UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - UFMA
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA – CCET
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
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Ana Beatriz da Paixão Ribeiro
Tatiana Borges Diniz
ESTUDO:
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RESUMO
O presente trabalho demonstra o estudo de um processo de transesterificação de óleo para a
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1 INTRODUÇÃO
Acredita-se que devido ao atual consumo de produtos derivados do petróleo, como a
gasolina e o diesel, e o ...
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Metanol é o álcool mais usado para a produção de biodiesel no mundo por ser o mais
barato, mas, no Brasil, a disponibili...
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OBJETIVOS
Geral:
Escolher melhor conformação reacional, levando em consideração a concentração
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O processo de transesterificação pode ser afetado por vários fatores, os mais importantes
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PROBLEMÁTICA
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Questão:
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solicitou que o grupo d...
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
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Observa-se que o triglicerídeo é consumido, porém o consumo do metanol é
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Figura 04. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=30ºC)
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Figura 06. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=45ºC)
 Temperatura de 55 °C (328,15 K):
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metanol é de 65 °C, por isso escolhemos a temperatura de 55°C para se tornar fixa na
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Figura 9. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=55ºC) considerando uma
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CONCLUSÃO
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REFERENCIAS
ARACIL, J.; VICENTE, G.; MARTÍNEZ, M.; Integrated biodiesel production: a
comparison of different homogeneo...
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PINTO, A. C. et al. Biodiesel : An overview. Journal of Brazilian Chemical Society, v.
16, n. 6., p. 1313-1330,2005
RAM...
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ANEXOS
Figura10. Definição dos parâmetros de entrada para os valores de K (T=50 °C e
NRe 6200)
Figura11. Definição dos ...
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Figura12. Definição dos parâmetros de entrada para os valores das concentrações
iniciais (T=55 °C e NRe 6200)
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  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - UFMA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA – CCET DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA Ana Beatriz da Paixão Ribeiro Tatiana Borges Diniz ESTUDO: REAÇÃO DE TRANSESTERIFICAÇÃO DE ÓLEOS VEGETAIS VISANDO A PRODUÇÃO DE BIODIESEL SÃO LUÍS 2015
  2. 2. 2 Ana Beatriz da Paixão Ribeiro Tatiana Borges Diniz ESTUDO: REAÇÃO DE TRANSESTERIFICAÇÃO DE ÓLEOS VEGETAIS VISANDO A PRODUÇÃO DE BIODIESEL Trabalho técnico apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Calculo de Reatores Químicos, no Curso de Engenharia Química, na Universidade Federal do Maranhão. Prof. Dr. Antonio Freitas SÃO LUÍS 2015
  3. 3. 3 RESUMO O presente trabalho demonstra o estudo de um processo de transesterificação de óleo para a produção de biodiesel, nele foram avaliados parâmetros que alteram a produtividade do ponto de vista de engenharia das reações, o âmbito econômico não foi discutido. O estudo comparativo dos paramentos operacionais foi realizado com base na cinética das reações, estes sendo alterados pela agitação empregada (número de Reynolds de 6200 e 12400), por diferentes temperaturas (30, 35, 45, 55ºC) e a variação da composição dos reagentes na alimentação. Isso realizado através da discretização das equações diferencias oriundas das reações múltiplas do processo de transesterificação e posterior auxilio do software MATLAB na resolução destas equações. A distribuição de concentração obtida ao longo do tempo possibilitou a comparação das alterações nos parâmetros de maneira satisfatória. Verificou-se a influencia de tais parâmetros no processo, e a escolha da melhor conformação de operação foi possível, sendo esta para o valor da temperatura de 55°C, proporção das concentrações inicias de 6:1 (álcool:oleo) e agitação entorno de 300 RPM (NRe 6200). Palavras-chave: biodiesel, taxas de reação, perfil de concentração.
  4. 4. 4 1 INTRODUÇÃO Acredita-se que devido ao atual consumo de produtos derivados do petróleo, como a gasolina e o diesel, e o crescente esforço em reduzir o aquecimento global causado pelas emissões dos gases, combustíveis alternativos que sejam fontes renováveis e resultem em menor impacto ambiental têm atraído à atenção de mercados do mundo inteiro (LAMERS et al., 2008). Na procura por novas fontes de energia, o biodiesel aparece como uma alternativa promissora (DEMIRBAS, 2008; PINTO et al., 2005). O mercado do biodiesel vem crescendo consideravelmente nos últimos anos em função das preocupações de vários países com o meio ambiente e a intenção de reduzir a dependência do petróleo importado (MELLO et al., 2007), logo o estudo de como se dá as melhores condições de operação são de grande importância do ponto de vista econômico, dado que devemos levar em consideração a cinética da sua produção afim de reduzir gastos e otimizar tal processo. O processo de transesterificação do biodiesel envolve uma reação com óleos vegetais ou gordura animal, novos ou usados, com um álcool de cadeia curta, geralmente metanol ou etanol. NaOH ou KOH são usualmente utilizados como catalisadores. Esta reação produz alquil ésteres de ácidos graxos de cadeia longa e glicerina como um subproduto, como mostrado na Figura 1 (LÔBO et al., 2009; RAMOS et al., 2009; FELIZARDO et al., 2006; GERPEN, 2005). Além da glicerina, a cadeia produtiva do biodiesel gera uma série de outros coprodutos que podem agregar valor e se constituir em outras fontes de renda importantes para os produtores, como torta, farelo, etc. (BRASIL, 2004). Figura 1: Reação de transesterificação metílica de triacilgliceróis (triglicerídeos), onde R representa a cadeia carbônica dos ácidos graxos. Triglicerídeo Metanol Éster Metílico Glicerina
  5. 5. 5 Metanol é o álcool mais usado para a produção de biodiesel no mundo por ser o mais barato, mas, no Brasil, a disponibilidade de matérias-primas e tecnologias para a produção de etanol aumenta a viabilidade econômica da utilização deste último (KNOTHE et al., 2005), contudo no estudo proposto analisaremos apenas o metanol. Metanol e triglicerídeos são pouco miscíveis. As misturas formadas normalmente apresentam pouco contato entre as fases e, por isso, a reação de transesterificação se processa de forma relativamente lenta. A utilização de agitação permite aumentar a superfície de contato entre as fases e, consequentemente, as taxas de reação e o rendimento da produção de biodiesel. Assim, em processos industriais, a transesterificação é normalmente conduzida em tanques com agitação mecânica.
  6. 6. 6 OBJETIVOS Geral: Escolher melhor conformação reacional, levando em consideração a concentração inicial dos reagentes, a temperatura de operação e a agitação empregada no reator, isso baseado nas taxas de reações avaliadas por meio de equações diferenciais que descrevem a cinética do processo de transesterificação de óleos vegetais na produção de biodiesel. Específicos: Entre os objetivos específicos deste trabalho estão:  Descrever as taxas de reações para as reações múltiplas solicitadas;  Calcular o valor das constantes pré-exponeciais;  Fazer o estudo comparativo levando em consideração as melhores distribuições de concentração ao longo do tempo, alternando o valor do número de Reynolds, temperatura e concentração inicial dos reagentes, com o auxilio do software MATLAB.  Fazer sugestões sobre estratégias para conformação dos reatores que precisam ser empregados visando otimizar a produção de biodiesel.  Apresentar uma previsão de comportamento de um reator batelada, de forma a processar a reação.
  7. 7. 7 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O processo de transesterificação pode ser afetado por vários fatores, os mais importantes são: presença de ácidos graxos livres, umidade, concentração e tipo de catalisador, razão molar entre álcool e óleo, tipo de álcool, tempo e temperatura de reação, intensidade da agitação do sistema, além do uso de co-solventes orgânicos (GALANTE, 2012), porém neste trabalho levamos em conta apenas concentrações iniciais empregadas, temperatura e agitação do reator. Razão Molar entre Álcool e Óleo A razão estequiométrica para a transesterificação requer três mols de álcool e um mol de óleo para produzir três mols de ésteres e um mol de glicerol. Porém, a transesterificação é uma reação em equilíbrio, que exige um excesso de álcool para deslocar o equilíbrio para a formação de biodiesel. Para a máxima conversão de ésteres, a relação molar deve ser maior ou igual a 6:1 (álcool:óleo) (MEHER et al., 2006). Temperatura Em geral, a temperatura tem uma influência positiva na conversão de óleos em ésteres. Temperaturas elevadas diminuem a viscosidade, melhorando assim a transferência de massa entre os componentes. No entanto, altas temperaturas devem ser evitadas, pois podem acelerar a saponificação. Além disso, a temperatura da reação não deve exceder o ponto de ebulição dos reagentes (MA e HANNA, 1999; LEUNG e GUO, 2006; LEUNG e LEUNG, 2010) A temperatura padrão para que ocorra a reação, através da catálise alcalina é 60°C, mas dependendo do tipo de catalisador, diferentes temperaturas darão diferentes graus de conversão, e por essa razão a faixa de temperatura deve estar entre 25 e 120°C. Para a catálise ácida a faixa de temperatura varia de 55 a 80°C (ARACIL et al., 2004, KOH e MOHD GHAZI, 2011). Agitação Como a mistura reacional é constituída inicialmente por duas fases pouco miscíveis, a intensidade de agitação auxilia na transferência de massa entre as fases, aumentando assim a taxa de conversão. Além disso, dependendo da solubilidade do álcool no óleo, a transferência de massa pode se tornar um fator limitante (STAMENKOVIC et al., 2008).
  8. 8. 8 PROBLEMÁTICA A reação de transesterificação de óleos vegetais com álcoois de cadeia curta na presença de catalisadores básicos, representam uma das principais rotas da produção de biodiesel. Na última década, diferentes estudos avaliaram o comportamento cinético da reação de transesterificação de óleo de soja com metanol. A partir desses estudos, foi proposto que a reação ocorre da seguinte forma: Onde TG representa a concentração de triglicerídeo, DG representa a concentração de diglicerído, MG representa a concentração de monoglicerídio e GL representa a concentração de glicerol no sistema. RnCOOH3 (ou E) são as representações dos ésteres formados e CH3OH (ou A) é a fórmula química do metanol (álcool) utilizado. As constantes, k1, k3 e k5 representam as constantes de velocidade das reações de “ida” (sentido de formação dos produtos) e as constantes k2, k4 e k6, representam as constantes de velocidade das reações de “volta” (sentido da formação de reagentes). Com reação geral representada por: O modelo diferencial pode ser escrito sem considerar a influência da reação geral, sendo representada apenas pelas etapas intermediárias apresentadas. Diferentes autores observaram que a energia de ativação do processo sofria variação com diferentes fatores, tais como temperatura e o número de Reynolds do sistema (para representar a influência da agitação na reação). Sabe-se que as constantes cinéticas da reação seguem a lei de Arrhenius, dada por:
  9. 9. 9 As energias de ativação (Ea) obtidas para duas condições de operação distintas são apresentadas na tabela abaixo, para duas diferentes condições de agitação do sistema (NRe = 6200, aproximadamente 300 RPM e NRe = 12400, aproximadamente 590 RPM): Tabela 1. Energias de ativação (cal/mol) para diferentes intensidades de mistura São ainda obtidos dados referentes a constante cinética e a temperatura de operação, sendo os valores para a temperatura de 50°C apresentados na Tabela abaixo (valores para um NRe de 6200). Tabela 2. Valores das constantes de reação para temperatura de 50°C e NRe = 6200. A reação é sempre processada com uma mistura reacional composta inicialmente apenas por uma mistura do triglicerídeo e do álcool, diferentes proporções molares podem ser utilizadas, embora um excesso de álcool costume ser utilizado para promover a formação de ésteres (razões molares álcool/óleo de 6/1 são as mais comumente utilizadas). Pode-se assumir que a variação do valor de Reynolds ou da temperatura de reação (dentro da faixa estudada) não acarreta em modificações no fator pré exponencial da equação de Arrhenius (altera apenas a energia de ativação). Para esse processo sabe-se que temperaturas de reação entre 30 e 70°C costumam ser utilizadas. A partir das informações fornecidas, foi resolvido o problema proposto a seguir.
  10. 10. 10 Questão: O dono da empresa na qual vocês trabalham quer investir nesse processo, mas para isso, solicitou que o grupo de engenheiros realizem um estudo detalhado do processo a partir das informações que já foram previamente coletadas. O dono da empresa espera saber em que condições operacionais a produção do biodiesel se mostraria mais viável. A priori vamos esquecer a problemática econômica envolvida com o problema e vamos estudá-lo apenas do ponto de vista da engenharia das reações químicas. A partir daí realize um estudo comparativo para a reação, avaliando o comportamento da alteração de todas as condições reacionais possíveis para o sistema (por exemplo, temperatura de operação, composição dos reagentes na alimentação, agitação empregada no reator) e estude detalhadamente os efeitos de cada uma dessas variáveis sobre a formação do biodiesel e sobre os consumos de álcool e de óleo vegetal. A partir dos resultados obtidos, indique em que condições você iria sugerir que a reação fosse processada em caso de implementação da mesma em sua indústria. Faça sugestões sobre estratégias para conformação dos reatores que precisam ser empregados visando otimizar a produção de biodiesel através desse processo. Apresente uma previsão de comportamento de um reator batelada, de forma a processar essa reação.
  11. 11. 11 RESULTADOS E DISCUSSÃO Partindo das informações cedidas na problemática organizamos as taxas de reação em função das concentrações dos reagentes para cada constituinte do processo de produção do biodiesel, obtendo no final 8(oito) equações diferenciais.  Para o triglicerídeo (TG): 1º Equação: dCTG / dt = -k1CTGCA + K2CDGCE1  Para o Metanol (CH3OH), (A): 2º Equação: dCA/dt = -k1CTGCA + K2CDGCE1 - k3CDGCA + k4CMGCE2 – k5CMGCA + k6CGLCE3  Para o diglicerídeo (DG): 3º Equação: dCDG/dt = k1CTGCA - K2CDGCE1- k3CDGCA+ k4CMGCE2  Para o primeiro éster formado (E1): 4º Equação: dCEI /dt = k1CTGCA - K2CDGCE1  Para o monoglicerídeo (MG): 5º Equação: dCMG/ dt = k3CDGCA - k4CMGCE2 - k5CMGCA + k6CGLCE3  Para o segundo éster formado (E2): 6º Equação: dCE2/ dt = k3CDGCA- k4CMGCE2  Para o glicerol (GL): 7º Equação: dCGL/ dt = k5CMGCA- k6CGLCE3  Para o terceiro éster formado (E3): 8º Equação: k5CMGCA - k6CGLCE3 Lembrando que os sinais de mais e menos das constantes levam em consideração a produção ou o consumo, respectivamente, das concentrações envolvidas nas reações.
  12. 12. 12 Após essa discretização da cinética das reações múltiplas envolvidas no processo, começamos a considerar os valores da constante pré-exponencial (A) obtida a partir dos valores de energia de ativação para o NRe 6200 e temperatura de 50ºC da tabela 01, além dos valores das constantes cinéticas k, para as mesma condições de acordo com tabela 02. Com base nesses valores utilizando a seguinte equação, obtemos os valores de A. onde: A: fator pré-exponencial (m3 /mol.min); E: energia de ativação (cal/mol); Rg: constantes dos gases ideais (cal/mol.K); T: temperatura (K) e k: constante de velocidade (m3 /mol.min). Tabela 03. Valores utilizados para a obtenção da constante pré-exponencial à uma temperatura de 50ºC (323,15 K) e NRe = 6200. Constante pré- exponencial obtida (A) Energia de Ativação (Ea) Constante da taxa de reação (k) A1 = 3,8887 x 107 13145 0,05 A2 = 2,7420 x 105 9932 0,11 A3 = 5,8221 x 1012 19860 0,215 A4 = 9,7843 x 109 14639 1,228 A5 = 5330,4835 6421 0,242 A6 = 2,1384 x 104 9588 0,007 Após estas considerações começou-se a utilizar o programa MATLAB e o Excel para a determinação de quais as melhores conformações operacionais, primeiro foi feito o calculo das constantes da taxa de reação para uma temperatura fixa de 50ºC, porém variando o valor da energia de ativação para os dois números de Reynolds presentes na problemática, 6200 e 12400. Obtendo os seguintes valores:
  13. 13. 13 Tabela 04. Valores das constantes da taxa de reação para os dois números de Reynolds à uma temperatura de 50ºC. K(T) NRe 6200 K(T) NRe 12400 0,05 0,024617 0,110001 0,138731 0,214998 1,175848 1,227994 269,6361 0,242 1,666609 0,007 0,004491 Após a obtenção dessas constantes realizou-se a definições dos parâmetros de entrada no MATLAB, organizando as equações ordinárias obtidas da taxa de reação para cada componente no sistema. Criando a função chamada ‘at’ para os valores de K para Nre=6200. Comando descrito no Editor: function dydt=at(t,y) k1=0.050000457; k2=0.110000754; k3=0.21499826; k4=1.227993663; k5=0.241999996; k6=0.007000102; dydt(1)=-k1*y(1)*y(2)+k2*y(3)*y(4); dydt(2)=-k1*y(1)*y(2)+k2*y(3)*y(4)-k3*y(3)*y(2)+k4*y(5)*y(6)- k5*y(5)*y(2)+k6*y(7)*y(8); dydt(3)=k1*y(1)*y(2)-k2*y(3)*y(4)-k3*y(3)*y(2)+k4*y(5)*y(6); dydt(4)=k1*y(1)*y(2)-k2*y(3)*y(4); dydt(5)=k3*y(3)*y(2)-k4*y(5)*y(6)-k5*y(5)*y(2)+k6*y(7)*y(8); dydt(6)=k3*y(3)*y(2)-k4*y(5)*y(6); dydt(7)=k5*y(5)*y(2)-k6*y(7)*y(8); dydt(8)=k5*y(5)*y(2)-k6*y(7)*y(8); dydt=[dydt(1);dydt(2);dydt(3);dydt(4);dydt(5);dydt(6);dydt(7);dydt(8)]; Onde: y(1) = CTG y(2) = CA
  14. 14. 14 y(3) = CDG y(4) = CE1 y(5) = CMG y(6) = CE2 y(7) = CGL y(8) = CE3 O sistema de equações diferenciais ordinárias foi integrado utilizando a ferramenta ode45 do Matlab, a qual é uma ferramenta apropriada para resolver equações diferenciais ordinárias com tolerância de erro relativo 10-6 e tolerância de erro absoluto 10-9 , tem uma media precisão. Para se calcular a concentração em função do tempo, foi estabelecido um intervalo de 0 a 10 minutos e os valores de concentração inicial de 20 mol/L de triglicerídeo e 20 mol/L de metanol, e para as demais concentrações zero. Partindo do pressuposto de que a reação múltipla se inicia com esses dois reagentes, e a partir de seus consumos originam- se as subsequentes. Comando utilizado: [t,y]=ode45('at',[0 10],[20 20 0 0 0 0 0 0]); A partir disso, obtemos a curva de concentração-tempo para as reações reversíveis do sistema. Figura 02. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=50ºC) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 Concentração(C) Tempo (min) Ctg CA CDG CE1 CMG CE2 CGL CE3
  15. 15. 15 Observa-se que o triglicerídeo é consumido, porém o consumo do metanol é maior, uma vez que ele participa de 3 das 6 reações reversíveis do sistema e paralelamente ocorre a formação dos ésteres (E1), (E2) e (E3), além do dos outros constituintes do sistema, tais como monoglicerídeo (MG) e diglicerideo (DG). A produção de glicerol e do terceiro éster seguem a mesma taxa de reação, logo apresentam curvas iguais. Figura 03. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 12400 e T=50ºC) Comparando o consumo de triglicerídeo e metanol para os dois números de Reynolds testados, Fig.02 e Fig.03, nota-se que a uma temperatura fixa, a agitação representa uma grande variação na taxa de reação do sistema, a velocidade com que se deu o início da reação foi maior para o NRe 12400, porem o consumo dos reagentes foi menor, já para o NRe 6200 ocorreu maior transferência de massa facilitando assim a produção dos outros constituintes. Este agora será fixo nas próximas otimizações. Para a otimização da temperatura selecionamos 4 valores, sendo estes 30, 35, 45 e 55 °C, calculamos os valores de K, para cada um dos constituintes para cada temperatura, posteriormente inserimos essas constantes no MATLAB, para podermos traçar novas curvas concentração-tempo e realizarmos as devidas comparações. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 Concentração(C) Tempo (min) TG A DG E1 MG E2 GL E3
  16. 16. 16  Temperatura de 30 °C (303,15 K): Figura 04. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=30ºC)  Temperatura de 35 °C (308,15 K): Figura 05. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=35ºC)  Temperatura de 45 °C (318,15 K): 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 Concentração Tempo (min) TG A DG E1 MG E2 GL E3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 Concentração(C) Tempo (min) TG A DG E1 E3 MG E2 GL
  17. 17. 17 Figura 06. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=45ºC)  Temperatura de 55 °C (328,15 K): Figura 07. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=55ºC) Após a análise das curvas concentração-tempo para diferentes temperaturas, constatamos que com o aumento da temperatura, o consumo tanto de metanol quanto de triglicerídeo é maior, e ainda, a velocidade da reação se dá de forma mais rápida. Isso pode ser explicado pela diminuição da viscosidade facilitando assim a transferência de massa. Porem de acordo com a literatura (SHARMA et al., 2008), não é recomendado a utilização de temperaturas superiores a temperatura de ebulição do álcool, no caso a do 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 Concentração(C) Tempo (min) TG A DG E1 MG E2 GL E3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 Concentração(C) Tempo (min) TG A DG E1 MG E2 GL E3
  18. 18. 18 metanol é de 65 °C, por isso escolhemos a temperatura de 55°C para se tornar fixa na otimização. Lembrando que a reação que tiver a maior energia de ativação, esta será mais sensível à temperatura, uma vez que altas temperaturas favorecem a reação de maior energia de ativação. Para o estudo do comportamento para diferentes concentrações iniciais foram adotados inicialmente a proporção de 3:1 (álcool:oleo), no caso os valores das concentrações iniciais foram, 30 mol/L do metanol e 10 mol/L de triglicerídeo, para a partir deles começar as seguintes reações, como demonstrado na Fig. 10. Figura 8. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=55ºC) considerando uma proporção dos reagentes de 3:1 (álcool:óleo). A segunda condição de comparação para as diferentes concentrações iniciais foi a proporção de 6:1 (álcool:oleo), no caso a concentração de 60 mol/L para o metanol e 10 mol/L para o triglicerídeo, como representado na figura abaixo: 0 5 10 15 20 25 30 0 2 4 6 8 10 Concentração Tempo (min) TG A DG E1 MG E2 GL E3
  19. 19. 19 Figura 9. Curva concentração-tempo para os valores de K (NRe 6200 e T=55ºC) considerando uma proporção dos reagentes de 6:1 (álcool:óleo). Partindo da consideração da produção dos ésteres, a maior produção ocorreu com o maior excesso de metanol, no caso na proporção 6:1, é comum a utilização de excesso de álcool nas reações de transesterificações, pois este evita as reações reversas favorecendo a obtenção dos produtos finais. Deve-se ter cuidado com o excesso pois este também favorece a formação de glicerol, ou seja, a saponificação é favorecida. Parâmetros Otimizados A formação dos ésteres é favorecida a medida que encontramos as melhores condições de operação. Após a análise destas curvas de concentração-tempo, podemos considerar as condições reacionais que favorecem o produto desejado são: uma temperatura constante de 55°C, agitação do sistema (NRe = 6200, aproximadamente 300 RPM) e proporção da concentração inicial dos reagentes de 6:1 (metanol: óleo). Modos de Operação Geralmente a reação de transesterificação de óleo vegetal para a produção de biodiesel se dá em reatores tipo batelada, uma vez que é necessária agitação constante e o tempo de reação é relativamente longo. Há estudos com a utilização de reatores contínuos como por exemplo o PFR, porem devido a alta viscosidade do óleo vegetal e a necessidade de grande agitação estes são de difícil dimensionamento e manipulação. 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 Concentração Tempo (min) TG A DG E1 MG E2 GL E3
  20. 20. 20 Se considerássemos a utilização de um CSTR, o volume utilizado para processar tal reação seria muito maior se comparado as mesmas condições de operação em um reator tipo batelada ou PFR, logo este não é muito viável. Segue abaixo um exemplo numérico aplicando as condições reacionais otimizadas nos 3 tipos de reatores para uma reação de segunda ordem: Assumindo que o K1 seja obtido da temperatura de 55°C; Levamos em consideração que o Ca0 corresponde a concentração do reagente limitante da reação, no caso o triglicerídeo (TG). Ca0=10 mol/L K1=0,0683 m3 /mol.min Q=400 L/h  Q=6,67 L/min FA0=Q.CAO  400 (L/min) . 10 (mol/L) FA0= 4000 mol/min -ra=K1.CA 2  K1.CA0 2 (1-XA)2 Xa=0,95  CSTR V = Q .XA/ K1.CA0(1-XA) V= 6,67(mol/min).0,95/0,0683.10(mol/L).(1-0,95)2 V=3710,98 L  PFR V= FA0 ∫ 𝑑𝑋𝑎 −𝑟𝑎 V=Q.CA0∫ 𝑑𝑥𝑎 𝑘1.𝐶𝑎2 V=Q.CA0/K1.CA0 2 ∫ 𝑑𝑥𝑎 (1−𝑥𝑎)2 V=Q.XA / K1.CA0(1-XA) V= 6,67(L/min).O,95/ 0,0683.10(mol/L).(1-0,95) V=185,54 L
  21. 21. 21  BATELADA t= CA0 ∫ 𝑑𝑋𝑎 −𝑟𝑎 t= CA0∫ 𝑑𝑥𝑎 𝑘1.𝐶𝑎2 t= CA0/K1.CA0 2 ∫ 𝑑𝑥𝑎 (1−𝑥𝑎)2 t=XA/K1.CA0.(1-XA) t= 0,95/0,0683. 10(mol/L).(1-0,95) t=27,818 min t=V/Q  V=185,54 L Observa-se que para uma conversão de 95% o volume necessário de um CSTR é 20 vezes maior que para um PFR ou batelada, afim de simplificar optamos por utilizar um batelada, apesar deste ser utilizado geralmente em pequena escala.
  22. 22. 22 CONCLUSÃO A produção do biodiesel é um processo complexo e com muitos parâmetros que o afetam, neste trabalho foi analisado a variação da temperatura, da agitação, das concentrações iniciais e a conformação dos reatores, onde foi possível otimizar o comportamento do consumo dos reagentes e da produção do biodiesel observando a engenharia das reações químicas. Para tal processo os parâmetros que melhor se encaixaram ao ponto de vista reacional foram: NR 6200, com os melhores valores de agitação; temperatura de 55ºC, dado o número de Reynolds a maior temperatura é favorecida para a reação, porém é necessária uma inferior ao ponto de ebulição do álcool; proporção das concentrações 6:1(álcool:TG); e reator em batelada que proporciona o melhor volume e agitação constante.
  23. 23. 23 REFERENCIAS ARACIL, J.; VICENTE, G.; MARTÍNEZ, M.; Integrated biodiesel production: a comparison of different homogeneous catalysts systems, Bioresource Technology; v.92, n.297, 2004. BRASIL. Lei nº11.097, de 13 de janeiro de 2005. Dispõe sobre a introdução do biodiesel na matriz energética brasileira; altera as Leis nºs 9.478, de 6 de agosto de 1997, 9.847, de 26 de outubro de 1999 e 10.636, de 30 de dezembro de 2005. DEMIRBAS, A.; Comparison of transesterification methods for production of biodiesel from vegetable oils and fats. Energy Conversion and Management, v.49, p.125-130. 2008. FELIZARDO, P. M. G. Produção de biodiesel a partir de oleos usados de fritura – Lisboa: centro de Informaçãode residuos, Instituto Superior Tecnico, Departamento de Engenharia Quimica, 2003. 127p.(Relatorio de Estagio). GALANTE, R. M. Extração de inulina do alho (Allium sativum L. var. Chonan) e simulação dos processos em batelada e em leito fixo. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química). Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis, 2008. KNOTHE, G. Dependence of biodiesel fuel properties on the structure of fatty acid alkyl esters. Fuel Processing Technology 86: 1059-1070, 2005. KOH, M.Y.; MOHD GHAZI, T.I.; A review of biodiesel production from Jatropha curcas L. oil. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.15, p.2240-2251, 2011 LEVENSPIEL, O.; Chemical Reaction Engineering, 3 ed. New York, John Wiley & Sons, 1999. 668p. LEUNG, D.Y.C.; GUO, Y.; Transesterification of neat and used frying oil: Optimization for biodiesel production. Fuel Processing Technology, v.87, p.883-890, 2006. LEUNG, D.Y.C.; WU, X.; LEUNG, M.K.H; A review on biodiesel production using catalyzed transesterification. Applied Energy, v.87, p.1083-1095, 2010. LÔBO, I. P.; FERREIRA, S. L. C.; CRUZ, R. S. Biodiesel: parâmetros de qualidade e métodos analíticos. Química Nova 32 (6): 1596-1608, 2009. MA, F.; HANNA, M. A.; Biodiesel production: a review. Bioresource Technology, v. 70, p.1-15, 1999. MEHER, L.C; VIDYA SAGAR, D; NAIK,S.N; Technical aspects of biodiesel production by transesterification – a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 10, p. 248-268, 2006.
  24. 24. 24 PINTO, A. C. et al. Biodiesel : An overview. Journal of Brazilian Chemical Society, v. 16, n. 6., p. 1313-1330,2005 RAMOS, L. P. et al. Biodiesel : um projeto de sustentabilidade economica e socio- ambiental para o Brasil. Biotecnologia: Ciencia e Desenvolvimento, v. 31, p. 28-37, 2003 SHARMA, Y. C.; SINGH, B.; UPADHYSAY, S. N.; Advancements in development and characterization of biodiesel: A review. Fuel. v. 87, p.2355-2377, 2008. STAMENKOVIC, O. S.; TODOROVIC, Z. B.; LAZIC, M. L.; VELJKOVIC, V. B.; SKALA, D. U., Kinetics of sunflower oil methanolysis at low temperatures, Bioresource Technology, v. 99, p.1131-1140, 2008.
  25. 25. 25 ANEXOS Figura10. Definição dos parâmetros de entrada para os valores de K (T=50 °C e NRe 6200) Figura11. Definição dos parâmetros de entrada para os valores de K (T=55 °C e NRe 6200)
  26. 26. 26 Figura12. Definição dos parâmetros de entrada para os valores das concentrações iniciais (T=55 °C e NRe 6200)

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