residuais no produto.
As Resinas acrílicas além de ter como matéria prima os polímeros para a sua formação,
elas também são derivadas dos ácidos acrílicos e metacrílicos alguns exemplos dos derivados
desses ácidos são: Metacrilato de Metila,
Metacrilato
de
Etila,
Acrilato
de
Butila,
Acrilamida, Acrilato de Etila etc.[1]
Os acrilatos são resinas versáteis: podem ter elevadas elasticidades ou ser tão rígidas
que admitem usinagem. Essas resinas podem ser termoestáveis (termorrígidas), que curam
com o auxilio de energia térmica, ou termoplástica, que formam a película por evaporação de
solventes. Podem também apresentar mecanismos filmógeno por coalescência. Sua principal
característica é a excelente retenção de cor, não amarelando quando exposto as intempéries.
As resinas acrílicas tem grande resistência à decomposição pelos raios ultravioletas, bem
como resistência a óleos e graxas. Assim, quando incorporadas em formulações com outras
resinas, conferem ao conjunto todas essas propriedades. [1]
Muitos
polímeros
amorfos
(as
moléculas
ficam
orientadas
aleatoriamente
e
entrelaçadas) ou vítreos tendem a apresentar comportamento frágil à fratura limitando assim
sua gama de aplicações. O reforçamento utilizando o estireno é reconhecidamente a técnica
mais utilizada por grande parte das indústrias de polímeros para aumentar a resistência e a
tenacidade desses materiais. O estireno é bem versátil em questão de sua utilidade como
copolímero na formulação de resinas acrílicas emulsionadas em água. Isto se deve ao fato do
estireno, além de diminuir o custo final do produto, aumenta a resistência a lavagens e
proporcionar à resina mais brilho. [6]
A resina quando se apresenta em estado líquido, as moléculas encontram-se próximas
uma das outras, consequentemente, são consideráveis as forças exercidas sobre uma molécula
pelas suas vizinhas. Assim, é extremamente difícil analisar o movimento de uma única
molécula, pois cada uma delas sofre colisões a cada instante, submetendo-se às forças de até
doze vizinhas mais próximas. Em outras palavras, tanto nos líquidos quanto nos gases, as
6
moléculas apresentam um incessante movimento aleatório, à energia média e a fração de
moléculas com qualquer valor específico de energia cinética são iguais para ambas as fases à
mesma temperatura. No entanto, uma molécula num líquido está sempre sujeita às forças de
suas vizinhas; portanto sua energia potencial é mais baixa, e sua trajetória não desviadas, mais
curtas do que seriam na fase gasosa. [5]
Durante a produção de resinas é utilizado agitação para a homogeneização dos produtos.
Entende-se por agitação a operação de produzir movimentos mais ou menos regulares no
interior de um fluido. A maioria das operações nas indústrias químicas, farmacêuticas,
alimentícias, e entre outras, requer agitação do produto para cumprir a finalidade da mistura
de líquidos, formação de dispersões, transmissão de calor ou distribuição uniforme de
temperatura e redução das dimensões de aglomerados de partículas. [1]
o A agitação pode ser feita por impelidores de fluxo, como a recirculação por bombas, por
impulsores de escoamento axial, radial ou rotativo lentos. Os impulsores rotativos
lentos, como as âncoras (Figura-01: Reator Dois - codinome R-2) são particularmente
usados para obter-se melhor transferência de calor em fluidos de alta consistência e
evitar que esses fluidos fiquem estagnados perto das paredes do tanque de agitação, fato
que ocorreria perante agitadores de hélice ou palhetas. [1]
o
O agitador-misturador pode operar em base contínua.
Na operação contínua os
materiais a serem misturados são adicionados continuamente ao tanque e a mistura é
removida também de forma contínua. O tanque pode possuir chicanas ou quebra-ondas,
que são chapas metálicas montadas verticalmente nas paredes (Figura - 02: Reator
Quatro - codinome R-4). As chicanas promovem maior ação de mistura e quebram o
redemoinho (vórtice) formado pelos agitadores. Na ausência das chicanas, como o
agitador centrado e a velocidade elevada, forma-se um redemoinho em virtude da ação
da força centrífuga sobre o líquido. Os comportamentos tangenciais não contribuem
efetivamente para a mistura assim produzindo um escoamento laminar praticamente
impedindo a movimentação longitudinal. O resultado é que o conteúdo do tanque
somente gira, sem produzir quase nenhuma ação de mistura. O componente tangencial
se dá o lugar á formação de um vórtice na superfície do líquido, que será cada vez mais
profundo à medida que aumenta a rotação do agitador. Quando o vórtice alcança a zona
de sucção da hélice, a potência transferida ao fluido diminui subitamente por conta do
arraste do ar para o interior do produto isso por conta da ausência dos quebra-ondas.[1]
7
Figura-01: Esquema literário comparando com a hélice do Reator dois (R-2), onde
não possuem a presença de chicanas.[1]
8
Chincanas
Figura-02: Esquema literário comparando com a hélice do Reator quatro (R-4 ), onde
possuem a presença de chicanas. [1]
A caracterização dos polímeros presentes em uma resina é feita por um teste chamado
de espectroscopia de infravermelho (IR) que corresponde à parte do espectro situada entre as
regiões do visível e das micro-ondas. [4]
Embora o espectro de infravermelho seja característico da molécula como um todo,
certos grupos de átomos dão origem às bandas que ocorrem mais ou menos na mesma
frequência, independentemente da estrutura molecular. É justamente a presença destas bandas
características de grupos que permitem ao químico a obtenção, através de simples exames do
espectro e consulta à tabelas, de informações estruturais úteis, e é neste fato que se baseiou o
trabalho para fazer a identificação das estruturas. [4]
A espectroscopia de infravermelho na faixa aproximada de 10.000 a 100 cm-1 quando
absorvida, converte-se em energia de vibração molecular. O processo á também quantizado,
porém o espectro vibracional costuma aparecer como uma série de bandas ao invés de linhas
porque a cada mudança de energia vibracional corresponde uma série de mudanças de níveis
de energia rotacional. As linhas se sobrepõem dando lugar às bandas observadas. A
frequência ou o comprimento de onda de uma absorção depende das massas relativas dos
átomos, das constantes forças das ligações e da geometria dos átomos. [4]
Este presente trabalho abordou a dificuldade do controle de temperatura em um reator
no processo de produção a base de uma resina acrílica, onde ocorria a formação de um
9
precipitado residual alto. Com a utilização de testes para analisar a agitação que mais se
adequou a resina, a caracterização dela e controle de pesagem, foi possível quantificar a
formação de grumos durante o processo de fabricação e avaliação da perda anual de matérias
primas.
MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia utilizada baseou-se em uma pesquisa com levantamentos de dados
realizados em uma empresa do Vale do Paraíba com fabricação de resinas acrílicas. A resina
acrílica estudada foi nomeada de HTS-C. Essa resina, após ser produzida, é levada ao
processo de filtração para que possa reter os possíveis resíduos formados durante o processo.
Como durante a produção gera uma grande quantidade de resíduos constante em todos os
lotes fabricados, foi realizada uma pesquisa onde foram apontados os dados que poderiam
estar causando esse prejuízo.
Durante os levantamentos de dados foram coletados um total de quatro amostras dos
produtos finais dos resíduos do HTS-C, esses dados foram retirados do R-4, do R-2 (reator
com formação de resíduo em menor quantidade) também é utilizado para a produção do
mesmo, as outras amostras foram retiradas da troca dos dois tensoativos A (Brimopol) e B
(Polirol). Essas amostras foram analisadas por infravermelhos com o intuito de identificar as
substâncias características das resinas.
10
APRESENTAÇÃO DOS PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS USADOS.
REAÇÃO DE
POLIMERIZAÇÃO
REPRODUÇÃO DO
REATOR QUATRO
EM LABORATÓRIO
CAUSA SOBRE A
FORMAÇÃO DO
RESÍDUO
AMOSTRAS PARA
TESTES NO
INFRAVERMELHO
CONTRODE DE
PESAGEM DOS
RESÍDUOS
RESULTADOS
TROCA DE
TENSOATIVOS: Teste
de Estamparia e Filmes
DIMINUIÇÃO
DO RESÍDUO
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os estudos se iniciaram pelo reator dois (codinome R-2) onde o HTS-C se comporta
adequadamente, mantendo a temperatura constante, sem tornar necessária a diminuição da
vazão de alimentação do processo. No decorrer da realização do procedimento, anotações
foram realizadas referentes às mudanças de temperaturas, assim possibilitando gerar um
gráfico para identificar a evolução da mesma, durante a fabricação da resina. O processo no
reator dois tem uma duração de 8 horas, durante todo o caminho da formação do produto a
temperatura é facilmente controlada e a agitação é bem homogênea.
Em seguida, começaram os estudos no R-4. As observações dos funcionários sobre a
dificuldade de controle de temperatura no R-4 foram confirmadas, pois era difícil se manter a
faixa de calor entre 55ºC - 60ºC gerado durante a reação dos produtos do HTS-C. A utilização
dos recursos de parada do processo e diminuição da alimentação durante a fabricação da
resina é essencial para que a temperatura não extrapole a faixa determinada de trabalho,
fazendo com que a produção da resina passe de 8 horas para 10 horas de processo por conta
desse problema. As visualizações representativas das variações de temperatura estão na
Tabela – 01, Gráfico – 01 e Gráfico – 02
Tabela – 01 Controle de variação de temperatura dos reatores dois e quatro.
Reator Dois
Tempo (h) Temperatura (ºC)
00:00
00:07
00:15
00:16
00:26
00:56
01:56
02:26
02:56
03:26
03:56
04:26
04:56
05:56
06:26
06:56
07:26
07:56
24
27
33
45
53,7
54,8
55,2
55,2
56,2
57,2
57,8
58,7
60
59,4
58,5
57,6
55
40
Reator Quatro
Tempo (h) Temperatura (ºC)
00:00
30
00:15
32,2
00:30
49,8
01:15
60,9
01:30
59,9
02:30
60,9
03:00
62,2
03:30
56
04:45
62,5
05:45
56
06:55
60,6
07:25
58,1
07:55
54,1
08:15
58,9
08:45
56,1
09:15
55,3
10:30
40
12
T (ºC)
Temperatura de Reação do R-2
70
60
50
40
Temperatur…
30
20
10
0
00:00
02:24
04:48
07:12
09:36
T
(h)
Grafico-01- Variação de temperatura do reator 2
T (ºC)
Temperatura de Reação do R-4
70
00:00
60
00:15
50
00:30
40
01:15
30
01:30
02:30
20
03:00
10
0
00:00
03:30
02:24
04:48
07:12
09:36
12:00 T (h)
04:45
Grafico-02: Variação de temperatura do reator quatro. Os cinco pontos de parada do processo
por extrapolação de temperatura.
Foram verificados cinco pontos (temperatura de 60,9ºC, 59,9ºC, 60,9ºC, 62,2ºC e
62,5ºC) aonde o correu a extrapolação da temperatura, obrigando a diminuição e a parada da
alimentação no processo, pela falta de homogeneização não ocorre a troca de calor com o
meio. O dados obtidos no R-2 demonstrou um gráfico linear confirmando assim o controle de
13
temperatura do processo e não excedendo o tempo determinado de fabricação que é de 8
horas. Ao alcançar o final do processo a resina é esfriada à 40ºC para o acerto do pH.
No decorrer dos dias, as observações começaram a ser apontadas, como no caso do
reator denominado como R-4. Esse reator possui maior dimensão comparada com os outros
reatores, e, nele foi observado que quando é utilizado para a produção da mesma resina HTSC, a geração de resíduo fica bem maior. O R-4 possui uma variação de hélice dos demais
reatores. Durante o processo de produção é difícil o controle de temperatura, pois a reação da
resina é exotérmica, ocasionando o aquecimento excessivo e a parada da adição dos reagentes
no processo com o intuito de reduzir essa temperatura para que não seja extrapolada a faixa
determinada, aumentando assim, o tempo para a produção.
Outro fato ocorrido na produção, foi a troca do tensoativo (Polirol), material utilizado
para a produção da resina, durante uma das produções da resina HTS-C, ocorreu uma
diminuição, mas não a finalização da formação dos resíduos, passado alguns dias o tensoativo
antigo (Brimopol) foi utilizado novamente, o que ocasionou novamente formação de grande
quantidade de resíduo. Essas trocas de reagentes não eram testadas em escala piloto isso
proporcionava perdas desnecessárias à fábrica. Alguns testes foram realizados com o intuito
de ver o quão esse tensotivo (Polirol) influenciou nas aplicações finais: como a formação de
filme e o teste de estamparia que são analises fundamentais para a aprovação do produto.
Uma reprodução idêntica do reator quatro (R-4) foi realizada em laboratório para a
fabricação em pequena escala para a produção da resina HTS-C. Como o R-4 possui o
problema de formação de resíduo e a dificuldade de controle de temperatura, foi necessária
modelar um quebra ondas e uma haste característica do reator para se reproduzir as mesmas
dificuldades encontradas em escala industrial.
O material encontrado nos reatores, na forma precipitada, foi detectada que a reação não
teve total conversão, demonstradas nas análises por infravermelho, conforme os espectros em
anexo.
Através do controle das pesagens foi possível realizar uma estimativa de produto
perdido durante todo o ano utilizando como base três meses de análise. O resultado adquirido
foi espantoso. Durante os meses analisados foram gerados 639,8 Kg de resíduo formados
tanto no R-2 quanto no R-4, que ao decorrer de um ano se reflete em uma perda de
2.594,74Kg de resina, onde em questões financeiras houve um prejuízo estimado de R$
10.379 Reais. A perda gerada decorrente da formação de resíduo durante o ano equivale a
14
uma carga do R-2, que possui 3.000 Kg. Portanto durante todo o ano, um lote produzido pelo
R-2 é perdido por completo em forma de resíduo. A Tabela-02 nos trás os dados agregados da
pesagem dos resíduos.
Tabela-02 : Controle de pesagem dos resíduos formados no reator dois e quatro.
CONTROLE DE PESAGEM DA RESÍNA HTS-C NO R-2
DATA
LOTE
REATOR
PESO DO REATOR (Kg)
RESÍDUO FORMADO (Kg)
15/07/14
15/07/14
24/07/14
03/08/14
03/08/14
28/08/14
16/09/14
16/09/14
G0911
G0912
G0916
H0918
H0919
H0927
I0936
I0937
2
2
2
2
2
2
2
2
3.000
3.000
3.000
3.000
3.000
3.000
3.000
3.000
3,5
3,8
2,5
3
3
2
3
2
TOTAL DE RESÍDUO DO REATOR DOIS
22,8 Kg
15
CONTROLE DE PESAGEM DA RESÍNA HTS-C NO R-4
DATA
LOTE
REATOR
PESO DO REATOR (Kg)
RESÍDUO FORMADO (Kg)
14/07/14
15/07/14
18/07/14
21/07/14
24/07/14
05/08/14
08/08/14
14/08/14
14/08/14
28/08/14
02/09/14
02/09/14
08/09/14
10/09/14
15/09/14
G0914
G0913
G0914
G0915
G0917
H0920
H0921
H0922
H0923
H0926
I0929
I0930
I0932
I0933
I0934
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
10.000
60
70
150
67
58
42
20
20
27
10
17
23
20
18
15
TOTAL DE RESÍDUO DO REATOR QUATRO
617,0 Kg
Total dos resíduos do reator dois e quatro: 22,8 + 617,0 = 639, 8 Kg
Estimativa de gasto gerado durante um ano:
Total de Resíduo formado durante 90 dias = 639,8 Kg
Total de Resíduo formado durante 365 dias
365 x 639,8 = 2.594.74 Kg
90
Estimativa de Custo (preço fictício R$ 4,00 reais o quilo da resina):
4,0 x 2.594.74 = R$ 10.379 reais de perda anual
A utilização de um tensoativo de maior custo (Polirol, gera precipitado em menor
quantidade) foi substituído para um de custo menor (Brimopol, formação de residuo com
maior quantidade comparado com o Polirol). Essa troca foi realizada sem que fosse feitos
testes laboratoriais para avaliar a matéria prima. O teste tem como finalidade obter como
resultado o quanto de geração de resíduo é formada, e se o produto está aprovado. Como o
16
tensoativo foi trocado sem a realização de uma análise, o resultado obtido foi à formação de
resíduo em excesso durante a fabricação, ocasionando um dano significativo para empresa.
Após a análise do prejuízo referente ao resíduo, começaram-se os testes laboratoriais para
confirmar a especificação da matéria prima, se estava de acordo com o solicitado. Com a
realização dos testes foi possível confirmar o problema de formação de resíduo, o precipitado
está diretamente ligado ao tensoativo (Brimopol), essa matéria prima foi trocada de
fornecedor e os testes continuaram a ser realizados em todos os lotes que chegam à empresa.
Com a chegada do primeiro lote de tensoativo (Brimopol), foi realizado um balão de 10 Kg
para visualizar a geração do resíduo, para tentar prever a quantidade em escala industrial do
precipitado formado. O experimento obteve um resultado de 6g de resíduo. Outro
experimento foi realizado com o intuito de aproveitar o tensoativo (Brimopol ruim) que estava
dando problemas, o teste foi realizado um para um do tensoativo “Brimopol ruim” com o
tensoativo “novo Brimopol” o balão utilizado foi o de 10Kg, a massa formada foi de 10g.
Alguns testes foram realizados para comparar o resultado final da diferença dos sabões
(Brimopol e Polirol). Um dos testes realizados foi à formação de filme comparativo com três
lotes: D 0894 com Polirol, F 902 com Brimopol e Experimental 102/14 (utilizando a mistura
1:1 do Brimopol e Polirol), foi percebido que a flexibilidade da mistura é maior que os outros
dois lotes, a coloração amarelada foi adotada pelos lotes D 0894 (Polirol) e o F 902
(Brimipol), já a mistura Polirol e Brimopol ficou com o aspecto branco azulado. Foi
submetida a se fazer uma estamparia com pigmento azul em um tecido de algodão nos três
lotes, com a finalidade de tentar visualizar se tinha alguma diferença na cor após a secagem e
lavagem dos tecidos. Os pigmentos foram aplicados e colocados para curar em estufa e em
ambiente, após os tecidos secos foi realizada uma lavagem com sabão para visualizar o
rendimento das cores além de analisar os aspectos. Os resultados de coloração, maciez e
lavagem estão representados na Tabela – 03.
17
Figura-03: Cura dos Filmes
Tabela-03: Teste de Aplicação de Estamparia
TESTE DE ESTAMPARIA DO HTS-C
Ordem Decrescente do
Rendimento de Cor
Ordem Decrescente de Maciez
do Tecido
Água de Lavagem (Presença de
Coloração em Ordem Decrescente)
Lote: D 0894 (Polirol)
Mistura 1:1 Polirol e
Brimopol
Lote: F 902 (Brimopol)
Lote: F 0902 (Brimopol)
Lote: D 0894 (Polirol)
Mistura 1:1 Polirol e Brimopol
Lote: D 0894 (Polirol)
Mistura 1:1 Polirol e Brimopol
Lote: F 0902 (Brimopol)
Figura-04: Estamparia e Lavagem dos Tecidos.
18
No Projeto foi simulado um quebra ondas e haste idêntica ao reator R-4. Para prosseguir
com experimento em laboratório foram feitos de forma idêntica conforme as Figura-05 em
anexo 1. Esse projeto teve o intuito de identificar se a resina se comporta bem em velocidades
elevadas, e a tentativa de controle de temperatura na faixa de 55 a 60 ºC apenas utilizando a
velocidade de agitação. Conforme a Figura-06 um esquema foi montado para demostrar todas
as entradas dos produtos e saída durante o processo.
ALIMENTAÇÃO =7668,5 Kg
ESTÁGIO – 2 = 309,4 Kg
CATALISADOR = 31.857,6 Kg
ESTÁGIO - 1 = 60,83 Kg
ESTÁGIO – 3 = 103,67 Kg
Peneira
RESINA
RESÍDUO
Figura – 06: Representação do Processo da resina HTS-C
Como o controle de temperatura do R-4 é extremamente difícil por conta da
agitação lenta e da temperatura da água de entrada no processo, aproximadamente 30 a
32ºC para esfriar a reação. O experimento se iniciou com uma temperatura de 26ºC, foi
observado que nesse processo havia cinco pontos de homogeneização, onde quatro são
nos quebra ondas e um da haste. Após 18 minutos a temperatura se elevou rapidamente,
pois como o processo é exotérmico atingiu uma temperatura de 59,2ºC. Quando foi
alcançado o tempo de 46 minutos a temperatura já estava a 59,6ºC, onde foi utilizado o
19
recurso de aumentar a agitação de 160rpm para 185rpm, para que não extrapolasse a
faixa de temperatura estipulada (55 a 60ºC). Durante o experimento foi observando que
a temperatura do processo estava caindo por conta da aproximação da pá, a velocidade
da agitação foi alterada novamente atingindo 45rpm, para controlar a temperatura da
reação. Ás 02h46min de processo ocorreu uma nova alteração da movimentação das
pás, passando a velocidade de 45rpm para 160rpm, durante os aumentos de agitação não
houve a formação de espuma. A finalização do processo de alimentação aconteceu após
04h40min, na altura da temperatura de 60,0ºC, às 05h10min começou a adição do
primeiro estágio, após sua finalização se inicio o segundo estágio às 05h25min. Durante
o procedimento foi aumentado à temperatura do processo utilizando banho termostático,
como a reação da resina já estava em processo de quase finalização, ela tende a ter uma
diminuição constante. Às 06h45min começa o processo de finalização, onde ocorreu à
queda de temperatura do processo para 40ºC, e se iniciou o acerto de pH na faixa de
5,0 – 7,0. A resina HTS-C Experimental foi filtrada na malha 200 onde foi possível
obter 0,5g de resíduo de um processo de 5 Kg (Figura – 07), os resultados de teor de
sólido foi 43,1% e PH 5,9 (Figura – 08), onde a faixa do teor de sólido é de
43,0 – 45,0 %. O processo experimental foi de grande sucesso com apenas 0,5g e dentro
da faixa de todos os limites necessário, para que essa resina possa ser liberada para a
venda. Após 20 dias a resina foi refiltrada para verificar a formação de grumos, se
ocorreu após a análise da filtragem, como não foi obtido nenhum grumo formado
durantes esse dias de estabilização, obtido um experimento com excelentes resultados.
Durante todo o experimento o controle de temperatura foi fácil ao utilizar apenas à
agitação, no processo a transferência de calor para o meio externo foi rápido por conta
da movimentação, e a formação de espuma foi apenas momentânea não influenciando
no processo. Os dados do experimento estão representados na (Tabela – 04) e no
(Gráfico-03) está demonstrado o caminho da temperatura
20
Figura -07: Resíduo formado durante o Experimento HTS-C.
Figura – 08: Resultado da analise
21
Tabela – 04: Tabela demonstrativa do processo experimental I.
Processo Experimental (I) do HTS-C em laboratório
TESTE DE AUMENTO E DIMINUIÇÃO DE AGITAÇÃO
Anotações
Tempo (h) Temperatura (ºC)
26
Carregamento do reator, agitação estabelecia para
00:00
160 rpm
00:18
00:40
00:45
49,7
59,2
60,2
00:46
59,6
01:46
02:10
02:25
59,5
58,1
57,9
02:35
57,3
02:38
02:46
03:00
03:40
04:20
04:40
05:10
05:25
05:25
05:55
06:45
07:10
58,1
59,5
58
58,9
59,7
60,2
59
58,6
57,8
57
55
40
Processo exotérmico no sistema
Inicio da alimentação
Aumento da agitação para 185rpm para diminuir
a temperatura
Diminuição da agitação
Próximo da segunda pá
Diminuição da agitação para aumentar a
temperatura
Aumento da agitação (solução ultrapassou a pá)
Processo Exotérmico no sistema
Agitação 165 rpm
Finalização da alimentação
Estágio 1
Fim do estágio
Estágio 2
Aquecimento da água
Finalização
Acerto de PH
22
Tempreratura do Processo
Experimental I (Controle de
70
temperatura utilizando a agitação)
60
50
40
Temprerat…
30
20
10
0
00:00
02:24
04:48
07:12
09:36
Grafico-03: Representação gráfica da evolução da temperatura durante o experimento
utilizando apenas a agitação como o controle de calor do processo.
Um segundo experimento foi realizado em laboratório (Figura-09 encontrada no anexo
1), tentando reproduzir exatamente o ambiente e o mecanismo que é utilizado no R-4, onde o
controle de temperatura foi utilizado um banho termostático. O procedimento iniciou-se com
o carregamento do reator que constava a temperatura de 26ºC e com a agitação estabelecida
para 160rpm, após 18 minutos a etapa da reação exotérmica foi atingida aonde a temperatura
alcançou a faixa de 45ºC e começou-se o processo de alimentação, a faixa de temperatura
atinge facilmente 61ºC, para manter a faixa de aquecimento estabilizada foi utilizado água
para esfriar o processo. O resfriamento do sistema foi difícil por utilizar apenas a água como
controlador de temperatura, pois até que o meio entre em equilíbrio uma grande quantidade de
fluido e tempo de acompanhamento é gasta, como a reação gera espontaneamente energia
durante o processo de alimentação o controle de temperatura se torna mais constante
comparado com o experimento um. Com 04h10min a agitação teve que ser diminuída de
160rpm para 45rpm por causa da queda da temperatura, devido a aproximação da resina perto
hélice superior, a movimentação fez com o que o meio interno perdesse seu calor para o meio
externo, e como consequência da aproximação a velocidade da agitação formou-se espuma,
para que ela não se propagasse a movimentação foi diminuída, com isso tanto a espuma
23
quanto a temperatura mantiveram a sua faixa determinada. No tempo de 04h20min o fim da
alimentação foi alcançado, como não a mais reagente para se adicionar a temperatura tende a
diminuir, mais como o processo precisa ter esse calor para que termine a reação o banho foi
ligado para aquecer o meio, assim fazendo as adições finais dos quais contem os produtos
para preservar e manter a resina estável. Às 04h45min se iniciou o primeiro estágio, a
agitação do processo foi aumentada por conta da ultrapassagem da solução sobre a hélice, a
alteração ocorreu de 45rpm para 160rpm, seguido do segundo e o terceiro estágio. Ao
alcançar o tempo de 06h35min o procedimento começou a ser esfriado com a ajuda do
aumento da agitação da resina de 160rpm para 223rpm e água fria, para fazer o acerto de ph
totalizando assim um tempo final de processo de 7h15min. A resina fabricada no balão de 5,0
Kg foi filtrada na malha 200 onde se obteve 0,6 g (Figura-10). A resina HTS-C ficou em
repouso por 20 dias para refiltragem, entre esses dias nenhum grumo foi formado. Assim se
manteve estável desde sua fabricação. Foi difícil de manter o controle utilizando apenas a
água para estabilizar a temperatura, para não extrapolar os limites propostos no final do
experimento utilizou-se a agitação para esfriar o processo e foi mais fácil fazer com que o
calor passasse para o meio externo, se fosse usada uma agitação lenta e com apenas a ajuda da
água fria a queda da temperatura iria demorar mais do que o tempo estipulado para o
processo, isso que ocorre no R-4, os meios de agitação lenta não favorecem a transferência de
calor para água que já não é tão fria, pois ela entra no processo á uma temperatura de
aproximadamente 28 a 31ºC. Com uma agitação adequada o calor é forçado a se propagar
para o meio externo, assim facilitando o controle de temperatura e diminuindo o tempo de
fabricação da resina, aonde não se necessitaria de pausa durante a alimentação. A tabela-05
demonstra o passo a passo do experimento e com o Gráfico-04 é possível visualizar a
trajetória da temperatura durante o processo.
Figura-10: Resíduo de 0,6 g formado durante o experimento I.
24
Tabela – 05: Tabela demonstrativa do processo experimental II.
Processo experimental (II) do HTS-C em laboratório
Teste para tentar controlar a temperatura sem a variação da agitação
Temperatura (º C)
Anotações
Tempo (H)
26
Carregando o Reator
00:00
44,5
Processo de exotérmico no sistema
00:18
45
Início da alimentação
00:20
54,6
Agitação constante de 160 rpm
00:40
61
Esfriando a reação através da água
01:00
60,8
Esfriando a reação através da água
01:10
59
Esfriando a reação através da água
01:40
60,9
Esfriando a reação através da água
02:10
58
02:40
59,8
Esfriando a reação através da água
03:10
57,5
03:40
Diminuição da agitação para 45 rpm
por causa da aproximação da pá
55
04:10
superior e por causa da formação da
espuma
Finalização da alimentação.
54
04:20
Aquecimento da cuba
Inicio do primeiro estagio. Agitação
57
04:45
estabelecida para 160 rpm
58
Fim do primeiro estágio
05:00
59
Inicio do segundo estágio
05:15
58,7
Fim do segundo estágio
05:45
57,4
Iniciando o terceiro estágio
06:00
57,5
Fim do terceiro estágio
06:10
56,8
Adicionando a etapa 21
06:25
Esfriando para 40 °C acerto de Ph .
Agitação estabelecida 223 rpm para
46,7
06:35
esfriar a resina, houve formação de
espuma
38,6
Acerto de Ph
07:15
25
Temperatura do Processo Experimental II
(Controle de temperatura utilizando a água)
70
60
50
40
Temperatura (º C)
30
20
10
0
00:00
01:12
02:24
03:36
04:48
06:00
07:12
Grágico-04: Representação gráfica da evolução da temperatura durante o experimento
II utilizando apenas a água como o controle de calor do processo.
Algumas amostras de resíduos foram retiradas da filtragem tanto do R-2 quanto o R-4
totalizando um total de quatro tipos de resíduos (Brimopol “antigo”, Polirol, Brimopol “novo”
R-2 e Brimopol “novo” R-4). Todas as amostras passaram por analise de espectroscopia de
infravermelho, que conseguiu caracterizar pela diferença vibracional das moléculas o que
continha nos resíduos formados. Os espectros (gráficos) formados nas quatro amostras
geraram picos exatamente iguais (Gráfico-05 resíduo Polirol comparativo com resído do R-4
brimopol. Demais Gráficos-05 comparativos encontram-se no anexo 2). Com os gráficos das
analises foi possível avaliar que tipo de substância continha neles, depois de varias pesquisas
foi possível encontrar as faixas exatas de vibração de cada produto:
 Estireno as vibração das moléculas ocorrem entre as faixas de: 3.000
cm-1 ; 1.490 cm-1 ; 1.369 cm-1 ; 1.250 cm-1 .
 Acrilato de Etila as vibrações das moléculas ocorrem entre as faixas de:
1760 cm-1 ; 1700 cm-1 .
 Peróxido de Terc-Butila as vibrações das moléculas ocorrem entre as
faixas de: 1465 cm-1 ; 1450 cm-1 ; 1375 cm-1 .
Nos espectros foram identificados os picos das matérias encontradas pela espectroscopia
de
infravermelho
(restantes
dos
Graficos-05
encontram-se
no
anexo
2).
26
Absorbance Units
0.2
0.3
0.4
ACRILATO
DE ETILA
PERÓXIDO DE
TERC-BUTILA
0.1
ESTIRENO
0.0
ESTIRENO
3500
3000
2500
2000
1500
1000
Wavenumber cm-1
C:\SPECTROSCOPY \Projeto_TCC\HTS-C D0895_24_04_14_Padrao_com_ Polirol.0
C:\spectroscopy \meas_2014\Projeto_TCC
Lote: D0895 Padrão Polirol
05/11/2014
Resíduo do HTS-C Lote: 4016E0899 Brimopol_9030
5/11/2014
Gráfico-5: Espectro de Infravermelho do resíduo do HTS-C Lote padrão (Polirol) comparativo com o (Brimopol).
Com a determinação das substâncias que a presentam nos resíduos foi possível fazer
algumas considerações, no reator quatro (R-4) a formação de precipitados ocorreu por conta
da falta de conversão completa das matérias primas, que pode ter sido gerada pela dificuldade
de controle de temperatura no sistema, isso foi comprovado pela presença das mesmas
(estireno, acrilato de etila e períxido de terc-butila) na formação do resíduo e da falta de
agitação durante a fabricação da resina.
No reator dois (R-2) a temperatura do processo é controlada, os estudos demonstraram
que é melhor avaliar a temperatura do processo, pois pode ser possível que se alterando a
temperatura ocorra a diminuição dos resíduos, com a avaliação das matérias primas antes da
entrada nos processos de fabricação pode ter como resultado a diminuição da geração de
precipitados.
CONCLUSÃO
Com os testes e análises realizada foi possível prever os principais motivos da formação
de grumos, com a ajuda do espetro de infravermelho (conforme o anexo) teve a comprovação
que as matérias primas não estão sendo convertida completamente, por falta de agitação e
controle de temperatura durante o processo formando assim os precipitados. A agitação tem
um papel fundamental em soluções, além de homogeneizar, ela ajuda a dissipar o calor para o
meio externo fazendo com que ocorra uma transferência de calor, esse fenômeno foi
vivenciado nos experimentos realizados em laboratório onde o controle de temperatura teve
sua estabilização apenas pelo ajuste movimentação da hélice do processo. Pequenos fatores
como temperatura, agitação, matéria prima, operação entre outros conseguem interferir no
resultado final.
O presente trabalho possibilitou demonstrar que o controle e a supervisão do processo
do inicio até o envase é indispensável, pois sem esse controle, a perda de material é
significativa.
28
BIBLIOGRAFIA
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Indústria Química, Ciência Moderna, Rio de Janeiro, Brasil (2011), 121, 125, 185,205, 209.
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C.
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[6] Juliana Rovere, Carlos A. Correa, Caracterização Morfológica do Poliestireno de
Alto Impacto (HIPS), 18, nº 1, (2008)
29
0.3
0.2
PERÓXIDO DE
TERC-BUTILA
0.1
ESTIRENO
ESTIRENO
0.0
Absorbance Units
0.4
ACRILATO
DE ETILA
3500
3000
2500
2000
1500
Wavenumber cm-1
Gráfico-05 : Espectro de Infravermelho do HTS-C (Brimopol “novo”) do R-2
1000
Gráfico-05 : Estireno usado para comparar com os espectros das quatro amostras
0.3
0.2
PERÓXIDO DE
TERC-BUTILA
0.1
ESTIRENO
ESTIRENO
0.0
Absorbance Units
0.4
ACRILATO
DE ETILA
350
3000
2500
2000
Wavenumber cm-1
Gráfico-05: Espectro Infravermelho do HTS-C (Brimopol “novo”) R-4 lote: G0915
1500
1000
0.3
0.2
PERÓXIDO DE
TERC-BUTILA
0.1
ESTIRENO
ESTIRENO
0.0
Absorbance Units
0.4
ACRILATO
DE ETILA
3500
3000
2500
2000
1500
Wavenumber cm-1
Gráfico- 05: Espectro de Infravermelho do HTS-C (Brimopol “antigo”) lote: E0899
1000
0.3
0.2
PERÓXIDO DE
TERC-BUTILA
0.1
ESTIRENO
ESTIRENO
0.0
Absorbance Units
0.4
ACRILATO
DE ETILA
3500
3000
2500
2000
1500
Wavenumber cm-1
Gráfico-05 : Espectro de Infravermelho do HTS-C (Polirol) lote: D 0895
1000
ANEXO 2: GRÁFICOS DOS ESPECTROS DE
INFRAVERMELHO