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Dimensionamento tanque de agitação
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Universidade Federal da Fronteira Sul – UFFS
Campus Erechim
Produção de Biodiesel – Tanque de Mistura
Acadêmicos: Alan Ricardo Bet, Felipe Caldart
Disciplina: Operações Unitárias
Professora: João Paulo Bender
Erechim – RS
2014
2
1 – Introdução
O biodiesel é visto com uma promissora fonte renovável de combustíveis devido
à sua biodegradabilidade, baixa toxicidade e menor dependência de produtos
petrolíferos. Sua produção é realizada a partir de óleos vegetais, gordura animal e óleos
de microalgas por transesterificação ou esterificação com alcoóis de cadeia curta
(SANTIN, 2013).
Descrito teoricamente, o biodiesel é um éster de ácido graxo, renovável e
biodegradável, obtido comumente a partir da reação química de óleos ou gorduras, de
origem vegetal ou animal, com um álcool na presença de um catalisador (ENCINAR,
1999).
O biodiesel é uma evolução na tentativa de substituição de óleo diesel por
biomassa, eniciada pelo aproveitamento de óleos vegetais. Quimicamente o biodiesel é
definido como mono-alquil-éster de ácidos graxos de cadeia longa derivada biolipídeos
renováveis (DEMIRBAS, 2008).
Observando o poder calorífico similar ao óleo diesel, os óleos vegetais foram
considerados como uma opção para a substituição deste derivado do petróleo. Porém, os
óleos vegetais in natura quando usados em motores de compressão interna causam
problemas sérios. A alta viscosidade, os ácidos graxos livres presentes no óleo vegetal,
depósitos de carbono no motor e nos injetores e problemas com lubrificantes são alguns
exemplos de problemas mais comuns com relação a utilização de óleos vegetais em
motores. Alem disto, as altas massas moleculares e viscosidade (cerca de 10 vezes
maior que a do óleo diesel) causam a combustão incompleta do óleo vegetal. Em função
destes problemas, surgiu a necessidade de modificar os óleos vegetais com o objetivo de
diminuir a sua viscosidade.
A transesterificação, também conhecida como alcoólise, acarreta na diminuição
da viscosidade do óleo vegetal, e assim, melhora o desempenho dos motores movidos a
diesel. Esta reação é descrita pela reação de um triacilglicerol com um álcool de cadeia
curta na presença de um catalisador, sendo este, uma enzima, um acido forte ou uma
base. O resultado desta reação produz uma mistura de ésteres e glicerol.
Figura1 – Processo de Transesterificação
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Para a ocorrência desta reação é necessária à presença de um catalisador, como
descrito acima. Esta reação pode ser realizada tanto em meio acido como em meio
alcalino, porém ela ocorre de maneira mais rápida na presença de um catalisador
alcalino, além da obtenção de um melhor rendimento e seletividade. Outro catalisador
estudado atualmente é o catalisador enzimático, neste caso a reação de transesterificação
ocorre sem a adição de catalisadores químicos, tendo como resultado uma diminuição
acentuada na formação de resíduos, além da alta especificidade da enzima ao substrato,
o que resulta em um ganho maior de produto formado (SANTIN, 2013).
Dentre as oleaginosas já investidas para a produção de biodiesel, destacam-se a
soja, o girassol, a mamona, o milho, a canola, o babaçu, entre outros.
Gráfico 1 – Matérias – Primas utilizadas para produção de bidiesel no Brasil. (ANP,
2010)
Tabela 1 – especificações de alguns óleos vegetais in natura e do óleo diesel
(SANTIN,2013)
Características Tipos de óleos
Mamona Babaçu Dendê Soja Óleo
Diesel
Poder calorífico(kcal/kg) 8913 9049 8946 9421 10950
Ponto de névoa(ºC) 10 26 31 13 0
4
Densidade a 25ºC (g/cm³) 0,9578 0,9153 0,9118 Nd 0,8487
Viscosidade a 37,8ºC (cSt) 285 30,3 36,8 36,8 2,0 - 4,3
Uma das grandes vantagens do biodiesel é a sua adaptabilidade aos motores do
ciclo diesel, diferindo assim de outros combustíveis limpos como o gás natural ou o
biogás. Do ponto de vista ambiental, o biodiesel possui como vantagem a diminuição da
emissão de materiais particulados, de dióxido de carbono (𝐶𝑂2) e de dióxido de enxofre
(𝑆𝑂2), os quais são gases responsáveis pelo efeito estufa e a chuva ácida.
Tabela – 2 Redução das emissões em relação ao diesel. (B100 se refere a 100% de
biodiesel e B20 se refere a uma mistura de 20% de biodiesel com óleo diesel).
Tipo de emissão B100(%) B20(%)
Monóxido de Carbono 0 0
Hidrocarbonetos 56,3 11,0
Particulados 55,4 18,0
Óxidos de Nitrogênio +5,8 +1,2
Ar tóxico 60 80
Para a produção de biodiesel em escala industrial o principal processo
empregado é a transesterificação por catalisadores químicos em batelada. O objetivo
deste trabalho é o dimensionamento de um equipamento de agitação/mistura utilizado
como reator para o processo de produção de biodiesel.
2 – Materiais e métodos escala piloto
Para o dimensionamento de um tanque de mistura na produção de biodiesel é
necessário o conhecimento do processo empregado na reação de transesterificação. No
nosso caso hipotético, o óleo utilizado na produção de biodiesel é o óleo de soja
refinado.
Como dito anteriormente, a reação de transesterificação ocorre com mistura de
um óleo, um álcool de cadeia curta e um catalisador, no nosso caso, químico. Este
processo de mistura é dado da seguinte forma:
- o óleo é aquecido até uma temperatura ótima de processo, neste caso 80ºC;
- o catalisador químico (0,5 % de NaOH sobre o valor de óleo) é diluído no
álcool (etanol);
5
- após dissolvido, o catalisador químico é misturado ao óleo mantendo a
temperatura de 80ºC por cerca de 10 minutos.
Tabela 3 – Especificações dos componentes químicos.
Propriedades Óleo de soja refinado Etanol (99,9%) Mistura
M (g/mol) 874,8 46,06 -
Viscosidade à 20ºC(cSt) 36,80 1,52 5,0489
Densidade à 20ºC(kg/m³) 930 789 803,1
Para o dimensionamento, os valores de densidade e viscosidade dos compostos
são baseados na temperatura ambiente (maiores que a temperatura de 80 ºC), devido ao
fato de que o misturador estará trabalhando desde o principio do processo, isto é, desde
que o óleo começa a ser aquecido.
Neste processo a quantidade de óleo e etanol presente no meio se dará de acordo
com a razão molar de 1:9 (1 mol de óleo para 9 moles de etanol). A massa de NaOH
representa 0,5 % da massa do óleo utilizada no processo, mas será dissolvida e não
entrará no dimensionamento pois pode ser considerada desprezível devido a sua baixa
quantidade.
Para uma melhor analise, os valores da mistura tanto da viscosidade como da
densidade foram calculadas baseadas nas frações molares dos compostos. Assim, a
viscosidade da mistura é de 5,05 cSt e a densidade é de 803,1 kg/m³.
O primeiro passo do dimensionamento de um tanque de mistura é a formulação
de um projeto piloto, para isto um tanque com um volume de 6 litros é proposto.
Baseado nas propriedades dos componentes da mistura e tendo em vista que uma
margem de altura de segurança mínima deve ser imposta para o tanque (adotado 5%),
obteve-se os seguintes valores necessários para o seu enchimento.
Tabela 4 – medida de cada composto utilizado no piloto de 6 litros.
Óleo refinado Etanol NaOH*
Massa (kg) 3,39 1,61 0,017
Volume (l) 3,64 2,04 -
Volume ocupado 5,68 litros
*valores de NaOH com base na massa de óleo (massa do óleo = 3,40kg).
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Os equipamentos de mistura mais utilizados para líquidos de pequena ou
moderada viscosidade são os impelidores de pás, hélices ou turbinas. Como a
viscosidade dinâmica da mistura calculada para o modelo é de aproximadamente 4 Cp e
tendo como base tabelas que correlacionam o emprego de impelidores quanto a sua
faixa de viscosidade, os impelidores de turbina (100 – 3x10
4) e hélice (10
0 – 10
4) são os
indicados para o dimensionamento.
A escolha de projeto se dará por um impelidor na forma de hélice naval, pois sua
obtenção é mais barata bem como sua eficiência energética é maior, além de atender a
todos os requisitos necessário para a mistura do fluido em estudo.
Como escolha do tipo de tanque a ser utilizado, optou-se por um tanque
cilíndrico utilizando as configurações recomendadas por McCabe:
i) Diâmetro do impelidor: Da = (1/3).Dt
ii) Altura do impelidor em relação à base do vaso: E = Da
iii) Nível do líquido: H = Dt
iv) Número de dificultores (chicanas): 4.
v) Largura dos dificultores: J = (1/12).Dt
vi) Caso o nível do líquido seja maior que 1,25 Dt usar mais impelidores.
vii) A distância ótima entre os impelidores fica entre 1 - 1,5 Da.
Como o cilindro possui uma área circular, é possível se obter a altura da lamina
de água do tanque tendo como base algumas equações:
𝑉 = 𝐴 ∗ 𝐻
𝑉 =𝜋 ∗ 𝑇² ∗ 𝐻
4
Segundo McCabe, a altura do tanque é igual ao seu diâmetro, então:
𝑉 =𝜋 ∗ 𝐻² ∗ 𝐻
4
0,00568 =𝜋 ∗ 𝐻² ∗ 𝐻
4
𝐻 = 0,194 𝑚
Como critério de segurança, a altura real do tanque é definida como um
coeficiente que multiplicará a altura do fluido dentro do tanque, impedindo assim um
possível extravasamento do liquido sobre o topo do tanque. O coeficiente adotado nesse
caso foi 1,2 (20% a mais que o nível do fluido). Desta forma, a altura do tanque piloto
deve ser aproximadamente 0,24 m.
7
Baseado nos critérios de McCabe apresentados anteriormente é possível calcular
os demais parâmetros de dimensionamento do tanque a partir da altura. Assim:
Tabela 5 – parâmetros referentes à geometria do tanque piloto
Parte geométrica Medida
Altura da lamina de água (H) 0,197 m
Diâmetro do tanque (Dt) 0,197 m
Diâmetro do impelidor (Da) 0,066 m
Altura do impelidor com relação à base
(E)
0,066 m
Número de chicanas 4
Largura das chicanas (J) 0,017 m
Altura do tanque 0,24 m
Como no processo há o aquecimento do liquido, as chicanas podem ser feitas de
algum material condutor e agir como aletas (aumentando a transferência de calor) no
processo.
Algumas definições de projeto devem ser apresentadas, geralmente fixa-se um
parâmetro desejado no processo e ajustasse os demais de forma a propiciar a idealidade
de operação. Assim, o parâmetro definido como base foi a rotação, estipulando-se um
valor ideal de 120 rpm ou 2 rps.
A partir desse critério de projeto, é possível determinar o regime em que a
mistura irá se encontrar:
𝑅𝑒 =𝜌𝑁𝐷2
𝜇
Utilizando a densidade e a viscosidade da mistura, bem como o diâmetro
estimado, o valor de Reynolds encontrado para o modelo piloto foi de 12090
caracterizando um regime turbulento.
Também é possível estimar o numero de potencia através do numero de
Reynolds encontrado utilizando o seguinte gráfico:
Gráfico 2 – Relação entre o número de potencia e o número de Reynolds. Numero de
potência de diversos impelidores do tipo turbina em função do número de Reynolds do
8
impelidor para fluidos newtonianos. (a) hélice naval; (b) pás retas; (c) pás retas e disco
(turbina de Rushton); (d) pás curvadas; (e) pás inclinadas com passo de 45º; (f)
shoured; (g) pás retas sem chicanas.
Sabendo que o impelidor utilizado foi uma hélice naval e que o valor de
Reynolds é na casa de 1,2 ∗ 104, o valor de numero de potencia é de aproximadamente
0,43.
Com esses dados em mãos, é possível encontrar a potencia necessária para a
mistura do fluido partindo da expressão:
𝑊𝑢 = 𝑁𝑝𝑜𝜌𝑁3𝐷5
Wu = 0,43 ∗ 803,1 ∗ 23 ∗ 0,1945
𝑊𝑢 = 0,76 𝑊
Essa potencia encontrada é suficiente para mover a hélice com as condições
estipuladas. Mas durante a escolha do motor (em escalas maiores) que irá fornecer a
energia, deve-se ter em mente a potencia útil fornecida pelo mesmo. Assumindo uma
eficiência de 30% na conversão da energia elétrica em mecânica (por ser piloto assume-
se uma baixa conversão), encontra-se um valor de potencia necessária de 2,53 W.
O grau de agitação pode ser medido pela simples divisão da potencia pelo
volume de liquido presente no reator. Assim:
𝑁𝐴 =𝑊𝑢
𝑉𝑡
𝑁𝐴 =0,76
0,00568= 133,8
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Esse nível de agitação caracteriza uma mistura muito intensa.
Além disso, o tempo de mistura (tempo necessário para que todo o meio se
agite) também pode ser calculado. O numero de mistura pode ser estimado a partir da
observação de um gráfico que correlacione Reynolds, forma e diametro do impelidor e
numero de mistura.
Assim, baseado no Reynolds calculado e no impelidor escolhido, o valor do
numero de mistura será de 14. Obtendo um tempo de mistura para o piloto de
aproximadamente 7 segundos (tempo necessário para que todo o fluido seja agitado).
Para o calculo do consumo energético gasto com o agitador, será assumido que
este será operado 14 horas por dia durante 6 dias da semana. O gasto por kWh estimado
é de 40 centavos. Desta forma:
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜: 14 ∗ 2,53 = 35,46 𝑊
𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜: 35,46 ∗0,4
1000= 0,01 𝑅$
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑙: 14 ∗ 2,53 ∗ 6 = 212,52 𝑊
𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑙: 212,52 ∗0,4
1000= 0,09 𝑅$
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙: 14 ∗ 2,53 ∗ 24 = 850,08 𝑊
𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙: 850,08 ∗0,4
1000= 0,34 𝑅$
3- Aumento de Escala
Baseado nas definições já estipuladas, um recalculo das dimensões do projeto
pode ser realizada. Para se ter confiança que o aumento de escala reflete o
comportamento de uma escala piloto, deve-se conservar as proporcionalidades
geométricas e fluidodinâmicas.
Para a manutenção do nível de agitação, a seguinte proporcionalidade deve ser
seguida:
𝑁13𝐷1
2 = 𝑁23𝐷2
2
A correlação 𝑁13𝐷1
2da escala piloto obteve um valor de 345,33. Esse valor
deverá ser comparado com as ampliações de escala para comprovar a semelhança de
processos.
Neste caso, as dimensões foram recalculadas para um tanque de 60 e de 600
litros. Os resultados tabelados para o aumento de escala podem ser encontrados abaixo:
10
Escala 60 litros
Tabela 6 – medida de cada composto utilizado na escala de 60 litros.
Óleo refinado Etanol NaOH*
Massa (kg) 33,9 16,1 0,17
Volume (l) 36,47 20,38 -
Volume ocupado 56,85 litros
Tabela 7 – parâmetros geométricos referentes à geometria do tanque de 60 litros
Parte geométrica Medida
Altura da lamina de água (H) 0,417 m
Diâmetro do tanque (Dt) 0,417 m
Diâmetro do impelidor (Da) 0,139 m
Altura do impelidor com relação à base
(E)
0,139 m
Número de chicanas 4
Largura das chicanas (J) 0,035 m
Altura do tanque 0,500 m
Tabela 8 – parâmetros fluidodinâmicos e de agitação referentes ao tanque de 60 litros
Reynolds 55860
Agitação (intensidade) 613
Potencia (W) 34,8
N (rps) 2
N (rpm) 120
Número de mistura 14
Tempo de mistura (s) 7
Eficiência 0,6
Potencia verdadeira (W) 58,06
Correlação 𝑁23𝐷2
2 345,33
Tabela 9 - Consumo e gastos energéticos com o tanque de 60 litros
Consumo diário (W) 812,8
11
Gasto diário (R$) 0,33
Consumo semanal (W) 4876,8
Gasto semanal (R$) 1,95
Consumo mensal (W) 19507,3
Gasto mensal (R$) 7,8
Escala de 600 litros
Tabela 10 – medida de cada composto utilizado na escala de 600 litros.
Óleo refinado Etanol NaOH*
Massa (kg) 339,2 160,8 1,7
Volume (l) 364,73 203,80 -
Tabela 11 – parâmetros geométricos referentes à geometria do tanque de 600 litros
Parte geométrica Medida (m)
Altura da lamina de água (H) 0,900 m
Diâmetro do tanque (Dt) 0,900 m
Diâmetro do impelidor (Da) 0,300 m
Altura do impelidor com relação à base
(E)
0,300 m
Número de chicanas 4
Largura das chicanas (J) 0,075 m
Altura do tanque 1,080 m
Tabela 12 – parâmetros fluidodinâmicos e de agitação referentes ao tanque de 600
litros
Reynolds 259000
Agitação (intensidade) 2838
Potencia (W) 1613
N (rps) 2
N (rpm) 120
Número de mistura 14
Tempo de mistura (s) 7
Eficiência do motor 0,7
12
Potencia verdadeira (W) 2304
Correlação 𝑁33𝐷3
2 345,33
Tabela 13 - Consumo e gastos energéticos com o tanque de 600 litros
Consumo diário (W) 32265,60
Gasto diário (R$) 12,91
Consumo semanal (W) 193593,6
Gasto semanal (R$) 77,44
Consumo mensal (W) 774374,4
Gasto mensal (R$) 309,75
Os fatores de correlação da mistura foram iguais a da escala piloto, o que indica
um aumento de escala adequado. Nota-se um aumento muito grande da potencia
necessária para a agitação conforme o tamanho do tanque aumenta, isso deve-se a
dependência da potencia da bomba com relação ao diâmetro na ordem da quinta
potencia.
Enquanto na escala piloto os valores gastos em energia eram irrisórios, quando
aumentasse a escala eles podem se tornar assustadores. Em um tanque de agitação
médio de 600 litros o consumo mensal de energia chega a 310 reais e se caso fosse
projetado um tanque de agitação maior, esse gasto aumentaria muito mais.
Figura 1: Esquema representativo de projeto
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REFERENCIAS:
ANP, Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. Disponível em
www.anp.gov.br. Acesso em 26/10/2014.
DEMIRBAS, A. Biodiesel: A Realistic Fuel Alternative for Diesel Engines. Springer-
Verlag Londo Limited, 2008.
ENCINAR, J. M; GONZALEZ, J. F; SABIO, E; RAMIRO, M. J. Preparation and
Properties of Biodiesel from Cynara cardunculus L. Oil. Industrial Engineering
Chemistry Research, v. 38, 1999.
SANTIN, Claudia Mara Trentin. Síntese de Biodiesel Pela Transesterificação e
Esterificação Enzimática em Sistema Livre de Solvente em Banho de
Ultrassom.2013. 192 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia de Alimentos,
Departamento de Ciências Agrárias, Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai
e das Misões, Erechim, 2013.