UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS/MG · na purificação do biodiesel, assim como a reutilização...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS/MG

CAMPUS POÇOS DE CALDAS/MG

MARCELLI PURCINO RÚPOLO

MATHEUS CELLIM LEVENDOSK

PROJETO DE PLANTA PILOTO PARA PRODUÇÃO E PURIFICAÇÃO DO

BIODIESEL

Poços de Caldas /MG

2015

2

MARCELLI PURCINO RÚPOLO

MATHEUS CELLIM LEVENDOSK

PROJETO DE PLANTA PILOTO PARA PRODUÇÃO E PURIFICAÇÃO DO

BIODIESEL

Poços de Caldas/MG

2015

Trabalho de Trabalho de Conclusão de

Curso, do curso de Engenharia Química da

Universidade Federal de Alfenas, Campus de

Poços de Caldas – MG.

Orientador: Prof. Dr. Leandro Lodi.

Orientador: Prof. Dr. Leandro Lodi.

3

FICHA CATALOGRÁFICA

R945p Levendosk, Matheus Cellim .

Projeto de planta piloto para produção e purificação do biodiesel. / Marcelli

Purcino Rúpolo; Matheus Cellim Levendosk ;

Orientação de Leandro Lodi. Poços de Caldas: 2015. 51 fls.: il.; 30 cm.

Inclui bibliografias: fls. 41-44

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) –

Universidade Federal de Alfenas– Campus de Poços de Caldas, MG.

1. Biodiesel . 2. Energia renovável. 3. Reação de esterificação. I. Levendosk,

Matheus Cellim . II. Lodi, Leandro. (orient.). III. Universidade Federal de Alfenas –

Unifal. IV. Título.

CDD 662.88

5

RESUMO

A necessidade de uma fonte de energia renovável e menos poluente que os combustíveis

de origem fóssil está cada vez mais intensa. O biodiesel vem ganhando destaque no

setor por ser um possível substituto dos derivados de petróleo. O biodiesel é oriundo de

óleos vegetais ou de gordura animal, pode ser sintetizado através de reações de

esterificação e de transesterificação, sendo esta última a mais empregada no setor

industrial. Sua produção é bem diversificada com relação aos reagentes, podendo ser de

origem metílica e etílica, diferenciando-se também em relação ao tipo de catalisador,

obtendo-se então, diversas rotas de produção. Para que seu uso possa ser efetivo no

setor de energia, é necessário que o biodiesel esteja dentro das normas estabelecidas

pela ANP e, portanto, há necessidade de um processo de purificação dos ésteres. Dentre

os processos de purificação estão a rota úmida e a rota à seco. Com o objetivo de reduzir

os efluentes gerados pela purificação via úmida, faz-se necessário um estudo sobre as

possibilidades de utilizar o método de filtração por micromembranas compostas por

Al2O3 e TiO2 na purificação do biodiesel, assim como a reutilização do mesmo

adsorvente e a recuperação do álcool empregado na síntese. Para isso, realizam-se

balanços de massa e energia, estudos de cenário industrial e um projeto de uma planta

piloto de produção e purificação do biodiesel com adsorventes de origem argilosa.

Palavras-chave: Produção de biodiesel. Energia renovável. Reação de esterificação.

Processos industriais.

6

ABSTRACT

The need for a source of renewable energy and less polluting than fossil fuels is

becoming increasingly intense. Biodiesel has been gaining momentum in the industry to

be a possible replacement of petroleum products. Biodiesel is derived from vegetable

oils or animal fats can be synthesized through esterification and transesterification,

which is the most used in the industrial sector. Its production is diverse with respect to

the reactants, may be methyl ethyl origin, also differentiating itself in relation to the

type of catalyst, obtaining then a number of production routes. So that their use can be

effective in the energy sector, it is necessary that biodiesel is within the standards

established by ANP and therefore no need for a process of purification of the esters.

Among the purification processes are wet route and the route to dry. In order to reduce

effluent generated by wet cleaning, it is necessary a study on the possibilities of using

the filtration method microwebs composed of Al2O3 and TiO2 in the biodiesel

purification, as well as reuse of the same adsorbent and recovery of alcohol used in the

synthesis. To do this, hold up mass and energy balances, industrial scenario studies and

design of a pilot plant production and purification of biodiesel with adsorbents clay

origin.

Keywords: biodiesel production. Renewable energy. Esterification reaction. Industrial

processes.

7

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Produção mundial de biodiesel .................................................................... 13

Figura 2 - Síntese de biodiesel por transesterificação .................................................. 16

Figura 3 - Reação de transesterificação ........................................................................ 16

Figura 4 - Reação de saponificação .............................................................................. 17

Figura 5 - Síntese de biodiesel via catálise alcalina ..................................................... 18

Figura 6 - Síntese de biodiesel via catálise ácida ......................................................... 19

Figura 7 - Purificação do biodiesel à seco .................................................................... 22

Figura 8 - Diagrama de Blocos do processo de produção de biodiesel ........................ 46

Figura 9 – Fluxograma do Processo de produção de biodiesel .................................... 47

Figura 10 – Fluxograma de Engenharia ....................................................................... 50

8

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Especificações do Biodiesel. ........................................................................ 14

Tabela 2 - Massa de saída e fração mássica de cada componente. ................................ 26

Tabela 3 - Dados do Processo de produção de biodiesel. .............................................. 27

Tabela 4 - Calor Específico dos Componentes da mistura a 25ºC ................................ 28

Tabela 5- Dados para calculo de calor específico médio. ............................................. 29

Tabela 6 – Dados para balanço de energia na coluna de evaporação da fase leve. ....... 29

Tabela 7 - Dados para balanço de energia na coluna de evaporação da fase pesada. ... 30

Tabela 8 - Dados para o processo de resfriamento de vapor de etanol.......................... 31

Tabela 9 – Dados para balanço de energia na torre de resfriamento. ............................ 31

Tabela 10 - Rendimento do Metanol versus Etanol ..................................................... 33

Tabela 11 - Propriedades do Etanol .............................................................................. 34

Tabela 12 - Características físico-químicas do óleo de soja a 20°C ............................. 34

Tabela 13 - Principais ácidos graxos presentes no óleo de soja ................................... 34

Tabela 14 – Massa molar dos triglicerídios presentes no óleo de soja ......................... 35

Tabela 15 - Propriedades do Óleo de Soja brasileiro ................................................... 35

Tabela 16 - Propriedades do KOH ............................................................................... 35

Tabela 17 - Massa Molar e Massa específica do Biodiesel .......................................... 36

Tabela 18 - Especificações da glicerina ....................................................................... 36

Tabela 19 - Tabela de Utilidades para um projeto de produção de biodiesel. ............... 37

Tabela 20 - Dados do processo do condensador. ........................................................... 37

Tabela 21 - Lista de Instrumentação. ............................................................................. 39

Tabela 22 - Análise de Custos. ...................................................................................... 39

Tabela 23 - Análise de Riscos pelo método What If. .................................................... 41

Tabela 24 – Detalhes do Fluxograma. ........................................................................... 47

Tabela 25 – Balanço de Massa do processo de produção do biodiesel. ........................ 48

Tabela 26 - Tabela Estequiométrica. ............................................................................. 51

9

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................ 12

2. OBJETIVOS ..................................................................................................... 13

2.1. Objetivo Geral ................................................................................................. 13

2.2. Objetivos Específicos ....................................................................................... 13

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................... 14

3.1. Biodiesel ........................................................................................................... 14

3.2. Síntese do biodiesel .......................................................................................... 15

3.3. Efeito do catalisador ........................................................................................ 17

3.3.1. Catálise Alcalina .............................................................................................. 17

3.3.2. Catálise ácida .................................................................................................. 18

3.4. Efeito do álcool ................................................................................................ 19

3.4.1. Metanol ............................................................................................................ 20

3.4.2. Etanol ............................................................................................................... 20

3.5. Purificação ....................................................................................................... 21

3.5.1. Purificação via úmida ...................................................................................... 22

3.5.2. Purificação à seco .......................................................................................... 22

3.5.2.1. Purificação pelo processo de membranas cerâmicas ...................................... 23

4. RESULTADO E DISCUSSÕES ....................................................................... 23

4.1.1. Entrada da Matéria Prima .............................................................................. 23

4.1.2. Purificação ....................................................................................................... 25

4.1.3. Saída de Produto ............................................................................................. 25

4.2. Diagrama de Blocos ........................................................................................ 25

4.3. Fluxograma de Processos (PFD) .................................................................... 26

4.4. Balanço de Massa ............................................................................................ 26

4.4.1. Dados do Processo .......................................................................................... 27

4.5. Balanço de energia .......................................................................................... 27

10

4.5.1. Balanço de energia na coluna de evaporação ................................................. 29

4.5.2. Balanço de energia na torre de Resfriamento ................................................. 30

4.6. Descritivo do funcionamento das malhas de controle e instrumentação ........ 31

4.6.1. Malha de controle no reator de transesterificação ......................................... 31

4.6.2. Malha de Controle na Caldeira ....................................................................... 32

4.6.3. Malha de controle no condensador ................................................................. 32

4.6.4. Malha de controle no filtro .............................................................................. 32

4.7. Especificações das matérias primas, produtos e efluentes .............................. 33

4.7.1. Matéria Prima .................................................................................................. 33

4.7.1.1. Etanol ............................................................................................................... 33

4.7.1.2. Óleo vegetal ..................................................................................................... 34

4.7.1.3. Hidróxido de Potássio (KOH) ......................................................................... 35

4.7.2. Produtos ........................................................................................................... 35

4.7.2.1. Biodiesel ........................................................................................................... 35

4.7.3. Efluentes ........................................................................................................... 36

4.7.3.1. Glicerina .......................................................................................................... 36

4.8. Avaliação das utilidades .................................................................................. 36

4.9. Lista de equipamentos e instrumentos ............................................................. 37

4.9.1. Equipamentos ................................................................................................... 37

4.9.2. Instrumentos ..................................................................................................... 39

4.10. Fluxograma de engenharia (P&ID) ................................................................ 39

4.11. Estimativa de custos ......................................................................................... 39

4.12. Avaliação de Segurança .................................................................................. 40

5. CONCLUSÃO .................................................................................................. 41

6. REFERÊNCIAS ................................................................................................ 42

7. ANEXOS ........................................................................................................... 46

7.1. Anexo A ............................................................................................................ 46

11

7.2. Anexo B ............................................................................................................ 47

7.3. Anexo C ............................................................................................................ 48

7.4. Anexo D ............................................................................................................ 50

8. MEMORIAL DE CÁLCULOS .......................................................................... 50

12

1. INTRODUÇÃO

A grande maioria dos combustíveis que são empregados nas indústrias e para

geração de energia tem origem fóssil e, por isso, não renovável. Dentre esses

combustíveis pode-se destacar a gasolina, diesel e o gás natural [1].

Um dos desafios da indústria energética é a redução do consumo destes

combustíveis não renováveis e a sua substituição gradativa por combustíveis renováveis

e de menor impacto ambiental visto que, os combustíveis de origem fóssil são altamente

poluidores, pela emissão de gases efeito estufa, CO2, além de SOx e NOx [1].

Diante desses aspectos citados anteriormente, chegou-se a conclusão de que o uso

de combustíveis renováveis pode ser uma das melhores saídas para reduzir todo esse

impacto. Neste cenário, o biodiesel ganha importância, por ser um combustível

alternativo ao diesel convencional, que pode ser oriundo de fontes renováveis e possui

ampla variedade de matérias-primas [1].

O biodiesel vem sendo despontado como uma alternativa promissora em um

mercado crescente em países de importância econômica como os EUA e países

desenvolvidos da União Européia. Fato consequente da queda no custo de produção,

alta no preço do petróleo, de políticas de incentivo ao consumo de biodiesel e adição do

biodiesel em porcentagens ao biodiesel convencional. Porém, a produção do biodiesel,

ainda necessita de subsídio para competir efetivamente com os derivados do petróleo

[2].

A Figura 1 representa a produção de biodiesel em alguns dos principais países no

período entre 2004 e 2009.

13

Figura 1 - Produção mundial de biodiesel [2].

Embora a produção mundial de biodiesel ainda se encontra abaixo da produção dos

demais combustíveis não renováveis, nota-se que há um grande avanço na produção

desse combustível renovável [2].

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo Geral

O presente trabalho teve como objetivo principal obter informações sobre métodos

de purificação do biodiesel com o uso de adsorventes argilosos e assim, transferiu-se o

conceito abordado para um projeto conceitual e básico mais P&ID de um projeto piloto.

2.2. Objetivos Específicos

Com a intenção de cumprir o objetivo geral, seguiram-se algumas etapas descritas

abaixo:

Levantamento de informações relevantes sobre o tema;

Avaliação de qual é o método mais eficiente de purificação do biodiesel à seco;

Verificação de como seria a recuperação do adsorvente;

Realização dos balanços de massa e energia;

Verificação da viabilidade do método e elaboração de um projeto conceitual e

básico mais P&ID de um processo piloto;

14

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1. Biodiesel

O biodiesel é um combustível similar e alternativo ao óleo diesel de petróleo,

produzido a partir de óleos vegetais e gorduras animais. Além de ser um combustível

renovável, reduz a poluição atmosférica e o aumento do efeito estufa, pois reduz a

emissão de CO2, um dos principais gases geradores de efeito estufa, e de gases de

enxofre causadores da chuva ácida. Quimicamente, o biodiesel é conhecido como éster

metílico, ou etílico, de ácidos graxos, dependendo do álcool utilizado, que pode ser

obtido por diferentes processos como a esterificação ou transesterificação [3].

Segue na Tabela 1 as especificações do biodiesel norte-americano (ASTM), europeu

(EN) e brasileiro (ANP).

Tabela 1 - Especificações do Biodiesel.

ASTM D 6751 EN 14214

ABNT NBR (ANP

07/2008)

Propriedades Método Especificações Método Especificação Método Especificação

Aspecto Visual Límpido e

isento de

impurezas

Visual Límpido e

isento de

impurezas

Visual Límpido e

isento de

impurezas

Densidade

(20°C)

- - EN ISO

3675

860-900 kg/m3 NBR

14065

850-900 kg/m3

Ponto de fulgor ASTM

D 93

Mín: 130°C EN ISO

3675

Mín: 120°C NBR

14598

Mín: 100°C

Enxofre total ASTM

D 5453

Máx: 50mg/kg EN ISO

20884

EN ISO

20846

Máx: 50mg/kg - -

Viscosidade

cinemática

(40°C)

ASTM

D 445

1,9-6,0 mm2/s EN ISO

3104

3,5-5,0 mm2/s NBR

10441

3,0-6,0 mm2/s

Ponto de

entupimento de

filtro a frio

ASTM

D 6371

Anotar EN ISO

116

Anotar NBR

14747

Máx: 19°C

Ponto de névoa

ASTM

D 2500

Anotar - - NBR

11346

Anotar

Ponto de

fluidez

ASTM

D 5949

Anotar ISO

3016

Anotar NBR

11349

Anotar

Sódio UOP

391

(Na + K) EN

14108

(Na + K) NBR

15556

(Na + K)

Potássio - Máx: 5,0mg/kg EN

14109

Máx: 5,0

mg/kg

NBR

15556

Máx: 5,0

mg/kg

Cálcio - - EN

14538

(Ca + Mg) NBR

15556

(Ca + Mg)

Magnésio - - EN

14538

Máx: 5,0

mg/kg

NBR

15556

Máx: 5,0

mg/kg

Teor de água ASTM

D 6304

Máx: 500

mg/kg

EN ISO

12937

Máx: 500

mg/kg

NBR

11348

Máx: 500

mg/kg

Resíduo de ASTM Máx: 0,050 EN ISO Máx: 0,030 - -

15

Carbono D 4530 (w/w) 10370 (mol/mol)

Estabilidade à

oxidação

(110°C)

ASTM

D 7462

Mín: 3h EN

14112

Mín: 6h - -

Corrosividade ASTM

D 130

Máx: nº3 EN ISO

2160

Máx: Class I

(grau de

conversão)

NBR

14359

Máx: 1

Fonte: Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. ANP, 2015.

3.2. Síntese do biodiesel

A transesterificação ou alcoólise é a reação química na qual um triglicerídeo (óleo

ou gordura) reage com um álcool na presença de um catalisador para formar,

majoritariamente, ésteres monoalquílicos (biodiesel) e glicerol, como mostra a Figura 2.

O álcool usualmente é o metanol ou o etanol, resultando em ésteres metílicos ou

etílicos, respectivamente. A transesterificação consiste em uma sequência de reações

reversíveis consecutivas [4].

O primeiro passo é a mistura do álcool com catalisador formando o alcóxido

(nucleófilo responsável pelo ataque ao triglicerídeo) e, consequentemente, a conversão

dos triglicerídeos em diglicerídeos, seguido pela conversão de diglicerídeos em

monoglicerídeos e, finalmente, de monoglicerídeos em glicerol, produzindo uma

molécula de éster em cada etapa [4].

Para a reação, são necessários 3 mols de álcool e 1 mol de triglicerídeo reagem para

formar 3 mols de ésteres de ácidos graxos e 1 mol de glicerina. Como as reações são

reversíveis, um excesso de álcool é necessário para favorecer a geração dos produtos

desejados [4].

Após o tempo de residência e a reação ser concluída, observa-se a formação de uma

mistura bifásica onde a fase de menor densidade é o produto de interesse (biodiesel) e a

fase mais densa é a glicerina. Normalmente a separação é feita por decantação. É

importante ressaltar que em ambas as fases têm-se a presença de resíduos e, em alguns

casos, formação de produtos indesejáveis, como, por exemplo, o sabão [4].

Após a decantação, as fases são destinadas ao tratamento, onde os reagentes

empregados como o álcool e o catalisador são recuperados. Sendo ainda que, o biodiesel

segue para o tratamento de purificação para que se atinja o grau de pureza especificado

pelas normas regulamentadoras e o glicerol segue para outro destino (atualmente é

16

tratado e vendido pelas próprias indústrias de biodiesel para ajudar no custeio de

produção) [4].

Figura 2 - Síntese de biodiesel por transesterificação [4].

Os principais fatores que afetam a transesterificação são: o tipo de álcool, a razão

molar álcool/triglicerídeos, o tipo de catalisador, a temperatura de reação, o tempo, a

agitação da mistura, o teor de ácidos graxos livres e o teor de água nos óleos e gorduras

[4].

Segue na Figura 3 a reação de transesterificação.

Figura 3 - Reação de transesterificação [5].

17

3.3. Efeito do catalisador

O biodiesel pode ser obtido utilizando catalisadores homogêneos e heterogêneos,

esta ultima por ser mais complexa, requer maior tempo reacional e processos de

purificação diferentes [6].

Os catalisadores homogêneos são divididos em dois grupos: alcainos e ácidos. Os

alcalinos apresentam vantagens como o tempo de reação e condições moderadas de

reação enquanto que, a rota com catalisador ácido leva maior tempo de residência e

condições mais extremas de temperatura [6].

O tipo de do catalisador não influencia somente no tempo de reação e nas condições,

mas também, nos resíduos que, consequentemente, formam-se ao final do processo. A

reação de saponificação, que é uma reação indesejável, causada pela hidrólise do éster

em meio básico formando sabão (derivado do ácido graxo), dificulta a separação de

fases (biodiesel e glicerol) e a purificação do produto [6].

Segue na Figura 4 um exemplo de reação de saponificação. Essa reação é de

hidrólise do éster.

Figura 4 - Reação de saponificação [5].

3.3.1. Catálise Alcalina

A catálise básica é a mais aplicada industrialmente para a síntese de biodiesel, sendo

que os catalisadores mais utilizados são os hidróxidos de sódio, potássio devido a sua

disponibilidade, baixo custo e eficiência. Utilizando este tipo de catalisador, a reação

ocorre de maneira mais rápida em comparação a catálise ácida, ocorre em condições

18

mais brandas de temperatura, pode ser feita em pressão atmosférica além de apresentar

menores riscos de corrosão e deterioração dos equipamentos utilizados na sua síntese

[6].

Segue na Figura 5 uma esquematização de uma reação de transesterificação via

catálise alcalina.

Figura 5 - Síntese de biodiesel via catálise alcalina [1].

No entanto, a síntese de biodiesel via catálise alcalina gera uma preocupação para

os fabricantes, a formação de sabão como subproduto da reação, devido a presença de

ácidos graxos livres, gerando alto custo para a posterior purificação do biodiesel e,

consequentemente, elevando o custo final do produto [6].

3.3.2. Catálise ácida

A catálise ácida vem sendo pesquisada para uma possível substituição dos

catalisadores alcalinos com o intuito de reduzir gastos empregados na síntese do

biodiesel devido a exigência de pureza do produto final quando comparado ao produto

final via catálise alcalina [6].

Esse tipo de reação via catálise ácida proporciona elevadas conversões dos reagentes

em ésteres, o que garante maior grau de pureza mencionado anteriormente. Em

contrapartida, são reações lentas e que necessitam de condições consideravelmente

altas, como elevadas temperaturas [6].

19

Os catalisadores mais empregados no setor industrial são o ácido sulfúrico (H2SO4),

o ácido fosfórico (H3PO4) e o ácido clorídrico (HCl), sendo essa uma outra

desvantagem do processo, a utilização de catalisadores fortes [6].

As quantidades de catalisador utilizadas nesse método são normalmente as mesmas

utilizadas na via alcalina. Contudo, alguns pesquisadores tem aumentado a proporção de

catalisador em relação ao óleo para diminuir o tempo de residência [6].

Segue na Figura 6 um esquema simplificado da síntese do biodiesel via catálise

ácida, onde o catalisador empregado é o ácido sulfúrico.

Figura 6 - Síntese de biodiesel via catálise ácida [1].

3.4. Efeito do álcool

O metanol é o álcool predominante utilizado em todo o mundo para a produção de

ésteres de ácidos graxos. Ésteres metílicos de ácidos graxos são empregados como

biodiesel na grande maioria dos laboratórios, testes em motores estacionários, testes de

campo e demonstrações práticas. As razões para esta escolha se devem ao fato de que o

metanol é o de menor custo dos álcoois [7].

Nos Estados Unidos, o metanol é 50% mais barato que o etanol, seu competidor

mais próximo. Em algumas regiões, mais notadamente no Brasil, a disponibilidade de

matéria-prima e tecnologia permite a produção economicamente viável de etanol por

processos fermentativos [7].

20

No Brasil, o biodiesel de natureza etílica é um produto em potencial. O etanol

também foi utilizado para a produção de biodiesel nos Estados Unidos em situações

onde havia disponibilidade de etanol derivado da fermentação de substratos ricos em

amido [7].

A quase totalidade do biodiesel produzido no mundo é do tipo metílico, porém,

devido à grande vocação agrícola brasileira e a já existente e consolidada indústria do

etanol no Brasil, é mais do que natural o fortalecimento da ideia de substituição do

metanol pelo etanol para a produção do biodiesel [7].

3.4.1. Metanol

Metanol (CH3OH), ou álcool metílico, é o primeiro álcool da série alifática de mono

álcoois. Entretanto, outras rotas tecnológicas de produção do metanol foram

desenvolvidas e, pouco a pouco, a via renovável de produção deste álcool foi

abandonada por razões técnico-econômicas [7].

Atualmente, o metanol é produzido industrialmente através da redução catalítica do

monóxido e dióxido de carbono, segundo as reações a seguir:

A matéria-prima dos reagentes CO e H2 é o gás natural (CH4), através de reações

de reforma, é abundante e barato para a maioria dos países. O metanol é um líquido

incolor, de baixa viscosidade e com cheiro característico [7].

Quimicamente, é uma substância inflamável à temperatura ambiente e tóxica, não

somente pela inalação, mas também através da ingestão e contato prolongado com a

pele. Um aspecto curioso e preocupante é que o metanol, quando em combustão, produz

uma chama transparente, dificultando o alerta em caso de acidente. Possui aplicações

como solvente, anticoagulante, agente de limpeza e combustível, sendo utilizado

industrialmente em diversas sínteses químicas, mas principalmente na fabricação do

formaldeído [7].

3.4.2. Etanol

Vulgarmente chamado de “álcool”, o etanol ou álcool etílico é uma substância

límpida, transparente, sem cor, de cheiro agradável, fortemente penetrante. Diluído em

21

água, apresenta um sabor adocicado. Na forma concentrada, é um poderoso

combustível, perfeitamente miscível em água, assim como em glicerina, gasolina, etc. O

etanol combustível é composto, aqui no Brasil, de 96% de etanol e 4% de água, e

aparece na gasolina como substituto do chumbo, para aumentar a octanagem da

gasolina, formando o chamado gasool [7].

Em princípio, o álcool etílico pode ser obtido, por via fermentativa, a partir de

qualquer vegetal rico em açúcar, como a cana-de-açúcar e a beterraba, a partir do

amido, extraído do arroz e do milho, e a partir da celulose, extraída da madeira.

Entretanto, por questões técnico-econômicas, a quase totalidade do etanol produzido no

Brasil provém da cana-de-açúcar. Além disso, o etanol também pode ser obtido através

da hidratação, direta ou indireta, do eteno (produto do petróleo). Essa rota tecnológica

só é importante em países com baixa disponibilidade de terras adaptáveis à cana-de-

açúcar [7].

São inúmeras as aplicações do álcool etílico. É utilizado como matéria-prima ou

como insumo do processo de fabricação de outras substâncias ou produtos, pode ser

empregado como combustível, além de ter larga aplicação na fabricação de bebidas e no

processo de produção de biodiesel [7].

3.5. Purificação

Os ésteres alquílicos não podem ser classificados como biodiesel até que preencham

as especificações de qualidade estabelecidas pela ANP, visto que, após a reação de

transesterificação, a fase rica em ésteres contém impurezas, tais como glicerina livre,

álcool, catalisador residual, mono-, di- e triacilglicerois não reagidos e sabões. Sendo

assim, a etapa de purificação é essencial, pois a presença de quantidades

suficientemente elevadas de impurezas pode causar problemas no motor, como por

exemplo, o entupimento de filtros, o aumento de depósitos de carbono, o espessamento

e a gelificação do lubrificante [8].

A glicerina presente no biodiesel pode ocasionar a produção e emissão da acroleína,

sendo também associada a depósitos de gomas ao redor do bico injetor e na cabeça de

válvulas. O sabão formado promove um aumento na viscosidade tornando difícil a

separação da fase éster da glicerina, levando à perda no rendimento da fase éster. Os

monoacilgliceróis (MG) podem causar turvação na mistura de ésteres e a presença de

22

ácidos graxos livres torna o biodiesel mais corrosivo, levando à degradação do motor,

comprometendo a qualidade do produto [9].

Existem dois métodos utilizados para purificar o biodiesel: a lavagem úmida e a

lavagem a seco. A mais tradicional é a lavagem úmida com água amplamente usada

para remover o excesso de contaminantes [10].

3.5.1. Purificação via úmida

A lavagem com água é um método de purificação eficiente na remoção dos

contaminantes presentes nos ésteres alquílicos e tem sido um dos métodos mais

utilizados. Entretanto, apresenta algumas desvantagens devido à formação de uma

grande quantidade de efluentes líquidos, que devem ser tratados antes de serem

descartados ou reutilizados. Neste caso, é necessária a instalação de uma estação de

tratamento, o que leva a um aumento do tempo e no custo de produção [11].

3.5.2. Purificação à seco

Outro processo que vem sendo utilizado na purificação dos ésteres alquilícos é a

purificação a seco. Neste processo podem ser utilizados materiais como: silicatos

(Magnesol), sílicas, resinas trocadoras de íons (Amberlite ou Purolite), argilas

(Bentoníta), carvão ativado, filtração através de membranas cerâmicas dentre outros. O

processo apresenta a vantagem de ser livre de água, o que elimina os problemas com o

tratamento de efluentes e diminui o tempo da etapa de purificação. A Figura 7

demonstra uma representação esquemática da purificação a seco do biodiesel.

Figura 7 - Purificação do biodiesel à seco [8].

23

3.5.2.1. Purificação pelo processo de membranas cerâmicas

Estudos do chinês Wang realizaram a purificação de biodiesel com membranas

cerâmicas. O biodiesel foi obtido por transesterificação alcalina de óleo refinado de

palma, com razão molar entre óleo e metanol de 1:6. Após a reação, o produto foi

deixado em repouso para ocorrer a decantação do glicerol, e a fase rica em ésteres foi

aquecida a vácuo para remover o metanol residual. O processo tradicional de lavagem

com água foi realizado para comparação com o método de purificação com membranas.

Os autores analisaram os tamanhos médios das moléculas de ésteres, de glicerol e

das micelas reversas formadas por glicerol e sabão, revelando que as micelas formadas

tinham tamanhos maiores que as moléculas de biodiesel, o que explica o princípio de

funcionamento da separação de biodiesel e glicerol com membranas cerâmicas. O

tamanho médio de moléculas de biodiesel foi usado como base na seleção dos tamanhos

médios de poro das membranas empregadas.

Para selecionar a membrana mais adequada ao processo de purificação, foram feitas

microfiltrações em fluxo tangencial com membranas de tamanhos de poro de 0,6, 0,2 e

0,1μm, a 60ºC e com pressão através da membrana de 0,15 MPa. Os resultados obtidos

mostraram que o teor de glicerina livre nos permeados e os fluxos iniciais de permeado

diminuíram conforme foram sendo usadas membranas com tamanhos médios de poro

menores. Os teores de potássio, sódio, cálcio, magnésio e glicerol livre no permeado da

membrana com tamanho de poro de 0,1μm foram melhores que os resultados obtidos

pelo processo de lavagem com água, sendo esta membrana selecionada como a mais

adequada ao processo de purificação de biodiesel.

4. RESULTADO E DISCUSSÕES

4.1. Descritivo do Processo

4.1.1. Entrada da Matéria Prima

O projeto proposto aconteceu inicialmente em dois reatores. No primeiro reator

ocorre a mistura de etanol (CH3CH2OH) com hidróxido de potássio (KOH) para a

formação do alcóxido (CH3CH2O-K+).

Esta reação é descrita a seguir:

H3C-CH2-OH + KOH → H3C-CH2-O-K+ + H2O + K+ (PAIVA, 2010)

24

Para efeitos de cálculo, o rendimento desta reação foi considerado próxima à 100%,

visto que o álcool está em excesso; Portanto, o alcóxido não será o agente limitante da

reação. Esta reação primária foi feita á temperatura ambiente e, com o cuidado para não

perder álcool por evaporação, ou seja, o reator deve permanecer fechado durante este

processo. O tempo de residência para esta etapa é irrelevante, pois a solubilização do

KOH em etanol é rápida o suficiente para não contribuir de maneira significativa para o

processo.

Posteriormente, o alcóxido é enviado para o segundo reator, por meio de gravidade

(visto que o reator de formação de alcóxido acima do reator de transesterificação), onde

reage com o óleo e, ocorre a reação de transesterificação. Segundo informações contidas

na literatura de Paiva (2010), os melhores resultados na reação de transesterificação são:

Razão molar óleo/etanol (1:6);

Agitação de 40 rpm;

Temperatura de 30ºC;

Tempo de 60 minutos;

Catalisador KOH (85% de pureza) na proporção catalisador/óleo de 1% em

massa.

Com essas condições o autor obteve um rendimento próximo de 98% de conversão

em ésteres etílicos.

Após o tempo de batelada, o meio reacional é bombeado para o decantador. Após

um tempo em repouso ocorre a separação de fases, a válvula é aberta e os produtos são

drenados por uma linha.

Na linha de separação contém um visor de nível. Com auxílio deste instrumento

pode-se fazer o controle de abertura/fechamento de válvulas que escoam a fase leve e

fase pesada. Portanto, quando a fase pesada finaliza seu escoamento, fecha-se a válvula

da linha da fase pesada, consequentemente, abrindo a válvula de escoamento da linha da

fase leve. Cada uma das fases é encaminhada para o seu trocador de calor, CO – 1 (Fase

Pesada) e CO – 2 (Fase Leve).

25

A troca térmica ocorre utilizando vapor superaquecido (proveniente de uma mini

caldeira). O excesso de etanol do meio reacional é evaporado (admite-se que 100% do

etanol é evaporado) e, este vapor é encaminhado para o condensador, onde ocorre a

troca térmica com água fria. Posteriormente, o etanol recuperado é encaminhado para

tanques de estocagem.

4.1.2. Purificação

Na etapa de purificação, a fase leve é bombeada para o evaporador, onde o excesso

de álcool é retirado do biodiesel, condensado e armazenado em tanques para ser

reutilizado em futuras bateladas. A fase pesada também é bombeada para um

evaporador onde o mesmo processo se repete. Contudo, a glicerina livre do álcool é

encaminhada para tanques de armazenagem onde serão estocadas para sua disposição

final [12].

Em seguida, ocorre o bombeamento dos ésteres etílicos através de uma membrana

cerâmica compostas por α-Al2O3/TiO2, com diâmetro médio de poros de 0,2 µm a

60ºC e pressão de 0,15 Mpa. A presença de controladores de temperatura e pressão na

coluna auxiliam na otimização do processo [12].

Após a saída do éster etílico, a coluna sofre um processo de lavagem com água ácida

(0,5% V/V). A adição de água ácida no processo tem ótimo efeito na remoção de

glicerol da fase de biodiesel [12].

4.1.3. Saída de Produto

Nesta etapa, posterior a purificação, o éster etílico já pode ser chamado de biodiesel.

Os processos de purificação descritos acima são capazes de gerar um produto com um

bom percentual de qualidade.

Os ésteres etílicos são bombeados para barris ou caminhões cisterna, onde são

estocados para comercialização e distribuição.

O álcool residual é estocado para futuras sínteses.

4.2. Diagrama de Blocos

Vide anexo A.

26

4.3. Fluxograma de Processos (PFD)

Vide anexo B.

4.4. Balanço de Massa

O desenvolvimento de estudos de balanço de massa é um aspecto importante para os

processos químicos industriais, pois a partir destes cálculos, podemos saber se as

reações químicas, ou operações unitárias desenvolvidas nos equipamentos estão

ocorrendo de forma correta: formando a quantidade de produto estimada, se não está

ocorrendo acúmulo ou perdas, entre outras, além de estimativas de consumo de

reagentes e eficiência de processo [12].

O balanço de massa proporcionou a massa total de saída de produtos e, com isso, foi

possível calcular a fração mássica, , de cada componente. Segue abaixo a tabela 2 com

as correspondentes frações mássicas dos componentes na saída.

Tabela 2 - Massa de saída e fração mássica de cada componente.

Componente Massa na Saída (Kg) Fração Mássica

Etanol 148,32 0,12

Biodiesel 947,34 0,78

Glierina 94,97 0,08

Óleo Vegetal residual 18,36 0,02

Massa Total (Kg) 1.209,00 1,00

Fonte: Do Autor, 2015.

A partir da Tabela 2 foi possível estabelecer as massas que percorrem a corrente de fase

leve e corrente de fase pesada. Tendo em vista a variação de miscibilidade do etanol com

as demais substancias, estimou-se que o etanol está presente de forma igualitária em

ambas as fases, ou seja, 50% em massa em cada fase.

Portanto, a fase leve é composta por: Biodiesel (947,34 kg) e 50% em massa de

etanol (74,16 kg), totalizando em 1.021,50 kg.

A fase pesada é composta por 50% em massa de etanol (74,16 kg), glicerina (94,97

kg) e óleo de soja residual (18,36 kg), totalizando em 187,50 kg. A massa residual de

catalisador foi desprezada e considerou-se que todo o catalisador foi recuperado.

O balanço de massa do processo de produção de biodiesel é descrito no anexo C.

27

4.4.1. Dados do Processo

Tabela 3 - Dados do Processo de produção de biodiesel.

DADOS DE PROCESSAMENTO

Processamento de óleo m³/dia 4

Tempo de Reação (Gargalo) Hora 1

Tempo Morto Hora 0,5

Tempo de Evaporação Hora 0,75

Tempo de Condensação Hora 0,75

Tempo de Separação de Fases Hora 1

Tempo Total Hora 4

Turnos qntd 2

Horas de trabalho hora 16

Bateladas por Dia - 4

Volume de óleo /batelada m³ 1


4.5. Balanço de energia

Para os cálculos de balanço de energia, adotou-se algumas aproximações para

efeitos de cálculos. Seguem as aproximações:

O etanol não está puro, ou seja, ele está na presença de outros componentes

em uma mistura, seja na fase leve ou na pesada. Na fase leve, há uma

mistura de etanol e biodiesel. E, na fase pesada, há uma mistura de etanol,

glicerina e ácidos graxos residuais.

Adotou-se um calor específico médio da mistura, ou seja, o calor específico

utilizado nos cálculos foi um valor encontrado na somatória de um produto

entre a fração mássica de cada componente na mistura e seu calor específico

(puro). Este método é expresso pela equação 3 registrada no memorial de

cálculos e, resultou-se em um cpmédio de 3,16 kJ/kg.K (0,75 kcal/kg.ºC).

Segue os valores de cp para os componentes da mistura na Tabela 4.

28

Tabela 4 - Calor Específico dos Componentes da mistura a 25ºC.

Componente Calor Específico [cp] kJ/Kg.K

Etanol 2,456

Óleo de Soja 3,367

Glicerina 2,449

Biodiesel 2,001

Fonte: [15] [26] [27] [28]

Adotou-se, também, uma aproximação no valor do ponto de ebulição do

etanol. O etanol, quando puro passa para a fase vapor a uma temperatura de

78,25ºC [26]. Tratando-se do etanol em uma mistura com ácidos graxos,

biodiesel e glicerol, extrapolou-se a temperatura de ebulição do etanol para

90ºC, visto que o ponto de fulgor (mínimo) do biodiesel estipulado pela

ANP é de 100ºC.

Adotou-se, também, que o rendimento nos trocadores de calor (CO – 1 e CO

– 2) é de 100%, assim como no condensador (TR).

A troca térmica é realizada pela passagem de vapor superaquecido. Este

vapor está submetido a uma pressão de 10 bar e uma temperatura de 200ºC.

Por tabelas termodinâmicas determinou-se o valor de calor específico (cp) de

2,43 kJ/kg.K (1,044 kcal/kg.ºC). Nessas condições o vapor satura a

179,86ºC. Portanto, o vapor deve permanecer superaquecido e sair do

trocador de calor a uma temperatura de 180ºC.

Por uma tabela de valores aproximados de coeficientes globais de

transferência de calor. Utilizou-se o valor mínimo reportado de 56 W/m².K

(48,15 kcal/h.m².ºC) para garantir que ocorre a transferência de calor de um

vapor para um óleo combustível pesado [19].

Para os dados de processo do condensador utilizou-se o mesmo

procedimento. Porém, agora os fluídos de troca térmica são vapor de etanol e

água fria. Estimando 255 W/m².K (219,26 kcal/h.m².ºC) [19].

Para a água fria o calor específico é de 1,0 kcal/kg.ºC. Para o vapor de etanol

utilizou-se uma aproximação de 0,77 kcal/kg.ºC [13].

29

Tabela 5- Dados para cálculo de calor específico médio.

Componente Massa na Saída (Kg) Fração Mássica Calor Específico

(kJ/kg.K) Etanol 148,32 0,12 2,456

Biodiesel 947,34 0,78 3,367

Glierina 94,97 0,08 2,449

Óleo Vegetal residual 18,36 0,02 2,001

Massa Total (Kg) 1.209,00 1,00 -

Fonte: [13]

4.5.1. Balanço de energia na coluna de evaporação

Os dados para balanço de energia na coluna de destilação seguem na Tabela 6.

Tabela 6 – Dados para balanço de energia na coluna de evaporação da fase leve.

FLUIDO QUENTE

W 2385 Kg/h Vazão mássica

Cp 1,04 Kcal/kg°C Calor específico

T1 200 °C Temperatura de entrada

T2 180 °C Temperatura de Saída

FLUIDO FRIO





TROCADOR

Q 49.798 Kcal/h Carga térmica

U 48 Kcal/h.m2°C Coeficiente global de troca térmica

DTML 131 °C Diferença de temperatura média logarítmica

A 7,9 m2 Área de troca térmica


30

Tabela 7 - Dados para balanço de energia na coluna de evaporação da fase pesada.

FLUIDO QUENTE





FLUIDO FRIO




T2

90 °C Temperatura de Saída

TROCADOR

Q 9.141 Kcal/h Carga térmica





Segundo as informações reportadas de Allborg Industries, a capacidade de

condução de vapor, fixando uma velocidade de escoamento de fluido de 30 m/s, é de

5167 Kg/H, para uma tubulação de 4”, diâmetro que conduz o vapor superaquecido para

os dois trocadores de calor. Após a bifurcação, cada trocador de calor recebe uma certa

quantidade calculada de vapor superaquecido, sendo que o trocador de calor para a fase

leve recebe 2385 kg/h (recomenda-se uma linha de 3”) e a fase pesada recebe 438 kg/h

(recomenda-se uma linha de ¼”).

Para a linha que leva o etanol na sua fase vapor com uma vazão mássica de 148

kg/h, recomenda-se uma linha de ¾”.

4.5.2. Balanço de energia na torre de Resfriamento

Para o resfriamento do vapor de etanol, estimou-se que todo o etanol foi

recuperado, ou seja, 100% de eficiência na recuperação. O fluido frio para a troca

térmica é água fria, proveniente de um chiller. Vide Tabela 8 com os dados de processo

para resfriamento.

31

Tabela 8 - Dados para o processo de resfriamento de vapor de etanol.

Componente Massa na Saída

(Kg/h)

Calor Específico

(kcal/kg.ºC) Vapor de Etanol 148,32 0,77

Água Fria 200 1,0 Fonte: [13]

Tabela 9 – Dados para balanço de energia na torre de resfriamento.

FLUIDO QUENTE





FLUIDO FRIO




T2 44,2 °C Temperatura de Saída

TROCADOR

Q 6.843 Kg/h Carga térmica





4.6. Descritivo do funcionamento das malhas de controle e

instrumentação

4.6.1. Malha de controle no reator de transesterificação

Para o projeto proposto, o sistema de controle de malhas é instalado no reator de

formação do alcóxido (AG1), no reator de transesterificação (AG2), nos evaporadores,

no condensador e no filtro.

Em AG1, a malha de controle de nível é composta por um controlador, um sensor e

um transmissor. Sendo assim, a informação de nível é coletada pelo sensor, a

informação é enviada para o controlador através do transmissor e, por fim, o controlador

compara a informação recebida e comparada ao setpoint e, através do sistema de

válvulas reguladoras, determina o nível do tanque.

Em AG2 o sistema de controle de nível é semelhante ao sistema AG1. O diferencial

é o sistema de controle de temperatura.

32

O sistema de controle de temperatura, em malha de controle fechada, instalada em

AG2 será composto por:

Sensor de temperatura;

Transmissor de temperatura;

Controlador de temperatura;

Resistência elétrica (com potenciômetro) instalados no corpo do extrator e

funcionará da seguinte maneira:

A informação da temperatura é coletada pelo sensor, a informação é envida para o

controlador através do transmissor, o controlador compara a informação recebida e

comparado ao setpoint, enviando um sinal para o potenciômetro baseado na diferença

entre as duas informações, denominado erro. O erro é estimado com uma variação entre

0 a 100%. O potenciômetro aumenta ou diminui a potência da resistência elétrica de

acordo com a informação do sinal captado do controlador.

4.6.2. Malha de Controle na Caldeira

A malha de controle da caldeira funciona da seguinte maneira:

A informação é lida diretamente pelo sensor que está alocado na linha de vapor. O

controle é feito de forma semelhante ao controle de temperatura do reator de

transesterificação. A informação é coletada pelo sensor alocado na linha de vapor,

enviada para o transmissor que, por sua vez, transmite a informação para o controlador.

O controlador compara as informações de pressão do sistema e, qualquer não

conformidade com o funcionamento desejado, o equipamento é desligado e, a válvula

emergência é acionada para aliviar a pressão do sistema.

4.6.3. Malha de controle no condensador

A malha de controle no condensador é composta por um sensor de temperatura da

água fria que chega ao sistema.

4.6.4. Malha de controle no filtro

No filtro, a malha de controle é composta por um sensor de temperatura, um

transmissor e um controlador. De modo análogo à malha de controle de temperatura do

reator de transesterificação, o sensor de temperatura recolhe a informação que chega ao

filtro (temperatura do biodiesel), envia para um transmissor que, por sua vez, envia a

33

informação para o controlador, onde a mesma é comparada e, enviada para o sistema

elétrico acoplado ao filtro. O sistema garante a temperatura em torno de 60ºC.

Ainda no filtro, um indicador de pressão auxilia no controle, para que possa manter

uma pressão de 0,15 MPa.

4.7. Especificações das matérias primas, produtos e efluentes

4.7.1. Matéria Prima

Para a escolha de matéria prima, assim como seus reagentes, utiliza-se de critérios

embasados em literatura para comparações entre rendimento, relação custo-benefício,

disponibilidade, fatores físico-químicos e conversão em ésteres.

4.7.1.1. Etanol

Embora o consumo de metanol na reação de transesterificação seja menor do que o

etanol, o rendimento do álcool etílico é maior.

Segundo Khalil (2006), para uma reação envolvendo 1 Kg de óleo vegetal, utiliza-se

cerca de 105 g de metanol, produzindo 1, 09 L de biodiesel. Quando a reação segue pela

rota etílica, para o mesmo 1 Kg de óleo vegetal, são necessário 150 g de etanol,

resultando em 1,17 L de biodiesel.

No Brasil a rota etílica é a mais empregada industrialmente graças a sua grande

oferta, reduzindo os custos relacionados à logística. Segue na Tabela 10 um

comparativo entre rendimento do metanol e etanol [15].

Tabela 10 - Rendimento do Metanol versus Etanol.

Metanol Etanol

Massa de álcool para

produzir 1000 L de

biodiesel (Kg/1000L)

90 130

Excesso de álcool (%) 100 650

Proporção molar

(óleo:álcool) 1:6 1:20

Temperatura recomendada

(ºC) 60 80

Tempo de reação (min) 45 90 Fonte: [15]

34

Tabela 11 - Propriedades do Etanol.

Etanol

Formula Química CH3CH2OH

Massa molar (g/mol) 46,06

Massa específica (g/mL) 0,789

Temperatura de ebulição à pressão

atmosférica (ºC) 78,4

Fonte: [15]

4.7.1.2. Óleo vegetal

Para otimizar a produção de biodiesel diversos tipos de óleos são avaliados como

matéria prima, sendo tais óleos comparados quanto a sua disponibilidade e teor de

ácidos graxos. Em todo o mundo, as matérias-primas graxas mais utilizadas para a

produção de biodiesel são os óleos vegetais, sendo que a escolha de matéria-prima varia

de uma localidade a outra [17].

Óleos vegetais e gorduras são basicamente compostos de triglicerídeos, ésteres de

glicerol e ácidos graxos [19].

Segue na Tabela 12 as propriedades do óleo de soja utilizado no projeto, assim

como seus parâmetros associados como ácidos graxos e as concentrações que compõe o

óleo de soja.

Tabela 12 - Características físico-químicas do óleo de soja a 20°C.

Características Físico-Químicas Parâmetros

Ácidez do Óleo Refinado (g de ácido

oléico/100g) < 0,3

Índice de Cetano (adimensional) 36 – 39

Índice de Iodo (g I2/100g) 120 – 141

Índice de Saponificação (mg KOH/g) 180 – 200

Viscosidade (à 37,8ºC) 36,8 Fonte: [19]

Tabela 13 - Principais ácidos graxos presentes no óleo de soja Adaptado de.

Ácidos Graxos Concentrações (%)

Ácido Palmítico 8,0 – 12,0

Ácido Esteárico 3,0 – 5,0

Ácido Oléico 18,0 – 25,0

Ácido Linoléico 49,0 – 57,0

Ácido Linolênico 6,0 – 11,0 Fonte: [20]

35

Tabela 14 – Massa molar dos triglicerídios presentes no óleo de soja.

Triglicerídios Massa Molar (Kg/Kmol)

Tripalmitina 807,32

Triestearina 891,48

Trioleína 885,43

Trilinoleína 879,38

Trilinolenina 873,34 Fonte: [21]

Tabela 15 - Propriedades do Óleo de Soja brasileiro.

Massa Específica (Kg/m³)

à 20ºC Massa Molar (Kg/Kmol)

Óleo de Soja 9180 872,32 Fonte: [22]

4.7.1.3. Hidróxido de Potássio (KOH)

O hidróxido de sódio e o hidróxido de potássio, responsáveis pela catálise alcalina,

são utilizados normalmente pelas indústrias pelo fato de apresentarem baixo custo.

Entretanto, o excesso destes causam a formação de sabão, conhecida como reação de

formação de sabão, sub produto indesejável na reação [23].

A utilização do hidróxido de potássio diminui consideravelmente a reação de

saponificação com relação ao hidróxido de sódio, apresentando maiores rendimentos

[23].

Tabela 16 - Propriedades do KOH.

Hidróxido de Potássio

Formula Química KOH

Massa molar (g/mol) 56,1056

Massa específica (g/mL) 2,04

Aparência Sólido branco

Pureza comercial (%) 85 Fonte: [24]

4.7.2. Produtos

4.7.2.1. Biodiesel

O biodiesel etílico tem as especificações citadas na Tabela 17. Demais

especificações do biodiesel são descritas na Tabela 1.

36

Tabela 17 - Massa Molar e Massa específica do Biodiesel.

Biodiesel Etílico

Massa Específica (g/mL) à 20ºC 0,880

Massa Molar (Kg/Kmol) 306,19 Fonte: [23]

4.7.3. Efluentes

Resíduos de catalisador, triglicerídeos que não reagiram, glicerina, pequenas frações

de água e etanol além de uma quantidade mínima de sabão que pode vir a se formar pela

reação de saponificação (esta última que deve ser evitada controlando o excesso de

catalisador na reação) são efluentes do processo.

4.7.3.1. Glicerina

Apesar de a glicerina ser tratada como um efluente da reação, ou seja, um sub

produto que não é realmente o foco do projeto, este sub produto é alvo de estudos

recentes para o reaproveitamento do mesmo na própria usina de biodiesel. Segundo

reportado pela CETESB (2014), a glicerina pode ser reaproveitada em caldeiras devido

ao seu alto calor de combustão, na ordem de 18045,107 KJ/Kg.

Segue na Tabela 18 as especificações da glicerina da literatura.

Tabela 18 - Especificações da glicerina.

Glicerina

Massa Específica (g/mL) à 20ºC 1,050

Massa Molar (Kg/Kmol) 92,09 Fonte: [23]

4.8. Avaliação das utilidades

A proposta para o projeto em questão necessita de:

Energia elétrica para a agitação dos reatores e para aquecer o reator de

transesterificação, assim como a linha que chega ao filtro;

Sistema de ar comprimido para bombeamento dos fluídos;

Sistema de água fria para a torre de resfriamento;

37

Sistema de vapor superaquecido para o evaporador (na ordem de 10 bar).

Tabela 19 - Tabela de Utilidades para um projeto de produção de biodiesel.

DADOS DE UTILIDADES

Velocidade de Escoamento do vapor m/s 30

Diâmetro da linha de vapor In 1

Capacidade da Linha de Vapor Kg/H 350

Energia Elétrica (Reator de Transesterificação e Agitação)

kW 10

Energia Elétrica (Filtro) kW 10

Ar comprimido (Bombas)

Chiller (Resfriador para água de condensador)

Kg/H 200

Vapor Superaquecido (10 bar) Kg/H 3273

Água Fria Kg/H 100


4.9. Lista de equipamentos e instrumentos

4.9.1. Equipamentos

Tabela 20 - Dados do processo do condensador.

Reator (AG1)

Capacidade: 1,0 m³.

Material: Aço inoxidável.

Descrição: Reação de KOH com Etanol para a formação do

alcóxido. Agitação de 40 rpm.

Reator (AG2)



Descrição: Reator de transesterificação, encamisado para

garantir uma temperatura de 60ºC. Agitação de 40 rpm.

Coluna de

evaporação

(CO – 1)

Capacidade: 1,4 m² de troca térmica


Descrição: Vapor superaquecido entra pela coluna em

fluxo ascendente e leva o excesso de etanol da fase líquida

presente na fase pesada para a fase vapor. O vapor de

etanol é retirado pela saída superior, onde é bombeado para

uma torre de resfriamento. Os dados estão na tabela 7.

Coluna de

evaporação

(CO – 1)

Capacidade: 7,9 m² de troca térmica.

Material: Aço inoxidável

Descrição: Vapor superaquecido entra pela coluna em

fluxo ascendente e leva o excesso de etanol da fase líquida

presente na fase leve para a fase vapor. O vapor de etanol

é retirado pela saída superior, onde é bombeado para uma

torre de resfriamento. Os dados estão na tabela 6.

38

Torre de

resfriamento

(TR)

Capacidade: 1,5 m² de área de troca térmica.

Material: Alumínio.

Descrição: O etanol em fase vapor é bombeado para a torre

de resfriamento para voltar à fase líquida, onde é estocado

em TQ 4. Demais informações contidas na tabela 9.

Separador de

fases (D)



Descrição: Separador de fases (modelo cônico), com

amostrador de vidro para visualização e controle do fluxo.

A separação é efetuada por meio de gravidade e, a linha

possui válvula para destinar as fases separadas.

Caldeira (C)

Capacidade: 450 Kg/h de vapor


Descrição: A caldeira deve ser capaz de produzir 450 Kg/h

de vapor, operando com uma pressão de 10 bar e,

produzindo vapor a uma temperatura de 184ºC.

Chiller (CH)

Capacidade: 100 Kg/h de água fria.


Descrição: O chiller deve operar resfriando água até uma

temperatura de 15ºC.

Filtro (F1)

Capacidade: 1,0 m³

Material: Micromembranas de Al2O3/TiO2

Descrição: Filtração do éster etílico por meio de

micromembranas de 0,2 µm, visando a purificação do

mesmo, para isso deve-se garantir as condições

operacionais de 0,15 MPa e 60ºC.

Bombas (BO)

Potência: 1CV.


Descrição: Bombas de 1 CV conseguem efetuar a sucção

para 15 m³/h e atingem uma altura manométrica de 8 mca.

*


39

4.9.2. Instrumentos

Tabela 21 - Lista de Instrumentação.

Identificação Instrumento Descrição

1 Controlador de

Temperatura

- Controlador de temperatura em

AG – 2, C, TR e F-1.

- Modelo PT-100.

- Range [273K – 773K].

2 Controlador de

Pressão

- Medidores de pressão em C

(linha de vapor) e F – 1 (Filtro

de micromembrana à vácuo).

- Range [< 100 bar].

3 Visor de Nível Visor de nível (LG) na linha de

saída do separador de fases.


4.10. Fluxograma de engenharia (P&ID)

Vide Anexo D.

4.11. Estimativa de custos

Baseado no fluxograma do processo foi estimado o preço total da planta piloto para

purificação do biodiesel. Os preços foram pesquisados em sites de revendas específicas

e/ou com revendedores on line.

Tabela 22 - Análise de Custos.

Identificação Quantidade Preço Unitário (R$) Total (R$)

Reator 1 1 20.000,00 20.000,00

Reator 2 1 20.000,00 20.000,00

Tanques de Armazenamento 5 500,00 2.500,00

Caldeira 1 15.000,00 15.000,00

Torre de Resfriamento 1 1.500,00 1.500,00

Vasos de Estoques 2 300,00 600,00

Vaso de Decantação 1 100,00 100,00

Bombas à vácuo 7 1.000,00 7.000,00

Válvula Reguladora 7 500,00 3.500,00

Válvula de Retenção 3 600,00 1.800,00

Filtro de Micromembranas 1 1.000,00 1.000,00

Controlador de Temperatura 1 3.000,00 3.000,00

Sensor de Temperatura 1 1.000,00 1.000,00

40

Transmissor de Temperatura 1 2.000,00 2.000,00

Controlador de Pressão 1 1.000,00 1.000,00

Evaporador 2 5.000,00 10.000,00

Condensador 1 3.000,00 3.000,00

Sistema de ar comprimido 1 10.000,00 10.000,00

Separador de Fase 1 200,00 200,00

Visor de Nível 1 500,00 500,00

Tubulações 110 60,00 6.600,00

Montagem da Planta 1 100.000,00 100.000,00

Chiller 1 5.000,00 5.000,00

TOTAL 215.300,00


4.12. Avaliação de Segurança

Atualmente a grande maioria das empresas responsáveis por algum processo

produtivo se preocupam com a segurança dos funcionários, do ambiente de trabalho e

principalmente do processo em si, evitando assim acidentes graves.

Riscos existem em qualquer lugar, em qualquer atividade e devem ser conhecidos e

controlados com os devidos cuidados. Para isso, é necessária a identificação, a análise, a

avaliação e por fim o tratamento destes. Existem diversos métodos para a execução

destas análises, dentre eles podemos citar APP (Avaliação Preliminar de Perigos),

Análise What if, Matriz de riscos, HAZOP (Avaliação dos Riscos Operacionais), entre

outros. A escolha foi pelo método What if por ser especulativo, simples de fazer e

responde a perguntas de possíveis falhas. Para cada pergunta existe uma resposta e é

traçado um plano de ação. Este “relatório” é feito pelos membros da empresa, em

reuniões periódicas e departamentais.

Na Tabela 23 está a análise What if para um processo de produção de biodiesel.

41

Tabela 23 - Análise de Riscos pelo método What If.

E se... ? Resposta / Ação

Faltar Energia Elétrica durante

a produção

Um alarme de emergência será acionado e o

processo será interrompido.

Alguma bomba der problema O processo será interrompido e a bomba será

substituída. O fluxo será interrompido pela válvula.

Falha na válvula de retenção Válvulas de bloqueio do processo serão acionadas.

O agitador dos reatores travar O processo será interrompido até concerto.

Houver incrustação no filtro O alarme deve ser acionado e o filtro trocado

imediatamente.

O visor de nível sujar ou

quebrar Deve utilizar a regulagem manual.

A temperatura descontrolar Fazer o ajuste manual.


5. CONCLUSÃO

O presente trabalho proporcionou o entendimento geral do curso de Engenharia

Química, ou seja, podemos aplicar todos os conhecimentos adquiridos ao decorrer de

todos esses anos, como balanço de massa e energia, análise de custos, análise de riscos,

instrumentação e controle, confecção de fluxogramas e diagrama de blocos, além de

realmente saber como funciona as variáveis temperatura e pressão dentro de um

processo.

O processo de purificação de biodiesel a partir de filtros de membrana é algo muito

eficiente e de baixo custo, viabilizando o projeto e uma futura instalação. A

preocupação com o meio ambiente externo também esteve muito presente, colocando

em prática conceitos de controle da poluição.

42

6. REFERÊNCIAS

[1] KNOTHE, G.; GERPEN, J.V.; KRAHL, J.; RAMOS, L.P. Manual do Biodiesel.

São Paulo. Ed. Blucher, 2006 p. 141.

[2] TIMILSINA, G. R., SHRESTHA, A. How much hope should we have for bio

fuels. Energy, V. 36, p. 2055 – 2069, 2011.

[3] ANP – AGÊNCIA NACIONAL DO PRETÓLEO. Resolução ANP nº4, de 2 de

Fevereiro de 2010. Disponível em

http://nxt.anp.gov.br/nxt/gateway.dll/leg/resolucoes_anp/2010/fevereiro/ranp%204%20

%202010.xml?f=templates$fn=document-frame.htm$3.0$q=$x=>. Acesso em 03 de

Abril de 2015.

[4] FREEDMAN, B.; PRYDE, E.H.; MOUNTS, TL. Variables affecting the yields of

fatty esters from transesterified vegetable oils. Journal of the American Oil

Chemists’ Society, V. 61, p. 1638-1643, 1984.

[5] KUCEK, K. T. Otimização da transesterificação etílica do óleo de soja em meio

alcalino. Dissertação de Mestrado em Química – Universidade Federal do Paraná, p.

123, 2004.

[6] DEMIBRAS, A. Biodiesel from vegetable oils via transesterification in

supercritical methanol, Energy Conversion & Management, 43, p. 2349-2356, 2002.

[7] RAMOS, L.P.; KUCEK, K. T.; DOMINGOS, A. K.; WIHELEM, H. M. Biodisel.

Revista Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento. Edição 31, p. 28-37, 2003.

[8] ATADASHI, I.M.; AROUA, M. K.; AZIZ, A. A. Biodiesel separation and

purification: A review. Renewable Energy, V. 36, p. 437-443, 2011.

43

[9] LEUNG, D. Y. C.; WU, X.; LEUNG, M. K. H. A review on biodiesel production

using catalyzed transesterification. Applied Energ., p. 1083-1095, 2010.

[10] BERRIOS, M.; SKELTON, R. L. Comparation of purification methods for

biodiesel. Chemical Engineering Journal, V. 144, p. 459-465, 2008.

[11] MANIQUE, M. C.; FACCINI, C. S.; ONOREVOLI, B.; BENVENUTTI, E. V.;

CARAMÃO, E.B. Rice rusk ash as an adsorbent for purifying biodiesel from waste

frying oil. Fuel, V. 92, p. 56-61, 2011.

[12] GOMES, M.C.S.; ARROYO, P.A.; PEREIRA, N.C. Biodiesel production from

degummed soybean oil and glycerol removal using ceramic membrane. Journal of

Membrane Science, v.378, p.453-461, 2011.

[13] RASOVSKY, E. M. Álcool, destilarias. IAA: Coleção Canavieira, v. 12. Rio de

Janeiro, 1973.

[14] MSPC – Termodinâmica III-30. Tabelas de vapor saturado. Disponível em

http://www.mspc.eng.br/termo/termod0330.shtml. Acessado dia 29 de Setembro de

2015.

[15] CHERESOURCES. Chemical and Process Engineering Resources. Disponível

em: http://www.cheresources.com/content/articles/heat-transfer/u-in-heat-exchangers.

Acessado em 29 de Setembro de 2015.

[16] SMITH, J.M., Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química. LTC. Rio

de Janeiro, 2013, 7ª ed.

http://www.mspc.eng.br/termo/termod0330.shtml

44

[17] HAAS, M. J.; FOGLIA, T. A. Matérias-Primas alternativas e Tecnologias para

a produção de Biodiesel. In: KNOTHE, G.; GERPEN, J. V.; KRAHL, J.; RAMOS, L.

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[18] Disponível em : <http://termo.furg.br/JAA/EqTer/CAP3.pdf>. Acesso em: 26 ago.

2015.

[19] URIOSTE, D. Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática do Óleo de

Babaçu com Alcoóis de Cadeia Curta. Lorena. 2004. 123 p. Dissertação (Mestrado

em Engenharia Química) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química –

Faculdade de Engenharia Química de Lorena.

[20] FACCINI, C. S. Uso de Adsorventes na Purificação de Biodiesel de Óleo de

Soja. Porto Alegre. 2008. 81 p. Dissertação (Mestrado em Química) – Programa de Pós-

Graduação em Química – Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

[21] SIGMA-ALDRICH - Product Catalog (Triglycerides). Disponível em:

<http://www.sigmaaldrich.com> Acesso em 07 de ago. 2015.

[22] FROEHNER, et al. Transesterificação de Óleos Vegetais: caracterização por

cromatografia em camada delgada e densidade. Química Nova. Curitiba. Vol. 30.

No. 08. p. 2016 – 2017. 2007.

[23] PAIVA, Eduardo Jose Mendes. Estudo da Produção de Biodiesel a partir de

Óleo de Babaçu e Etanol utilizando a Transesterificação Alcalina Tradicional com

Agitação Mecânica e Assistida por Ultrassons. 2010. 172 f. Dissertação (Mestrado) –

Curso de Engenharia Química, Escola de Engenharia de Lorena- EEL/USP, Lorena,

2010.

http://termo.furg.br/JAA/EqTer/CAP3.pdf

45

[24] QUÍMICA, Gota. Hidróxido de Potássio (Potassa Caustica Escamas).

Disponível em: <http://www.gotaquimica.com.br/produtos/hidroxido-depotassio>.

Acesso em: 26 ago. 2015.

[25] SMITH, J. M., Van Ness, H. C. e Abbott, M. M., Introdução à Termodinâmica

da Engenharia Química, 7ª Ed., LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de

Janeiro, 2007.

[26] BAEHR, H. D.; STEPHAN, K. Wärme und Stoffübertragung. 2ª Ed., Berlin:

Springer Verlag, 1996.

[27] MORAD, N. A.; KAMAL, A. A. M.; PANAU, F.; YEW, T. W. Liquid specific

heat capacity estimation for fatty acids, triacylglycerols, and veg. oils based on

their fatty acid composition. J. Am. Oil Chem. Soc., v. 77, n. 9, 2000.

[28] DZIDA, M., PRUSAKIEWICZ, P. The effect of temperature and pressure on

the physicochemical properties of petroleum diesel oil and biodiesel fuel. Fuel, v.

87, p. 1941–1948, 2008

46

7. ANEXOS

7.1. Anexo A

Figura 8 - Diagrama de Blocos do processo de produção de biodiesel [Do Autor, 2015].

47

7.2. Anexo B

Figura 9 – Fluxograma do Processo de produção de biodiesel [Do Autor, 2015].

Tabela 24 – Detalhes do Fluxograma.

NOME DESCRIÇÃO

TQ 1 Tanque de Óleo vegetal estocado

TQ 2 Tanque de KOH

TQ 3 Tanque de Etanol (99,3%)

TQ 4 Tanque de Etanol Recuperado

TQ 5 Tanque de Água Ácida (0,5% v/v de HCl)

AG 1 Tanque de agitação para preparo do alcóxido

AG 2 Tanque de agitação para transesterificação

CH Chiller para resfriamento da água

C Caldeira para geração de Vapor (10 bar)

CO - 1 Coluna de recuperação do Etanol – Fase Pesada

CO - 2 Coluna de recuperação do Etanol – Fase Leve

TR Torre de resfriamento do vapor de Etanol

V1 Vaso para estoque de Glicerina

V2 Vaso para estoque de Biodiesel Purificado

V3 Vaso para decantação

BO 1 – BO 8 Bombas à vácuo para deslocamento do fluido

VGL 1 – VGL 7 Válvula globo para reter/liberar fluido

VGU 1 – VGU 3 Válvula de retenção de separação de fluidos

F-1 Filtro de micromembranas


48

7.3. Anexo C

Tabela 25 – Balanço de Massa do processo de produção do biodiesel.

ENTRADA

TRIGLICERÍDEO

MASSA MOLAR Kg/Kmol 872,32

MASSA ESPECÍFICA Kg/m³ 918,00

NUMERO DE MOLS - 1,05

MASSA Kg 918,00

VOLUME m³ 1,0

PUREZA % 100

ETANOL




MASSA Kg 292,88

VOLUME m³ 0,37

PUREZA % 99,3

CATALISADOR-KOH


MASSA ESPECÍFICA Kg/m³ 2.040,00


MASSA Kg 10,80

VOLUME m³ 0,01

PUREZA % 85

SAÍDA

ÁCIDO GRAXO




MASSA Kg 18,36

VOLUME m³ 0,02

CONVERSÃO % 98

49

ETANOL




MASSA Kg 74,16

VOLUME m³ 0,09

PUREZA % 99,3

CATALISADOR




MASSA Kg 10,80

VOLUME m³ 0,01

PUREZA % 85

BIODIESEL




MASSA Kg 947,34

VOLUME m³ 1,08

CONVERSÃO % 98

GLICERINA




MASSA Kg 94,97

VOLUME m³ 0,09

PUREZA % 2


50

7.4. Anexo D

Figura 10 – Fluxograma de Engenharia [Do Autor, 2015].

8. MEMORIAL DE CÁLCULOS

Equação 1 - Dimensionamento de Trocadores de Calor

Equação 2 - Capacidade Térmica

Equação 3 – Cálculo de Calor Específico

51

Onde, é a fração mássica de cada componente e o cp é o calor específico de cada

componente no meio reacional.

Tabela 26 - Tabela Estequiométrica.

Elemento Entrada Reação Saída

Óleo (A) NA0 - NA0*X NA0- NA0*X

Etanol (B) NB0 -NA0*X*(1/3) NB0-NA0*X*(1/3)

Glicerina (C) - NA0*X NA0*X

Biodiesel (D) - NA0*X*(1/3) NA0*X*(1/3)


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