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RELATÓRIO DE ATIVIDADES PIBIC
PARCIAL FINAL
1. IDENTIFICAÇÃO
Orientador: Profa. Dra. Eliane Cardoso de Vasconcelos
Projeto de Pesquisa: Modelagem e Simulação Computacional Aplicadas ao Desenvolvimento de Processos Químicos e Biotecnológicos
Área do Conhecimento do Projeto de Pesquisa (Tabela do CNPq): Ciências Exatas e da Terra 1.00.00.00-
Aluno: Rebeca Virgínia Sousa Silva
Plano de Trabalho: Simulação do processo etanol/biodiesel/glicerina utilizando evaporador flash
2. ATIVIDADES REALIZADAS DE ACORDO COM O CRONOGRAMA
- Levantamento bibliográfico sobre produção de Biodiesel e evaporador flash.
- Definição das variáveis relevantes para o processo
- Estudo teórico sobre planejamento experimental, estatística e o software HYSYS
- Simulação dos experimentos utilizando o software HYSYS
3. DESENVOLVIMENTO DO PLANO DE TRABALHO (redigir sob a forma de
redação científica)
Resumo
Simulou-se a recuperação do etanol por meio de destilação do tipo flash, importante etapa do processo de produção de biodiesel por meio de transesterificação de óleos e gorduras. Destilação flash, também conhecida como destilação de equilíbrio, é uma técnica de separação em um único estágio, sendo considerada uma expansão isoentálpica. A mistura líquida é bombeada através de um aquecedor para aumentar sua temperatura e entalpia. Esta mistura flui então através de uma válvula e a pressão é reduzida, causando a vaporização parcial do líquido. Uma vez que a mistura entre com quantidade suficiente no vaso de flash, o líquido e vapor se separam. Devido ao contato líquido-vapor antes da separação ocorrer, os novos produtos líquido e vapor, formados, estão em equilíbrio. Este trabalho teve como objetivo principal realizar simulações para determinação da eficiência de separação da mistura etanol/biodiesel/glicerina através de evaporador flash. Este tipo de estudo faz parte de uma etapa de testes para definição de métodos de separação da referida mistura em uma unidade de purificação de biodiesel, voltada para a redução de efluentes originados no processo de transesterificação convencional. Como metodologia foi utilizado o software Hysys®, Versão 5.0, como ferramenta computacional. Apresentaram-se como condições principais para uma melhor eficiência de separação os parâmetros pressão de vácuo promovida pela válvula de redução de pressão, antes do vaso de flash e o número de estágios ou de vasos de flash utilizado. Verificou-se ainda que a escolha entre essa forma de recuperação de álcool e a opção por uma coluna de destilação deve ser decidida exclusivamente por via econômica.
Palavras-chave : Destilação flash; biocombustível; Simulação.
3.1.Introdução
A utilização do biodiesel tem apresentado um potencial promissor no mundo inteiro. Em primeiro lugar, pela sua enorme contribuição ao meio ambiente, com a redução qualitativa e quantitativa dos níveis de poluição ambiental, e, em segundo lugar, como fonte estratégica de energia renovável em substituição ao óleo diesel e outros derivados do petróleo (RAMOS,2006). Neste contexto surge o óleo de fritura usado (OFU), como mais uma matéria-prima que pode ser transformada em biodiesel de alta qualidade (HILL,2000),
e que outrora estaria sendo desperdiçado e despejado no meio ambiente de forma incorreta (CASTELLANELLI,2008). O Brasil possui condições climáticas extremamente favoráveis e grande extensão territorial para a produção do biodiesel, como uma opção de energia renovável na sua matriz energética. Além de ser uma excelente opção econômica, esse tipo de combustível produz menos poluição que o diesel de petróleo (FREITAS, 2004). O uso do biodiesel traz inúmeras vantagens em relação ao diesel de petróleo, a começar pelo fato de ser um combustível totalmente nacional e 100% renovável. Há também ganhos ambientais em relação a redução na emissão de poluentes na atmosfera. Neste caso o uso do biodiesel na sua forma pura (B100) diminui a emissão de dióxido de carbono em 46% e de material particulado em 68%, por ser um combustível limpo (FERRAR et al.,2004). No entanto, substituir o óleo diesel pelo biodiesel sem levar em consideração seus subprodutos não será tarefa fácil, já que o tradicional continua sendo mais barato. O Brasil importa 18% de óleo diesel que consome e, para fazer a troca, será necessária uma grande produção de matéria-prima vegetal (SILVA et al., 2008). O biodiesel é, então, um combustível oriundo de fontes renováveis, biodegradável, livre de enxofre, de compostos aromáticos e de metais (DERMIBAS, 2009) com características semelhantes ao diesel comum. A necessidade de pesquisa e desenvolvimento de combustíveis alternativos vem crescendo em todo o mundo, devido à previsão de escassez das fontes de energia de origem fóssil. O álcool etílico apresenta características positivas para ser utilizado como combustível em larga escala, como custo relativamente baixo, ser menos poluente, e poder ser produzido a partir de uma matriz renovável pela fermentação de produtos de origem vegetal (OLIVEIRA; COSTA, 2002). A separação flash (algumas vezes chamada destilação de equilíbrio) é uma técnica de separação em um único estágio, sendo considerada uma expansão isoentálpica. Em processos industriais, de desenvolvimento e de pesquisa, é muito comum a existência de vários fatores ou variáveis que afetam a qualidade global do produto final. A tarefa de otimização pode ser prolongada e dispendiosa se uma ferramenta adequada não for utilizada. A metodologia de Planejamento Experimental e Análise de Superfície de Resposta vem sendo considerada como uma ferramenta eficaz e imprescindível para o desenvolvimento de processos, principalmente quando um grande número de variáveis está envolvido. Assim, é possível otimizar as condições de processo, maximizando rendimentos, produtividades e viabilidade comercial, minimizando custos, ou mesmo conduzindo o processo à obtenção de um produto com as especificações desejadas, obtendo-se resultados com altos índices de confiabilidade (MONTGOMERY, 2005). A elaboração de uma planta simplificada para a produção contínua de biodiesel empregando o simulador de processos comercial Aspen Hysys (ASPEN ONE, 2004) tem como objetivo principal realizar simulações para determinação da eficiência de separação da mistura etanol/biodiesel/glicerina através de evaporador flash. Este tipo de estudo faz parte de uma etapa de testes para definição de métodos de separação da referida mistura em uma unidade de purificação de biodiesel, voltada para a redução de efluentes originados no processo de transesterificação convencional.
3.2 OBJETIVO GERAL
Simular as Condições de Separação da Mistura Etanol/Biodiesel/Glicerina Usando Evaporador Flash.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Definir as variáveis relevantes do processo.
- Realizar planejamento dos experimentos utilizando DCCR;
- Simular as condições operacionais de separação da mistura etanol/biodiesel/glicerina utilizando o software HYSYS.
- Validar o modelo a partir dos dados experimentais.
3.3 MATERIAL E MÉTODOS
- Separador Flash em Hysys Alguns anos atrás a solução de problemas relacionados com operações de separação de fluidos (assim como em várias outras áreas da engenharia) só era possível para sistemas simples e através da utilização de métodos aproximados. Tais métodos eram utilizados por serem de utilização rápida e por necessitarem de um pequeno volume de dados físicos. No entanto, estes métodos são baseados em modelos físicos simplificados, fornecendo resultados insatisfatórios para alguns casos. Com a presença mais freqüente do computador como uma ferramenta na engenharia, sistemas cada vez mais complexos podem ser resolvidos e modelos mais rigorosos podem ser utilizados. Hoje em dia existem ferramentas sofisticadas que permitem, de forma fácil e rápida, a simulação de sistemas multicomponente não-ideais. Estes softwares são chamados de simuladores e disponibilizam modelos para
pressionado e arrastando até o ponto do equipamento que se deseja conectar. Quando um equipamento tem todas as suas entradas e saídas conectadas, o mesmo deixa de ser destacado com a cor vermelha. Mas, se o equipamento ainda tem especificações pendentes, este será circulado em amarelo. Como já citado, tanto correntes como equipamentos têm especificações a serem feitas e isto é feito na janela que aparece quando se dá um duplo clique no item desejado. Com um duplo clique em uma das correntes, abre-se uma janela de edição. Neste ponto existe a mensagem Unknown Compositions destacada em amarelo. Editam-se cada uma das correntes de alimentação, fazendo com que cada uma corresponda a um componente puro. Na guia Cond altera-se as condições: Stream Name (nome da corrente), Temperature, Pressure e Molar Flow. Na guia Comp devem ser especificadas as composições clicando em edit. Na janela Input Composition for Stream seleciona-se a base Mole fraction e coloca-se o componente como puro e clica- se em OK. Deve-se notar que a barra de mensagem da janela torna-se verde com a mensagem OK e as outras propriedades não especificadas são automaticamente completadas de acordo com as especificações dadas. Pode-se observar então que os dados especificados aparecem em azul e os calculados em preto.
3.4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O Hysys foi utilizado para avaliar a separação de uma mistura binária líquida, composta de etanol e glicerina. As condições de entrada foram de: Fração de vapor – 0,0; Temperatura – 29,00 ºC; Pressão - 100 kPa; Fluxo molar – 3,092 kg-mol/h; Vazão mássica – 222,9 kg/h; Vazão volumétrica – 0,1921 m 3 /h e; Fluxo de calor – 1,69E6 kJ/h. A corrente de alimentação do separador foi caracterizada por conter um fluxo molar de 1,000 kg- mol/h de etanol e 2,092 kg-mol/hora de glicerina. A corrente inicial foi pressurizada com auxílio de uma bomba e a corrente resultante teve as seguintes características: Fração de vapor – 0,0; Temperatura – 29,14 ºC; Pressão - 700 kPa; Fluxo molar – 3,092 kg- mol/h; Vazão mássica – 222,9 kg/h; Vazão volumétrica – 0,1921 m 3 /h e; Fluxo de calor – 1,69E6 kJ/h.
Conforme a forma de preparação da corrente, antes de ser admitida no separador flash, a corrente de saída da bomba foi inserida através de um trocador de calor, do tipo casco e tubos, tendo as seguintes características na saída do trocador: Fração de vapor – 0,0; Temperatura – 80,00 ºC; Pressão - 600 kPa; Fluxo molar – 3,092 kg-mol/h; Vazão mássica – 222,9 kg/h; Vazão volumétrica – 0,1921 m 3 /h e; Fluxo de calor
- 1,69E6 kJ/h. A corrente de saída do trocador passou através de uma válvula de redução de pressão e suas características foram alteradas para que a mesma entrasse no vaso de separação flash como: Fração de vapor – 0,0740; Temperatura – 73,40 ºC; Pressão - 40 kPa; Fluxo molar – 3,092 kg-mol/h; Vazão mássica – 222,9 kg/h; Vazão volumétrica – 0,1921 m 3 /h e; fluxo de calor – 1,69E6 kJ/h. A saída do vaso flash essa corrente foi dividida em duas correntes distintas, uma de vapor (topo) e outra de líquido (base). A corrente de vapor teve a seguinte composição: Fração de vapor – 1,0000; Temperatura – 49,49 ºC; Pressão - 30 kPa; Fluxo molar – 0,0000 kg-mol/h; Vazão mássica – 0,0000 kg/h; Vazão volumétrica – 0,0000 m 3 /h e; Fluxo de calor – 0,0000 kJ/h. A corrente de base do vaso flash teve então as seguintes características: Fração de vapor
- 0,000; Temperatura – 49,49 ºC; Pressão - 300 kPa; Fluxo molar – 3,092 kg-mol/h; Vazão mássica – 222, kg/h; Vazão volumétrica – 0,1921 m 3 /h e; Fluxo de calor – 1,69E6 kJ/h. Observou-se que a corrente na saída do separador continha ainda uma significativa quantidade de etanol. Dessa forma um segundo sistema de separação flash foi simulado e as correntes finais de topo e base foram caracterizadas conforme os seguintes dados (a corrente de topo reúne os topos dos dois sistemas). TOPO : Fração de vapor – 1,0000; Temperatura – 79,33 ºC; Pressão – 24,30 kPa; Fluxo molar – 0,7026 kg- mol/h; Vazão mássica – 22,52 kg/h; Vazão volumétrica – 2,829E-3 m 3 /h e; Fluxo de calor – 1,398E-5 kJ/h e; BASE : Fração de vapor – 0,0000; Temperatura – 79,33 ºC; Pressão – 24,30 kPa; Fluxo molar – 2,390 kg- mol/h; Vazão mássica – 200,4 kg/h; Vazão volumétrica – 0,138 m 3 /h e; Fluxo de calor – 1,500E6 kJ/h. a figura
a seguir ilustra os layouts dos sistemas em série e os balanços de massa e energia conforme comentários anteriores. A eficiência de separação do sistema pode ser então estimada como:
Figura 1 – Layout dos equipamentos e dados dos balanços de massa e energia após aplicação do Hysys ao sistema proposto de separação
etanol-glicerina
A etapa de validação do modelo a partir dos dados experimentais não foi executada, pois a unidade em escala piloto de produção de biodiesel só ficou pronta em junho, não sendo possível a realização de testes experimentais.
3.5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES
O presente estudo mostrou a possibilidade de uso de um sistema de separação simples como o vaso flash para recuperação de álcool no processo de produção de biodiesel. Em razão de seu baixo custo, o separador flash pode ser competitivo, principalmente se utilizado em cascata ou série como proposto. Um próximo trabalho pode avaliar economicamente a eficiência desse tipo de processo em comparação com o processo de destilação fracionada convencional.
REFEÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASPEN ONE. A sequential Modular Simulators. Cambridge, M.A, Aspentech, 2004.
CASTELLANELLI, C. A. Estudo da viabilidade de produção do biodiesel, obtido através do óleo de fritura usado, na cidade de Santa Maria – RS. Dissertação( Mestrado em Engenharia de Produção).Universidade Federal de Santa Maria, RS. 2008.
DERMIRBAS, A. Progress and Recent Trendes in Biodiesel Fuels. Energy Conversion and Management. V. 50, p. 14-34, 2009
FERRARI, R,A, et al. Produção de biodiesel etílico na UFPG.Publ.UEPG.Exatas Terra,Ci. Eng., Universidade Estadual de Ponta Grossa, 10(2):45-52,ago.
FREITAS, M. de. Amazônia e desenvolvimento sustentável- Um diálogo que todos os brasileiros deveriam ter. Colaboração de Walter Esteves de Castro Junior. Ed. Vozes. RJ, Petrópolis, 2004.
HILL, K. Fats and oils as oleochemical raw materials. Pure Appl. Chem. 72, 1255-1264, 2000.
MONTGOMERY, D. C. – Design and analysis of experiments. 6 ed. USA: John Wiley & Sons, 2005.
OLIVEIRA, L. B., COSTA, A. O Biodiesel – uma experiência de desenvolvimento sustentável. Rio de Janeiro: IVIG/COPPE/UFRJ,14p. 2002. Disponível na internet em: <http://www.ivig.coppe.ufrj.br/arquivos/ biodiesel.pdf>.
RAMOS, L. P.; KNOTHE, G.; VAN GERPEN, J. & KRAHL, J. Manual de Biodiesel. 1. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2006.
- EVENTOS QUE PARTICIPOU (comprovante)
7º SEMANA DE INTEGRAÇÃO UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PERNAMBUCO E SOCIEDADE Minicurso: Produção de Biodiesel com Óleos Residuais (comprovante enviado no relatório parcial).
DIA DA ÁRVORE CONFERÊNCIA: A Árvore e seu entorno
II SEMINÁRIO BIODIESEL FONTE DE ENERGIA DAS OLEAGINOSAS EM PERNAMBUCO: Evolução do Cenário e Novas Perspectivas no Brasil
