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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
3. DESENVOLVIMENTO DO PLANO DE TRABALHO (redigir sob a forma de
redação científica)
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. Neste contexto surge o óleo de fritura usado (OFU), como mais uma matéria-prima que pode ser transformada em biodiesel de alta qualidade, 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. 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
Foi realizado como primeira etapa deste trabalho um detalhado levantamento bibliográfico sobre a produção de biodiesel e o princípio de funcionamento dos evaporadores do tipo flash. Baseado no levantamento foram definidas as variáveis relevantes para o processo e iniciado o estudo sobre planejamento experimental, para posterior definição do mesmo e confirmação das variáveis independentes.
3.1.. Produção de biodiesel
- Histórico
O uso de óleos vegetais como combustível em motores de combustão interna remonta a 1900, quando Rudolf Diesel utilizou óleo de amendoim em seus motores (SHAY, 1993). Na época, graças ao baixo custo e grande disponibilidade, o petróleo tornou-se a principal fonte de energia e o diesel passou a ser o principal combustível. Entretanto, o petróleo e seus derivados periodicamente passaram por quedas de produção e fornecimento, o que estimulou a busca por fontes alternativas (PARENTE, 2003; SCHUCHART et. al., 1998; ZANIN et. al., 2000). Nas décadas de 1930 e 1940, óleo vegetal bruto foi utilizado nos motores em situações emergenciais (MA e HANNA, 1999). As crises do petróleo nas décadas de 70 e 90, bem como a crescente preocupação com as questões ambientais, renovaram o entusiasmo pela busca de fontes de combustíveis alternativos (HILL, 2000; PARENTE, 2003; SCHUCHART et al, 2001). No Brasil o quadro não foi diferente. Durante a década de 40 surgiram as primeiras tentativas de exploração de óleos e gorduras como fonte de energia. Durante os períodos de crise do petróleo citados, foi criado outro programa, o Plano de Produção de Óleos Vegetais para Fins Energéticos (PRO-ÓLEO), elaborado pela Comissão Nacional de Energia em outubro de 1980. Esperava-se estabelecer a mistura de 30% de óleos vegetais ou derivados ao diesel e, em longo prazo, uma substituição total do mesmo. A alternativa tecnológica proposta para produção de biocombustíveis foi a transesterificação de óleos vegetais. No final do Século XX, o governo federal retomou a discussão acerca do uso do biodiesel e diversos estudos foram realizados por comissões interministeriais em parceria com universidades e centros de pesquisa. Em 2002, a etanólise de óleos vegetais foi escolhida como a rota principal para iniciar um programa de substituição ao uso de diesel de petróleo, o PROBIODIESEL, apresentado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia em 30 de outubro de 2002. Inicialmente foi sugerida, nesse programa, uma substituição do diesel consumido no Brasil por B5 (5 % biodiesel e 95 % diesel) até 2005 e num período de 15 anos a substituição por B20 (20 % biodiesel e 80 % diesel) usando ésteres de ácido graxos (VIGLIANO, 2003). Por causa da grande produção de etanol no Brasil, a etanólise foi a rota de produção escolhida apesar de suas limitações tecnológicas em relação à metanólise.
Após a reação de transesterificação que converte a matéria graxa em ésteres (biodiesel), a massa reacional final é constituída de duas fases, separáveis por decantação e/ou por centrifugação. A fase mais pesada é composta de glicerina bruta, impregnada com álcool, água e impurezas inerentes à matéria-prima. A fase menos densa é constituída de uma mistura de ésteres metílicos ou etílicos, conforme a natureza do álcool originalmente adotado, também impregnada de excessos reacionais de álcool e de impurezas. Para a remoção do álcool residual da glicerina pode ser utilizado o processo de destilação, eliminando-se da glicerina bruta os constituintes voláteis, cujos vapores são liquefeitos num condensador apropriado. A glicerina bruta, emergente do processo, mesmo com suas impurezas convencionais, já constitui um co- produto vendável. O álcool residual é recuperado da fase mais leve (biodiesel) da mesma forma, liberando para as etapas seguintes, os ésteres metílicos ou etílicos. (CHRISTOFF, 2006). Os excessos residuais de álcool, após os processos de recuperação contém quantidades significativas de água, necessitando de uma secagem. A desidratação do álcool pode ser realizada por destilação (BOUAID et al., 2005). No caso da desidratação do metanol, a destilação é bastante simples e fácil de ser conduzida, uma vez que a volatilidade relativa dos constituintes dessa mistura é muito grande, e ademais, inexiste o fenômeno da azeotropia para dificultar a completa separação. Diferentemente, a desidratação do etanol se complica em razão da azeotropia, associada à volatilidade relativa não tão acentuada como é o caso da separação da mistura metanol-água (PARENTE, 2003). Os ésteres deverão ser lavados com água destilada, retirando as impurezas existentes, resultando finalmente o biodiesel. Esse biodiesel deverá ter suas características enquadradas nas especificações das normas técnicas estabelecidas para esse biocombustível como combustível para uso em motores do ciclo diesel. (CHRISTOFF, 2006).
3.3.2 Evaporador Flash A separação de misturas líquidas em seus vários componentes é uma das principais operações realizadas nas indústrias química e petrolífera, sendo a destilação o método mais usado com esta finalidade e, por isso, parte importante do currículo de Operações Unitárias dos cursos de Engenharia Química (UEMURA, 2005). A destilação flash (algumas vezes chamada destilação de equilíbrio) é uma técnica de separação em um único estágio, sendo considerada uma expansão isoentálpica. Como exemplo, uma alimentação de mistura líquida é bombeada através de um aquecedor para aumentar a temperatura e entalpia da mistura. A alimentação então flui através de uma válvula e a pressão é reduzida, causando a vaporização parcial do líquido. Uma vez que a mistura entra com um volume grande o suficiente no vaso de flash , o líquido e vapor se separam. Devido ao vapor e líquido estarem em contato antes da destilação ocorrer, os produtos líquido e vapor formados estão aproximadamente em equilíbrio. Separações flash simples são muito comuns na indústria, particularmente no refino de petróleo, mesmo quando algum outro método de separação pode ser usado, não é incomum se utilizar um “préflash” para reduzir a carga de separação que entra em uma coluna de destilação (Figura 3). Também são utilizadas na preparação de carga para outros processos (MOTTA LIMA et al., 2006).
Figura 3- Fluxograma de um processo utilizando evaporador flash
3.4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Baseado no levantamento bibliográfico realizado, foram inicialmente definidas as variáveis relevantes para o estudo e projeto de evaporadores flash como:
- A composição de alimentação do componente mais volátil
- As composições do vapor e do líquido em equilíbio.
- A diferença entre as temperaturas do fundo e do topo da coluna.
- As vazões molares de líquido e vapor.
Em uma etapa posterior será elaborado um modelo matemático correlacionando valores dessas variáveis para elaboração do planejamento fatorial e utilização do software HYSYS, podendo ainda haver modificações na seleção e definição dessas variáveis. Estudos sobre planejamento fatorial e o software HYSYS está sendo realizado.
REFEÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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CHRISTOFF, P. (2006) Óleo Residual de Fritura da Associação Vira Combustível (Biodiesel ), UNIFAE Centro Universitário Franciscano do Paraná, do Curso de Engenharia de Producao e de Engenharia Ambiental, Licenciado em Quimica pela UFPR e Mestre em Desenvolvimento de Tecnologia (Biocombustivel), 2006.
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