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Planta para a Produção de Biodiesel Utilizando o Simulador Aspen Hysys
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Planta para a Produção de Biodiesel Utilizando o Simulador Aspen Hysys
1Oliveira, Allan F.; 2Silva-Jr., Durval T.; 2França, Luiz F.; 2Corrêa, Nádia C.F.; 2Araújo, Marilena E. 1- Curso de Mestrado em Engenharia Química – UFPA
2- Departamento de Engenharia Química e de Alimentos – UFPA Campus Universitário do Guamá – Cx.P. 8612
CEP: 66050-970 – Belém – PA – Brasil Telefone: (0-xx-91)32017246 – Fax: (0-xx-91)32017908
Email: [email protected]
1 IntroduçãoInúmeras pesquisas tem sido realizadas com diferentes óleos vegetais como fonte de matéria
prima para a produção de biodiesel. A rota de produção mais utilizada envolve a reação de transes-terificação de óleos vegetais com álcool primário. A nível mundial são realizadas reações empre-gando o metanol e catalisadas por ácidos. No Brasil o processo de produção comumente empregado é a reação do óleo vegetal com etanol catalisada por NaOH (Holanda, 2004).
Segundo Ma e Hanna (1999) para que o preço do biodiesel seja competitivo é necessário que sejam realizados estudos aprofundados para a adaptação das diferentes matérias primas (óleos vegetais, óleos residuais de fritura) aos processos contínuos de transesterificação e que também realizem a recuperação do glicerol com alta pureza.
O grau de complexidade dos diversos equipamentos e correntes de escoamento envolvidos re-quer o uso de programas computacionais para a solução de balanços de massa e energia de plantas industriais. Os simuladores de processos comerciais são utilizados com freqüência na indústria de processamento de petróleo e gás natural contribuindo para a otimização das unidades de proces-samento reais.
Este trabalho teve como objetivo implantar uma planta simplificada para a transesterificação de óleos vegetais com etanol, empregando como catalisador o NaOH, para a produção contínua de biodiesel empregando o simulador de processos comercial Aspen Hysys (AspenONE, 2004). Foram avaliadas as simulações que resultassem na máxima conversão para ésteres etílicos (biodiesel).
2 SimulaçõesEm uma planta de produção de biodiesel são envolvidas várias operações. Após a reação de
transesterificação ainda devem ser consideradas a recuperação do álcool a separação dos ésteres (biodiesel) do glicerol e a purificação do glicerol.
O projeto do processo de transesterificação de óleos vegetais com etanol catalisado por NaOH apresentado neste trabalho consiste na adaptação de dados experimentais em escala de laboratório e de fluxogramas para a produção industrial de biodiesel empregando o metanol, publicados na literatura (Kreutzer et al., 1984; Freedman et al., 1984; Krawczyk, 1996; Zhang et al., 2003).
A elaboração desta planta simplificada para a produção contínua de biodiesel empregando o simulador de processos comercial Aspen Hysys tem como objetivo principal realizar simulações com diferentes tipos de óleos vegetais, tipos de reatores, limites de conversão, temperatura e pres-são da reação, além da separação dos produtos e a recuperação do excesso de etanol.
O projeto foi concebido segundo algumas premissas e considerações simplificadoras descritas a seguir. O óleo vegetal foi representado pela tripalmitina pura e o etanol utilizado é de alta pureza, ga-rantindo assim uma alimentação da planta isenta de água e de ácidos graxos livres, como precaução para evitar a formação de sabões, obtendo portanto como produtos o etil palmitato e o glicerol.
A reação de transesterificação foi definida considerando a proporção molar de 6:1 para eta-
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nol/óleo. O catalisador NaOH foi utilizado na proporção de 1% da vazão mássica do óleo vegetal (tripalmitina). A planta simplificada implantada no Aspen Hysys está apresentada na Figura 1.
O reator (R-1) é do tipo de conversão e opera com 50% do volume total. A torre de destilação (T-1) opera com 70% de eficiência, com 10 pratos, com condensador e reebulidor total, com razão de refluxo igual a 2 e a alimentação é inserida no segundo prato a partir do topo. Os misturadores não são equipamentos e sim um recurso do Aspen Hysys para o balanço das correntes de fluxo.
Figura 1 – Planta simplificada para a produção de biodiesel
B-1, B-2 , B-3 Bombas TORRE (T-1) Torre de Destilação
Trocador Trocador de Calor M -1 e M -2 Misturadores (recurso do simulador)
R-1Reator deConversão
PV Válvula
O passo inicial para realizar as simulações é a seleção na base de dados do Aspen Hysys das substâncias puras envolvidas. Caso a alimentação seja realizada com um óleo vegetal, o recurso do Aspen Hysys é o cadastro de uma substância pura hipotética. São necessários no mínimo três parâmetros para cadastrar uma substância hipotética no Aspen Hysys dentre os seguintes: peso mo-lecular (M), temperatura normal de ebulição Tb, temperatura (Tc), pressão (Pc) e volume crítico (Vc), fator acêntrico (ω) e densidade. Neste trabalho a tripalmitina e o etil palmitato foram cadastrados como substâncias hipotéticas e as propriedades cadastradas Tb, Tc, Pc e ω foram preditas utilizando métodos de contribuição de grupos (Constantinou e Gani, 1994; Constantinou et al, 1995).
Para representar as condições de equilíbrio da mistura com precisão na torre de destilação foi utilizado o modelo termodinâmico NRTL para descrever a não idealidade da fase líquida sendo considerada a idealidade para a fase vapor devido à torre operar a vácuo.
As simulações foram realizadas considerando como variável independente a conversão e como variáveis dependentes para análise dos resultados as temperaturas de topo e fundo da torre de des-tilação, ou seja, foram avaliadas as simulações que resultassem na máxima conversão para ésteres etílicos.
As temperaturas de topo e fundo da torre de destilação são determinadas após a convergência de cada simulação, porém somente foram selecionados os resultados os quais mantinham as tempe-raturas de topo abaixo do ponto normal de ebulição do etanol para que o reciclo seja realizado na fase líquida e a temperatura de fundo abaixo da faixa de degradação do glicerol e do etil palmitato (biodiesel), 150 e 204 °C, respectivamente.
3 Resultados e DiscussãoAs condições operacionais de cada equipamento da planta simplificada utilizadas nas simula-
ções estão apresentadas na Tabela1.As simulações realizadas com a planta simplificada apresentaram convergência para o máxi-
mo de 82,5% de conversão, considerando os limites de temperatura do topo e do fundo da torre de destilação.
Nas Tabelas 2 a 4 estão apresentados os resultados obtidos nas simulações da planta simplifi-cada para as conversões de 81%, 82% e 82,5% respectivamente. Nestas tabelas para cada corrente de fluxo da planta são apresentados os valores das vazões molar (VX) em kgmol/h, mássica (VM) em kg/h, temperaturas (°C), pressões (kPa) e as composições dos reagentes (tripalmitina=óleo, eta-nol) e produtos (etil palmitato, glicerol) em fração molar.
Tabela 1 - Condições operacionais das simulações
Planta para a Produção de Biodiesel Utilizando o Simulador Aspen Hysys
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Equipamentos Condições operacionais
B-1 ∆P=300,0 kPa ; Pot=488,3 kJ/h
B-2 ∆P=380,0 kPa ; Pot=105 kJ/h
B-3 ∆P=300,0 kPa ; Pot=83,65 kJ/h
Trocador Gradiente de Temperatura=34,76 °C
R-1 T= 60 °C ; P= 400 kPa ; Conversão= 81%, 82%, 82,5%
TorreN° de Estágios=10 ; TCOND=56,42°C; TREEB=153,1°C ; PCOND=20kPa ;
PREEB=30kPa; Razão de refluxo=2
M-1 T=25 °C ; P=100 kPa
M-2 T=33,57 °C ; P=400 kPa
PV Queda de Pressão=370 kPa
Neste arranjo da planta simplificada, onde a separação do excesso de etanol dos produtos ocor-re na torre de destilação, há uma recuperação em torno de 99 % molar do etanol (corrente 11).
Foi verificado nas simulações que para as condições de processo definidas com dados da lite-ratura (proporção molar de 6:1 para etanol/óleo, NaOH 1% da vazão mássica do óleo vegetal e rea-ção a 60°C e 400 kPa), obtém-se, após a recuperação do excesso de etanol, no máximo um produto contendo 65,06 % molar em etil palmitato (biodiesel), para conversão de 82,5%.
Os resultados demonstram a sensibilidade da planta com a conversão desejada visto que a temperatura do fundo da torre de destilação atingiu 143 °C para conversão de 82,5% o que é muito próxima da temperatura de degradação do glicerol (Tabela 4).
A partir deste fluxograma do processo implantado no Aspen Hysys é possível avaliar os parâ-metros para a produção de biodiesel representando o óleo vegetal a partir de uma composição mais próxima da realidade, contribuindo para realizar simulações com diferentes matérias primas. Em uma segunda etapa serão implantados outros processos de separação para enquadrar o biodiesel nas normas de comercialização além das etapas necessárias para a purificação do glicerol.
4 ConclusõesEste trabalho teve como objetivo implantar uma planta simplificada para a produção contínua
de biodiesel empregando o simulador de processos comercial Aspen Hysys. Foram utilizados dados da literatura para definir as condições operacionais para a reação de transesterificação de óleos vegetais, representado neste trabalho pela tripalmitina, com o etanol, empregando como catalisador o NaOH.
Foi selecionado no simulador o reator chamado de conversão, ou seja, os cálculos são realiza-dos a partir de uma conversão predefinida e da relação estequiométrica da reação entre reagentes e produtos. Foram avaliadas as simulações que resultassem na máxima conversão para ésteres etílicos (biodiesel).
Foi verificado nas simulações que para as condições de processo definidas com dados da lite-ratura (proporção molar de 6:1 para etanol/óleo, NaOH 1% da vazão mássica do óleo vegetal e rea-
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ção a 60°C e 400 kPa), obtém-se, após a recuperação do excesso de etanol, no máximo um produto contendo 65,06 % molar em etil palmitato (biodiesel), para conversão de 82,5%.
A planta simplificada apresentada neste trabalho representa o projeto inicial do processo de produção do biodiesel empregando programas computacionais comerciais para a solução de balan-ços de massa e energia, os chamados simuladores de processos. Em uma segunda etapa serão im-plantados outros processos de separação para enquadrar o biodiesel nas normas de comercialização além das etapas necessárias para a purificação do glicerol.
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