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SIMULAO E CONTROLE GLOBAL DE UMA PLANTA
TPICA PARA PRODUO DE BIODIESEL
B. F. da SILVA1, F. V. da SILVA1 e J. E. SCHMITZ
1Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia
Qumica E-mail para contato: [email protected]
RESUMO A produo de biodiesel tem crescido em importncia nos
ltimos anos, sendo um importante substituto ao diesel. No Brasil, a
maior parte da
produo utiliza leo de soja como matria-prima, sendo a catlise
homognea
alcalina a rota mais comum. O processo simulado representa um
processo tpico,
no qual, leo de soja representado como triolena pura na reao com
metanol,
utilizando soda custica como catalisador. Um modelo cintico
rigoroso foi usado
para representar a dinmica do processo de transesterificao.
Assim sendo, este
trabalho tem como objetivo avaliar um sistema de controle global
(plantwide)
para um processo de produo de biodiesel. Foi utilizada a
abordagem de
simulao computacional para realizar a modelagem do processo,
sendo escolhido
o software Aspen Plus Dynamics para avaliar o comportamento dos
controladores
e das variveis de interesse ao longo do tempo.
1. INTRODUO
O biodiesel uma alternativa ao diesel proveniente do petrleo.
Sua utilizao
crescente, busca a reduo da emisso de poluentes e diminuio de
dependncia do petrleo.
Na ltima dcada, normas regulatrias colocaram a obrigatoriedade
da adio de 5% de
biodiesel ao diesel vendido ao mercado brasileiro, o qual
denomina-se diesel B5.
No final de 2012, a venda de diesel B5 chegou a 55,88 milhes de
m, representando
43% do consumo de combustveis. Esta cifra representa um aumento
de7% em relao a
2011. Totalizou-se 2,73 milhes de m de biodiesel misturados no
diesel B5, mostrando a
grande demanda do biocombustvel para o pas (ANP, 2013,
2013b).
A mistura diesel e biodiesel, alm de diminuir a dependncia do
combustvel fssil, traz
vantagens ambientais, j que tem emisso de diversos poluentes
reduzida com o aumento da
porcentagem do biocombustvel adicionada a mistura (EPA,
2002).
O termo biodiesel descreve uma mistura de substncias semelhantes
ao diesel que pode
ser total ou parcialmente inserida como substituinte do diesel
de origem fssil. Comumente
composto por steres metlicos ou etlicos de cidos graxos. Para
sua obteno, realiza-se a
esterificao de cidos graxos ou a transesterificao de
triglicerdeos presentes em leos
vegetais e gordura animal.
A transesterificao ocorre atravs da reao do leo vegetal com um
lcool e
geralmente na presena de um catalisador, o qual pode ser
alcalino ou cido em meio
homogneo ou heterogneo, havendo ainda a possibilidade de
realizar a reao atravs de
rea temtica: Simulao, Otimizao e Controle de Processos 1
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catalisadores enzimticos ou rotas no catalticas envolvendo
condies mais severas de
temperatura e presso.
2. DESCRIO DO PROCESSO
O processo proposto, simula a reao do leo de soja com metanol,
na presena de
NaOH como catalisador. A escolha da rota foi embasada no mercado
brasileiro, que tem cerca
de 70% da produo atravs do leo de soja, segundo a ANP (2013) e
apresenta o metanol
como lcool mais utilizado devido ao custo e qualidade final do
biodiesel.
Para fins de simulao, devido dificuldade de encontrar dados
termodinmicos para os
componentes da mistura de triglicerdeos do leo de soja, optou-se
por realizar uma
aproximao. Utilizou-se triolena, um triglicerdeo composto por
trs cidos oleicos. O peso
molecular desse componente se aproxima da mdia presente na
mistura de triglicerdeos do
leo de soja, sendo uma aproximao utilizada em diversos estudos.
(Wang, 2008; Kiss,2011;
Zhang et al., 2012).
Para o modelo cintico da reao utilizou-se o trabalho de
Noureddini e Zhu (1997). Os
autores propuseram um conjunto de reaes reversveis, como pode-se
observar na Figura 1.
Os parmetros cinticos da transesterificao do leo de soja com
metanol e catalisador
homogneo bsico, foram ajustados para o modelo de Arrhenius
conforme a Tabela 1.
Figura 1 Reao de transesterificao, na qual TG, DG, MG e GL
so
triglicerdeos, diglicerdios, monoglicerdeos e glicerol.
Tabela 1 Parmetros cinticos da reao de transesterificao do leo
de soja.
leo de Soja(Noureddini e Zhu,1997)
Energia de
Ativao (cal/mol)
Constante da taxa
(L/mol min) a 50C
TG --> DG E1 = 13145 k1 = 0,05
DG --> TG E2 = 9932 k2 = 0,11
DG --> MG E3 = 19860 k3 = 0,215
MG --> DG E4 = 14639 k4 = 1,228
MG --> GL E5 = 6421 k5 = 0,242
GL --> MG E6 = 9588 k6 = 0,007
Ensaios realizados com Re=6200.
O processo engloba a reao em trs reatores CSTR sequenciais com
alimentao de
metanol em cada reator, o qual encontra-se em excesso em proporo
de 9:1 necessria para
rea temtica: Simulao, Otimizao e Controle de Processos 2
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obter a pureza final dos produtos, conforme pode ser observado
na Figura 2. O catalisador
incorporado em cada reator em soluo alcolica. Aps as sadas dos
dois primeiros reatores
ocorre uma separao inicial dos produtos em dois decantadores
(D100 e D101), os quais
separam uma fase rica em glicerol para realizar a purificao
deste subproduto por destilao
e a fase rica com biodiesel segue para o prximo reator.
Figura 2 Fluxograma do processo
As colunas de destilao so implementadas de modo a obter uma
pureza necessria
para um padro internacional de comercializao, estabelecendo como
restrio 96,5% de
pureza para o biodiesel, valor este fixado pelo padro europeu EN
14214, o qual influenciou o
padro brasileiro.
Para a coluna de destilao T100, responsvel pela recuperao do
metanol e do
glicerol, foi utilizado 10 pratos com alimentao no 4 prato. A
presso de operao o
condensador foi de 20 kPa. A coluna necessitou trabalhar com
vcuo para atingir a separao
desejada sem ultrapassar o limite de temperatura de 150 C, na
qual comea a ocorrer a
degradao do glicerol.
J a recuperao do biodiesel, ocorreu na coluna de destilao T101,
na qual utilizou-se
5 pratos, com alimentao no 3 prato. A presso de operao do
condensador ficou em 50
kPa para garantir que a coluna no ultrapassasse 250 C,
temperatura na qual pode ocorrer a
degradao dos steres.
Metanol Metanol Metanol
NaOH NaOH NaOH
leo
Glicerol
D100 D101
CSTR1 CSTR2 CSTR3
Biodiesel
gua Sol. HCl
Metanol Recuperado Metanol Recuperado
gua residual
PC PC
LC LC
LC LC
LC LC LC
TC TC TC LC LC
LC LC
D102
LC
LC
LC T100 T101
rea temtica: Simulao, Otimizao e Controle de Processos 3
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Aps a destilao, a corrente rica em steres passar por um
neutralizador, que reage uma
soluo de HCl com o NaOH residual, gerando gua e NaCl. Estes
resduos so eliminados na
etapa seguinte de lavagem, na qual gua adicionada e ocorre a
separao em um separador
bifsico.
3. METODOLOGIA
Definiu-se a capacidade da planta em aproximadamente 200.000
toneladas por ano,
produzindo biodiesel dentro dos padres de comercializao
presentes na norma europeia.
Para atingir essa meta de produo, estabeleceu-se o valor de 28
kmol/h de triolena como
corrente de entrada.
O processo inicialmente foi simulado no software comercial Aspen
Plus, atravs do qual
obteve-se o regime permanente do processo. Para avaliar o
comportamento ao longo do
tempo, a simulao foi exportada para o software Aspen Plus
Dynamics, o qual possibilitou a
anlise do regime transiente.
Para o clculo das propriedades termodinmicas das substncias do
processo foi
utilizado o pacote termodinmico UNIQUAC, com a determinao dos
parmetros faltantes
pelo mtodo de contribuio de grupos UNIFAC. Esta considerao foi
realizada em outros
estudos, tais como os trabalhos de Zhang et al. (2012) e Kiss
(2011).
Foram realizadas perturbaes na entrada de triolena do processo
de -3%, -5%,-8%,
3%, 5% e 8% para o fluxo molar. O tempo de simulao foi
estabelecido at um novo regime
permanente. Controladores foram implementados focando-se na
planta como um todo,
priorizando-se os objetivos de controle, restries e controles
complementares para alguns
equipamentos.
4. RESULTADOS E DISCUSSES
Os controladores implementados so mostrados na Figura 2 na
descrio do processo e
os valores dos seus parmetros de controle esto listados na
Tabela 2. A sintonia foi realizada
atravs do mtodo de Zigler-Nichols implementado no software Aspen
Plus Dynamics.
Escolheu-se utilizar somente controladores PID para esse
processo, tendo como hiptese que
no h limitao para seu uso, ou seja, supe-se que esteja disponvel
poder computacional
suficiente para sua utilizao. Soma-se a isto a ampla presena
destes controladores na
indstria, sendo o controle PID o mais comum (Desborough e
Miller, 2002).
Os controles aplicados ao processo mostraram-se adequados, tendo
em vista que
conseguiram manter os set-points das principais variveis. A
coluna T101, a qual
responsvel pela recuperao do metanol e purificao do biodiesel,
foi considerado um ponto
crtico do processo, j que impacta diretamente na qualidade do
produto. Atingiu-se a pureza
de 98,48% de steres no biodiesel para alimentao inicial de
triolena, resultado acima do
previsto pela norma EN 14214 que regula o biocombustvel.
rea temtica: Simulao, Otimizao e Controle de Processos 4
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Tabela 2 Parmetros de sintonia dos controladores.
Controlador Ganho (%/%) Constante de tempo integral
(min)
Constante de tempo derivativo
(min)
Presso do condensador T100 0,51 2,40 0,60
Nvel do condensador T100 0,24 4,36 1,09
Nvel do refervedor T100 0,21 7,10 1,78
Presso do condensador T101 0,19 2,40 0,60
Nvel do condensador T101 0,06 2,40 0,60
Nvel do refervedor T101 0,06 2,40 0,60
Nvel da fase 1 do D100 90,95 3,50 0,87
Nvel da fase 2 do D100 84,80 2,40 0,60
Nvel da fase 1 do D101 0,52 2,56 5,00
Nvel da fase 2 do D101 0,89 3,60 0,90
Nvel do CSTR 1 81,91 2,47 0,62
Temperatura do CSTR 1 7,51 2,45 0,61
Nvel do CSTR 2 89,07 2,46 0,62
Temperatura do CSTR 2 5,62 2,46 0,62
Nvel do CSTR 3 64,42 3,68 0,92
Temperatura do CSTR 3 5,21 2,45 0,60
Para as perturbaes de 3%,5% e 8% no fluxo molar na entrada de
triolena, notou-se
que a pureza do biodiesel sofre leve queda seguida de uma subida
at a estabilizao em um
patamar superior ao inicial, porm, dentro dos limites desejados
para a varivel, este resultado
pode ser visto na Figura 3. A natureza sequencial da reao aliado
a alterao na razo entre
metanol e leo promove este comportamento na curva de pureza.
Figura 3 Comportamento da pureza do biodiesel devido s
perturbaes de acrscimos do fluxo molar na corrente de triolena.
0,982
0,9825
0,983
0,9835
0,984
0,9845
0,985
0,9855
0,986
0,0
0,9
1,8
2,7
3,6
4,6
5,5
6,4
7,3
8,2
9,1
10,0
10,9
11,8
12,7
13,7
14,6
15,5
16,4
17,3
18,2
fra
o m
ssi
ca (
bio
die
sel)
tempo (horas)
d =3%
d= 5%
d= 8%
rea temtica: Simulao, Otimizao e Controle de Processos 5
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Para as perturbaes em que h queda do fornecimento de triolena em
-3%, -5% e 8%
no fluxo molar, observa-se comportamento contrrio,
estabilizando-se em um novo regime
permanente com uma pureza menor que a inicial. Este efeito
acompanha o decrscimo na
corrente de leo, conforme se verifica na Figura 4.
Figura 4 Comportamento da pureza do biodiesel devido s
perturbaes de decrscimo do fluxo molar na corrente de triolena.
A coluna de purificao de biodiesel T101 um ponto crtico do
processo, j que afeta
diretamente a qualidade do produto final e tem a necessidade do
controle da presso do
condensador, o qual trabalha com vcuo para evitar uma
temperatura muito alta na separao
e a degradao dos steres do biodiesel.
O controle da presso foi realizado atravs da taxa de calor no
condensador, ou seja, do
fluxo de utilidade fria do mesmo. O condensador foi simulado de
modo a obter uma sada
subresfriada a 41,5 C.
O comportamento das variveis controladas e manipuladas da coluna
de purificao de
biodiesel pode ser visto na Figura 5, na qual aplicou-se um
distrbio no fluxo molar de
triolena de -3%. Nota-se uma rpida resposta e curto tempo de
estabilizao para a sintonia
realizada. Para as demais perturbaes estudadas obteve-se um
resultado semelhante.
0,978
0,979
0,98
0,981
0,982
0,983
0,984
0,985
0,9860,0
0,8
1,7
2,5
3,3
4,2
5,0
5,8
6,6
7,5
8,3
9,1
10,0
10,8
11,6
12,5
13,3
14,1
14,9
15,8
16,6
17,4
fra
o m
ssi
ca (
bio
die
sel)
tempo (horas)
d = -3%
d = -5%
d = -8%
rea temtica: Simulao, Otimizao e Controle de Processos 6
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Figura 5 Grficos do comportamento dos controladores da coluna de
purificao de biodiesel T101 (PV- Varivel de processo; SP set point;
OP-Varivel manipulada)
-665000
-660000
-655000
-650000
-645000
-640000
-635000
49,100
49,200
49,300
49,400
49,500
49,600
49,700
49,800
49,900
50,000
50,100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
taxa
calo
r no c
onden
sador
(cal
/s)
Pre
sso
no C
onden
sador
(kP
a)
Horas
PVSPOP
28
28
28
29
29
29
29
29
30
30
0,18
0,19
0,19
0,20
0,20
0,21
0,21
0,22
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18ab
ertu
ra v
lvula
(%
)
NIv
el c
onden
sador
(m)
Horas
PV
SP
44
45
45
46
46
47
47
48
48
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
aber
tura
vl
vula
(%
)
NIv
el r
efer
ved
or
(m)
Horas
PV
SP
OP
rea temtica: Simulao, Otimizao e Controle de Processos 7
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5. CONCLUSES
O trabalho apresentou uma simulao da rota reacional mais
abrangente da indstria.
Utilizou-se cintica rigorosa, com parmetros ajustados ao modelo
cintico de Arrhenius, em
um conjunto de reatores CSTR em srie. A simulao atingiu as
restries estipuladas para a
produo do biodiesel, tal como a pureza em padro comercial. Um
sistema de controle para a
planta inteira foi estabelecido, no qual alguns controladores
foram analisados, verificando-se
que foi possvel o controle do processo para as perturbaes
testadas. Como sequncia do
trabalho, faz-se necessrio implementao de outras propostas de
controle atravs de
metodologias orientadas para o controle de planta inteira
(plantwide), assim como de
indicadores globais para realizar comparao da performance das
propostas de controle.
6. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao apoio da Coordenao de Aperfeioamento de
Pessoal de
Nvel Superior CAPES e a Faculdade de Engenharia Qumica, a qual
apoia o desenvolvimento cientfico e a formao de pessoal
qualificado.
7. REFERNCIAS
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Disponvel
em:. Acessado em: 25/02/2013.
ANP. Boletim mensal de combustveis: ms de fevereiro de 2013.
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rea temtica: Simulao, Otimizao e Controle de Processos 8
