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1 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

Dimensionamento tanque de agitação

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Dimensionamento tanque de agitação

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Page 1: 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

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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

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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);

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- 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.

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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

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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:

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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

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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

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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.