balanço de massa e energia em uma planta de produção de...
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL
VICTOR SABATINI QUERINO
Balanço de massa e energia em uma planta de produção
de bioquerosene
Declaro que esta monografia foi revisada e encontra-se apta
para avaliação e apresentação perante a banca avaliadora
Data: ___/ ___/ 2014
_________________________________
ASSINATURA DO ORIENTADOR
Lorena
2014
VICTOR SABATINI QUERINO
Balanço de massa e energia em uma planta de produção de bioquerosene
Monografia apresentada à Escola de
Engenharia de Lorena da
Universidade de São Paulo como
requisito parcial para obtenção do
título de Engenheiro Industrial
Químico.
Área de Concentração: Processos biotecnológicos
Orientador: Prof. Dr. João Paulo Alves Silva
Lorena - SP
2014
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA AFONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Querino, Victor S. Balanço de massa e energia em uma planta deprodução de bioquerosene / Victor S. Querino;orientador Prof. Dr. João Paulo Alves Silva. -Lorena, 2014. 52 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaQuímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2014Orientador: Prof. Dr. João Paulo Alves Silva
1. Bioquerosene. 2. Transesterificação. 3.Biocombustível. 4. Balanço de massa. 5. Balançoenergético. I. Título. II. Alves Silva, Prof. Dr.João Paulo, orient.
Prefácio
“Ainda que eu ande pelo vale da sombra da morte, não temerei mal algum, pois tu estás comigo; a tua vara e teu cajado me protegem”
Salmos 23:4
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, José e Nirma, que me deram apoio, carinho, confiança e que mesmo estando longe, fizeram parte disso.
Ao Prof. Dr. João Paulo Alves Silva, que me ajudou muito, me guiou, me ensinou, e teve muita paciência comigo.
Aos meus irmãos, Pedro e Gabriela, que fizeram falta nesse tempo longe de casa.
Aos meus amigos da república; Aliel, Diego, Guilherme e Gustavo; que me cobravam, ajudavam e distraiam, mas que no final eram minha família de Lorena.
A minha namorada Natalia que mesmo estando longe, sempre me apoiou e me ajudou no que foi possível.
Aos meus amigos de Marília que sempre estiveram comigo.
RESUMO
QUERINO, V. S. Balanço de massa e energia em uma planta de produção de
bioquerosene. 2014. f 52. Monografia – Escola de Engenharia de Lorena,
Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
Atualmente há uma crescente preocupação ambiental a respeito das mudanças climáticas decorrentes do aumento da concentração de gases estufa na atmosfera. Estes gases são oriundos da queima de combustíveis fósseis, os quais são largamente utilizados no setor de transporte em todo o mundo. O transporte aéreo tem como base energética o querosene derivado do petróleo, sendo este setor responsável por uma parcela importante das emissões dos gases estufa. Visando a redução dos impactos ambientais, grandes esforços têm sido tomados para a utilização de combustíveis de origem renováveis no setor aeronáutico. Dentre as alternativas de combustíveis renováveis, o bioquerosene vem ganhando especial atenção devido às suas características físicas e químicas que se assemelham com o querosene de origem fóssil, o que facilitaria seu uso uma vez que poderiam ser empregados nas aeronaves já existentes, em uma mistura com o querosene de origem fóssil sem alterar suas características. Uma das rotas de obtenção do bioquerosene consiste na produção de biodiesel por transesterificação de óleos vegetais, e na subsequente destilação do biodiesel de modo a obter uma fração rica em ésteres de menor massa molar, a qual pode ser caracterizada como bioquerosene. Este trabalho apresenta a avaliação das etapas de transesterificação de óleos e a destilação do biodiesel para a obtenção de bioquerosene. O trabalho consistiu de um estudo teórico exploratório, baseado em dados da literatura como artigos científicos, dissertações, teses e patentes, visando obter estimativas de parâmetros de processo, relativos ao balanço de massa e de energia, assim como estimativas do impacto do custo da matéria prima e da demanda energética sobre o valor do biocombustível produzido. Os resultados permitiram estimar que a demanda energética do processo pode ser suprida pela utilização do glicerol, subproduto da etapa de transesterificação. As estimativas exploratórias mostraram que o custo do biocombustível produzido (biodiesel e bioquerosene) seria da ordem de R$ 4,95 por litro, um custo ainda elevado quando comparado ao valor de mercado. Estimativas futuras devem levar em conta gastos relativos as despesas das outras etapas do processo, logística de transporte de matéria primas e produtos e de mão de obra, a fim de estabelecer estimativas mais reais. Avaliações considerando o reaproveitamento de energia, venda de subprodutos e uso de matérias primas de menor custo são pontos que podem auxiliar na redução dos custos estimados.
Palavras-chave: Bioquerosene; Transesterificação; Biocombustíveis; Balanço de massa; Balanço energético.
Índice de figuras
Figura 1- Reação de transesterificação. ................................................................... 25
Figura 2- Fluxograma do processo de obtenção do bioquerosene através da
destilação do biodiesel ............................................................................................. 30
Figura 3- Reação de formação do alcóxido (processo A) e reação de
transesterificação do óleo de babaçu (processo B). ................................................. 36
Figura 4- Esquema de destilação do biodiesel ......................................................... 42
Figura 5- Representação do fluxograma de processo de produção de bioquerosene
com as principais etapas e informações sobre a estimativa propostas no presente
trabalho. ................................................................................................................... 47
Índice de tabelas
Tabela 1- Evolução dos combustíveis usados na aviação ........................................ 22
Tabela 2 – Comparação de custo e desempenho da pulverização de lavouras
empregando técnicas de pulverização terrestre e aéreas com combustíveis fósseis e
com biocombustíveis ................................................................................................ 24
Tabela 3- Composição em porcentagem mássica de ácidos graxos na faixa de C12:0
a C18:1 em óleos vegetais possíveis de serem utilizados como matérias primas. ... 27
Tabela 4 - Preço da tonelada do óleo de babaçu, coco e soja .................................. 27
Tabela 6- Comparação dos óleos de babaçu e coco ................................................ 33
Tabela 7- Cálculo do número de mols de ácidos graxos no óleo de babaçu ............ 37
Tabela 8- Característica do hidróxido de potássio comercial .................................... 38
Tabela 9- Tabela das porcentagens dos ésteres, com seus numeros de mol e calor
de vaporização ......................................................................................................... 44
Lista de abreviações
JP – Jet Propellant (propelente para jato)
USAF – United States Air Force (força aérea dos Estados Unidos)
USNavy – United States Navy (Marinha dos Estados Unidos)
T – Toneladas
ha- Hectare
Sumário
1 Introdução ......................................................................................................................... 19
1.1 Contextualização ........................................................................................................ 19
1.2 Justificativa ................................................................................................................. 19
1.3 Objetivo ...................................................................................................................... 20
2 Revisão Bibliográfica ......................................................................................................... 21
2.1 Combustíveis para aviação ......................................................................................... 21
2.1.1 Querosene ........................................................................................................... 22
2.2 Perspectivas para os biocombustíveis na aviação ..................................................... 23
2.3 Biocombustíveis aeronáuticos ................................................................................... 23
2.3.1 Etanol ................................................................................................................... 23
2.3.2 Bioquerosene ....................................................................................................... 24
2.3.2.1 Matéria prima ................................................................................................... 26
2.3.2.2 Catalisador ........................................................................................................ 28
2.4 Balanços de massa e energia ..................................................................................... 28
2.4.1 Balanço material .................................................................................................. 28
2.4.2 Balanço de energia .............................................................................................. 29
3 Metodologia ...................................................................................................................... 30
3.1 Seleção das matérias primas. ..................................................................................... 31
3.2 Processo de transesterificação. ................................................................................. 31
3.3 Destilação do biodiesel. ............................................................................................. 31
4 Resultados e discussão ......................................................................................................32
4.1 Seleção das matérias primas ..................................................................................... 32
4.1.1 Escolha do óleo vegetal ...................................................................................... 32
4.1.2. Escolha do álcool ................................................................................................ 33
4.1.3 Escolha do catalisador......................................................................................... 34
4.2 Processo de transesterificação .................................................................................. 34
4.2.1 Balanço de massa e energia da reação de transesterificação ............................ 36
4.3 Processo de destilação .............................................................................................. 41
4.3.1 Cálculos de balanço de massa e energia da destilação ...................................... 42
4.4 Cálculo da energia e matéria prima total e impacto sobre o custo .......................... 44
5 Conclusões .........................................................................................................................48
6 Referências ........................................................................................................................49
19
1 Introdução
1.1 Contextualização
A preocupação mundial com o aquecimento global tem levado a uma busca
por alternativas que possibilitem uma diminuição das emissões de dióxido de
carbono. A utilização de combustíveis fósseis é responsável por grande parte das
emissões, e os setores de transporte como o automotivo e aeronáutico são
responsáveis por uma importante parcela destas emissões. Desta forma, em tais
setores tem ocorrido uma busca contínua por combustíveis renováveis, os quais são
produzidos a partir de matérias primas renováveis, como a cana de açúcar e óleos
vegetais, e por isso não contribuem para o acúmulo de gases estufa na atmosfera.
A produção e o uso de etanol como combustível automotivo em larga escala
já é uma realidade, o Brasil é pioneiro na produção deste biocombustível, a qual foi
iniciada com o programa Pró-Álcool, Programa Nacional do Álcool, que possui mais
de 30 anos. Atualmente o etanol é utilizado pela maioria dos automóveis nacionais e
por alguns tipos de aviões destinados a atividades rurais. Apesar do largo uso do
etanol como combustível seu emprego em voos em grandes altitudes, onde as
condições são severas, não é possível. Assim como o etanol, o biodiesel é um
combustível renovável que vem sendo utilizado em larga escala, entretanto suas
características também impossibilitam seu emprego como combustível de aeronaves
de grande porte. Desta forma estudos voltados ao desenvolvimento de
biocombustíveis aeronáuticos representa uma área de crescente interesse.
1.2 Justificativa
Os estudos sobre a produção do chamado bioquerosene tem mostrado que
esse tipo biocombustível é um possível substituto/adjunto do querosene de aviação
utilizado atualmente. Alguns estudos recentes mostram que a utilização de misturas,
querosene/bioquerosene, são muito eficazes, não comprometendo as características
físico-químicas da mistura, nem o potencial energético, e propiciando a redução de
emissão de CO2.
Hoje a escala de produção de bioquerosene se baseia apenas em plantas
pilotos, com produções inferiores a 1000 L diários, essa pequena quantidade é
20
apenas utilizada para estudos, não sendo comercializada. Para substituir o
querosene, ou conseguir misturas entre o querosene e o bioquerosene em
quantidades significativas, é necessária a construção de plantas industriais. No
desenvolvimento de grandes instalações industriais a realização de avaliações e
estimativas de parâmetros ligados a balanço de massa e energia relativos a
operação, constituem uma etapa inicial para seu desenvolvimento.
1.3 Objetivo
Este trabalho tem por objetivo contribuir para a ampliação do conhecimento
a respeito de tecnologias voltadas a produção de bioquerosene através dos estudos
de duas etapas chave de sua produção, a transesterificação de óleos vegetais para
produção de biodiesel e o fracionamento do biodiesel por destilação para a obtenção
de bioquerosene. Em ambas as etapas foram realizados estudos de balanço de
massa e energia tendo como base informações disponíveis na literatura. Para
alcançar este objetivo geral, são previstos os seguintes objetivos específicos:
Escolha de um óleo rico em ácidos graxos de cadeia curta como
matéria prima para a produção de biodiesel, baseando-se em dados
da literatura.
Desenvolver um balanço de massa e energia para o processo de
produção de biodiesel a partir de transesterificação alcalina do óleo
vegetal escolhido na etapa anterior pela rota etílica.
Desenvolver o balanço de massa e energia para a etapa de
produção de bioquerosene pelo fracionamento do biodiesel por
destilação.
Estimar o custo de produção de bioquerosene relativo ao consumo
total de matérias primas e energia requeridos para as duas etapas do
processo analisadas.
21
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Combustíveis para aviação
Com a evolução dos motores dos aviões, os combustíveis tiveram que
evoluir também. Durante praticamente toda a primeira metade do século XX, os
motores aeronáuticos eram basicamente movidos à gasolina, após muita pesquisa,
as turbinas a gás foram aperfeiçoadas e atualmente são os propulsores mais
adotados em aeronaves, para a sua implementação, foi necessário a troca do
combustível, da gasolina para o querosene (CGEE, 2010).
Algumas características são necessárias para que um combustível seja útil
para a aviação:
Apresentar alta densidade energética visando ter um menor
peso e volume por unidade de energia.
Apresentar volatilidade adequada, para ser utilizado na
combustão do motor, o combustível deve estar na forma de
vapor, porém, se ele for muito volátil dificultará as operações de
transporte e armazenamento, pois haverá maior risco de
incêndio.
Apresentar baixo ponto de congelamento para evitar a
formação de cristais na tubulação de combustível quando
sujeitado a baixas temperaturas características de elevadas
altitudes. (CGEE, 2010)
Atualmente o principal combustível aeronáutico utilizado é o querosene, um
hidrocarboneto derivado do petróleo. O consumo atual de querosene como
combustível de aviação foi estimado em 136,2 bilhões de litros no ano de 2013. O
que demonstra um crescimento de 5% em relação ao ano de 2012 (OLIVEIRA,
2014).
22
2.1.1 Querosene
O querosene é uma fração de produtos destilados do petróleo bruto sendo
composto em sua maior parte por hidrocarbonetos com ponto de ebulição entre 150
e 290ºC, sua constituição é de hidrocarbonetos alifáticos, naftênicos e aromáticos,
com um ponto de inflamação que oferece mais segurança que a gasolina. (CGEE,
2010)
Durante o desenvolvimento das turbinas aeronáuticas modernas, foi
cogitada a utilização de combustíveis como diesel e gasolina. Entretanto o diesel
mostrou-se inapto para o uso, pois possuía um ponto de congelamento baixo. A
gasolina também apresentava algumas características não desejáveis como uma
grande volatilidade. Desta forma, o querosene foi a escolha mais adequada para a
alimentação das turbinas, uma vez que querosene possui em sua composição
parafinas mais pesadas que a gasolina e mais leves que as do diesel, ele é mais
estável que a gasolina em elevadas altitudes onde há baixas temperaturas e
pressões, e não apresenta problemas de congelamento como o diesel
(GONÇALVES; BORGES; FRAGA, 2011).
Na Tabela 1 é possível observar a evolução dos combustíveis para aviação
e os seus pontos de congelamento, bom como a sua aplicação nos dias de hoje.
Tabela 1- Evolução dos combustíveis usados na aviação
Nome Ano Tipo Ponto de congelamento (ºC)
Aplicação
JP-1 1944 Querosene -60 Obsoleta JP-2 1945 wide-cut(*) -60 Obsoleta JP-3 1947 wide-cut -60 Obsoleta JP-4 1951 wide-cut -72 USAF JP-5 1952 Querosene -46 USNavy JPTS 1956 Querosene -53 Alta estabilidade.
Térmica JP-7 1960 Querosene -43 USAF(**) JP-8 1979 Querosene -47 USAF
JP8+100 1998 Querosene -47 USAF(***)
(*) wide-cut – composição com faixa de destilação mais ampla, variando desde o corte da gasolina até ao corte
do querosene (fonte: HEMIGHAUS et al., 2006); (**) menor volatilidade e alta estabilidade térmica; (***)
presença de aditivo que melhora a estabilidade térmica
Fonte: (GONÇALVES; BORGES; FRAGA, 2011)
23
2.2 Perspectivas para os biocombustíveis na aviação
No ano de 2012 a quantidade de CO2 lançada na atmosfera pelos voos
comerciais foi de 689 milhões de toneladas segundo órgão responsável pelo
transporte aéreo internacional. Isso tem preocupado as companhias que agora tem a
meta de reduzir esses números (EXAME, 2013). Desta forma, o uso de combustíveis
renováveis de aviação vem ganhando crescente importância, e dentre os
biocombustíveis cogitados para o setor aeronáutico o bioquerosene tem se
destacado devido a suas propriedades físicas e químicas semelhantes ao do
querosene de origem fóssil, o que possibilitaria seu uso nas aeronaves atuais sem
que sejam necessárias modificações nas turbinas.
A Associação Internacional de Transporte Aéreo tem o objetivo de até 2040,
utilizar 50% de bioquerosene misturado ao combustível tradicional nos voos
(GONÇALVES, 2012), e estimativas da União Brasileira do Biodiesel e Bioquerosene
preveem que em 5 anos a utilização de bioquerosene em voos comerciais será uma
realidade, e em até 20 anos cerca de 25% do consumo de combustível das
aeronaves seja suprido com biocombustível. Além disso, a demanda, que hoje é de
6 bilhões de litros por ano de querosene, cresce a uma média anual de 3 a 5%
(GONÇALVES, 2012). Desta forma o setor de combustíveis aeronáuticos renováveis
tem demonstrado perspectivas promissoras de crescimento de mercado.
2.3 Biocombustíveis aeronáuticos
2.3.1 Etanol
No Brasil o uso de biocombustíveis na aviação teve início em 2005, quando
a Embraer deu início a produção do primeiro avião movido a etanol hidratado,
regularmente homologado, o Ipanema (CGEE, 2010). O Ipanema é um avião de
pequeno porte utilizado na pulverização de lavouras. Ao utilizar 100% de etanol, o
motor opera em temperatura mais baixa que os motores convencionais, o que acaba
gerando um melhor desempenho, sem contar que o etanol é um combustível
renovável, e reduz a emissão de gases poluentes (EMBRAER, 2014).
Na Tabela 2 é mostrada a comparação de custo e desempenho da
24
pulverização de lavouras empregando técnicas de pulverização terrestre e aéreas
com combustíveis fosseis e com biocombustíveis. O uso de etanol apresenta claras
vantagens, permitindo uma rápida pulverização (cerca de 100 ha/h) quando
comparado a pulverização terrestre e com custo por hectares inferior ao da
pulverização terrestre e da aérea com combustível de origens fósseis (EMBRAER,
2014). Estes dados demonstram a potencial competitividade do biocombustível
aeronáutico.
Tabela 2 – Comparação de custo e desempenho da pulverização de lavouras empregando
técnicas de pulverização terrestre e aéreas com combustíveis fósseis e com biocombustíveis
Dados Básicos
Para Cálculo
Pulverização
terrestre
Pulverização
aérea
Utilização do
motor a etanol
Custo total de
aplicação
R$ 120.000,00 R$ 466.294,76 R$ 167.877,06
Velocidade média
de pulverização
8 km/h 100 ha/h 100 ha/h
Custo por hectare
(500 horas)
R$ 8,00 R$ 9,33 R$ 5,90
Fonte: (EMBRAER, 2014).
2.3.2 Bioquerosene
Atualmente não existem instalações industriais especializadas na produção
de bioquerosene, entretanto seu processo de obtenção já é conhecido a algumas
décadas, como por exemplo uma patente de um processo de produção de
bioquerosene registrada no Brasil em 1987 por Expedito José de Sá Parente
(PARENTE, 2014), deste então diversos trabalhos de pesquisa têm sido
desenvolvidos tendo como foco o bioquerosene de aviação (CHUCK; DONNELLY,
2013).
As matérias-primas usadas para a produção de bioquerosene podem incluir
óleo vegetal (refinados, parcialmente refinados, crus, comestíveis ou não), óleos
produzidos por microrganismos e óleos residuais como os óleos usados em frituras,
25
inclusive gorduras natural ou artificialmente hidrogenadas, sebo bovino, banha,
gordura de frango, óleos de peixes (DABDOUB; BRONZEL, 2009). Além dessas
matérias primas, outras fontes de óleos como o pinhão manso, babaçu, falso linho
ou camelina e algas, que têm sido propostas nos estudos e testes em curso para
produção de biocombustíveis, em especial para a produção dos biocombustíveis
destinados ao uso de turbinas aeronáuticas. Os principais fatores que justificam o
interesse nessas culturas são a produtividade potencial e as possibilidades de
cultivo em terras marginais, bem como a composição em termos de ácidos graxos.
(CGEE, 2010)
O bioquerosene pode ser obtido através da destilação do biodiesel, visando
sua separação em duas frações, ou seja, em ésteres de menor e maior massa
molecular, a fração mais leve seria o bioquerosene e a fração mais pesada o
biodiesel. Esse biodiesel é normalmente obtido pela transesterificação de óleos
vegetais, utilizando-se catalisadores ácidos ou básicos. (DABDOUB; BRONZEL,
2009)
A transesterificação consiste na reação de um óleo vegetal (triglicerídeo)
mais um álcool, normalmente metanol ou etanol, utilizando-se catalisadores ácidos
ou básicos, os catalisadores mais utilizados são os básicos, KOH e NaOH, por
serem mais eficientes e por apresentarem menor corrosão dos equipamentos. Na
Figura 1 é apresentada a reação de transesterificação, na qual óleos e gorduras são
convertidos a ésteres metílicos de ácidos graxos (ENCARNAÇÃO, 2008).
Figura 1- Reação de transesterificação.
Fonte: ENCARNAÇÃO, 2008.
26
A produção de bioquerosene a partir de óleos é patenteada desde 1987 [PI-
8007957(INPI)] por Expedito Parente, um dos pesquisadores pioneiros na produção
de biodiesel e bioquerosene no Brasil. Em suas reações ele utiliza o óleo de babaçu
e metanol como reagentes e hidróxido de sódio como catalisador. Após a reação
química há uma etapa de separação de fases, na qual obtém-se ésteres metílicos e
glicerina. Os ésteres metílicos após purificação e separação por destilação, tem
como produtos finais, biodiesel e o bioquerosene (PARENTE, 2014). Existem outros
processos de produção de bioquerosene registrados na forma de patente como o
caso da Patente número WO 2011143728 A1, a qual reporta o emprego de óleo de
babaçu como matéria prima, metanol como álcool, hidróxido de sódio como
catalisador; tempo de reação de transesterificação de 60 minutos e temperatura
60ºC. Após a transesterificação os ésteres de metila são submetidos a uma
destilação a vácuo, nesta etapa a pressão da torre de destilação de cerca de 1 a
10 mmHg, e temperatura de topo de 80 a 110ºC. (VIEIRA; ROCHA; CARVALHO;
ALVES, 2011). Tais informações disponíveis na literatura permitem uma visão ampla
do processo, uma vez que a produção de bioquerosene é protegida na forma de
patente, e não por segredo industrial. Como a produção industrial de bioquerosene
não é um processo bem estabelecido, o desenvolvimento de estudos teóricos
baseados em informações de processo disponíveis, permite estimar parâmetros de
processo tais como consumo de energia e reagentes, informações importantes para
a avaliação da viabilidade de uma produção em grande escala, e que portanto, em
muitos casos tais estudos precedem a construção de plantas industriais.
2.3.2.1 Matéria prima
O bioquerosene deve ter composição química semelhante ao querosene, ou
seja, cadeias carbônicas entre C9 e C16. Portanto, um passo importante no
processo é a escolha da matéria prima, o óleo utilizado deve conter o maior número
de ácidos graxos com cadeias curtas, de forma a favorecer a obtenção de
bioquerosene. Na Tabela 3 é apresentada a composição em termos de porcentagem
em massa de ácidos graxos para diferentes óleos.
27
Tabela 3- Composição em porcentagem mássica de ácidos graxos na faixa de C12:0 a C18:1
em óleos vegetais possíveis de serem utilizados como matérias primas.
Matéria prima
C12:0 C14:0 C16:0 C18:0 C18:1
Babaçu 44 – 45 15 - 16,5 5,8 - 8,5 2,5 - 5,5 12 - 16
Mamona - - 0,8 - 1,1 0,7 - 1,0 2 - 3,3
Coco 44 – 51 13 - 18,5 7,5 - 11 1 - 3 5 - 8,2
Milho - - 7 3 43
Algodão - 1,5 22 5 19
Linhaça - - 6 4 13-37
Oliva - 1,3 7 - 16 1,4 - 3,3 64 - 84
Dendê - 0,6 - 2,4 32 -45 4 - 6,3 38 - 53
Amendoim - 0,5 6 - 11,4 3 - 6 42,3 - 61
Colza - 1,5 1 - 4,7 1 - 3,5 13 - 38
Soja - - 2,3 - 11 2,4 - 6 23,5 – 31
Fonte: GUNSTONE (1994)
Foi feito um levantamento do preço da tonelada dos óleos de babaçu, coco e
soja dispostos na Tabela 4. O preço do óleo de coco obtido como base, foi o preço
do óleo produzido nas Filipinas, o óleo de coco brasileiro foi encontrado para compra
apenas para funções estéticas, o que de fato elevou muito o preço. Já os preços dos
óleos de babaçu e soja mostrados na tabela 4 são de produtores nacionais.
Tabela 4 - Preço da tonelada do óleo de babaçu, coco e soja
Óleo Preço (R$/t)
Babaçu 3586,96*
Coco 2950,00**
Soja 2025,00*** Fonte: *Conab(2014) **Econômico(2014) ***Familiar (2014)
28
O preço do óleo do babaçu é ligeiramente elevado com relação ao preço do
óleo de coco, porém este valor refere-se ao preço do óleo de coco no porto de
Roterdã, sem levar em conta o frete e os custos de taxas de importações.
2.3.2.2 Catalisador
Podem ser utilizados vários tipos de catalisadores para a reação de
transesterificação, como ácidos, que demandam maiores temperaturas de reações,
tempo de reação, e proporção óleo/álcool em relação aos básicos. (FUCUDA;
KONDO; NODA, 2001)
Já os catalisadores básicos apresentam uma baixa efetividade quando o há
presença de ácidos graxos livres, devido a saponificação destes, e quando o nível
de umidade no óleo é alto. (FUCUDA; KONDO; NODA, 2001)
2.3.2.3 Álcoois
O álcool para transesterificação pode ser de qualquer tamanho de cadeia,
porém os álcoois de menores cadeias são preferíveis pois facilitam a reação, como o
metanol, etanol e o butanol. No Brasil, devido à grande quantidade produzida o uso
do etanol para a produção de biodiesel e bioquerosene é o mais interessante, além
de ser um álcool produzido através de fontes renováveis, ao contrário do metanol
que geralmente tem origem mineral (FERRARI, 2004).
2.4 Balanços de massa e energia
2.4.1 Balanço material
Balanço material é a aplicação da lei de conservação das massas, a qual
determina: “Massa não é criada nem destruída”. Através desta lei, determinamos a
quantidade de matéria prima na entrada do reator ou em determinado equipamento,
e a quantidade de produto ou frações geradas no processo nas diferentes correntes
de saídas. Isso pode ser determinado pela seguinte equação: (HIMMELBLAU, 2011).
{Matéria inicial} = {Matéria final} + {Acúmulo}
29
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 (FELDER, 2012).
2.4.2 Balanço de energia
O balanço energético de um processo consiste do controle das quantidades
de energia que entram e saem do processo, e a determinação da necessidade
energética do processo como um todo (FELDER, 2012).
Esse balanço é necessário para determinarmos as quantidades de energia
no processo, como a quantidade de calor utilizada para aquecer reatores e colunas
de destilação, e demais operações unitárias como mistura, transferência de calor,
entre outras. A avaliação do balanço de energia permite estimar e comparar o
requerimento de energia de diferentes processos industriais, sendo um importante
parâmetro a ser considerado, uma vez que gastos com energia tem um importante
impacto sobre o custo do produto final, e portanto, na viabilidade do processo. Além
disso, o balanço de energia aplicado a uma planta já em operação permite avaliar
possíveis perdas de energia no processo, que acaba resultando em aumento de
custos (HIMMELBLAU, 2011).
30
3 Metodologia
O processo produtivo para a obtenção de biocombustível aeronáutico
abordado neste estudo foi a produção de bioquerosene por meio da destilação de
biodiesel, segundo descrito por Vieira (2011).
Para este trabalho, o processo foi dividido em duas etapas principais, etapa
1, produção do biodiesel pelo processo de transesterificação descrito por PAIVA
(2010), e etapa 2, destilação do biodiesel de babaçu com base no estudo feito por
LLAMAS (2014).
Na Figura 2 é apresentado um fluxograma simplificado do processo, no qual
são mostradas as principais etapas envolvidas na obtenção do bioquerosene, e que
foi utilizado como base para os cálculos desenvolvidos neste trabalho.
Figura 2- Fluxograma do processo de obtenção do bioquerosene através da destilação do
biodiesel
fonte: do próprio autor
(fração pesada)
31
Os cálculos das quantidades de insumos químicos necessários foram feitos
supondo uma planta industrial com capacidade estimada de processamento de óleo
diário de 400 m³. E a partir deste número, foram desenvolvidas estimativas e
cálculos baseados em taxas de conversão e rendimentos de cada processo segundo
dados da literatura. E também foram estimadas as quantidades necessárias em
massa das principais matérias primas e catalisadores empregados no processo.
3.1 Seleção das matérias primas.
A seleção das matérias primas para o estudo teórico foi feita com base em
três critérios, a adequação da matéria prima para a produção de bioquerosene, a
disponibilidade comercial e a disponibilidade de informações na literatura sobre
composição e emprego na produção de biocombustíveis, de modo a permitir o uso
de informações para o estabelecimento de estimativas usadas nos cálculos. Para
seleção do óleo, o principal critério foi sua composição de ácidos graxos, priorizando
os óleos ricos em ácidos graxos de cadeia curta. Para o álcool, a disponibilidade
comercial foi o principal critério avaliado. A disponibilidade de informações na
literatura sobre o emprego de tais matérias primas em reações semelhantes às de
interesse do presente trabalho, também foi um critério de relevância para a escolha.
3.2 Processo de transesterificação.
Nesta parte do processo (etapa 1), foi feito os balanços de massa e energia
da reação de transesterificação que foi dividida em dois reatores, no primeiro reator
ocorre a formação do alcóxido e no segundo reator a reação de transesterificação.
3.3 Destilação do biodiesel.
Nesta etapa (etapa 2), o processo analisado foi a destilação do biodiesel,
assim como na etapa 1, foram feitos estudos de balanço de massa e energia afim de
determinar as quantidades de biodiesel necessário para obter a quantidade de
bioquerosene pré determinada, e a quantidade de energia gastos, baseado na
temperatura e rendimento encontrados na literatura. Pressão da torre de destilação
de 1mmHg e temperatura de topo de 240 a 275ºC (LLAMAS et al., 2014).
32
4 Resultados e discussão
4.1 Seleção das matérias primas
4.1.1 Escolha do óleo vegetal
A primeira etapa para a obtenção do bioquerosene consiste na produção de
biodiesel, após esta etapa o bioquerosene é então obtido pela separação das
frações de menor massa molecular dos ésteres do biodiesel. Para maximizar a
obtenção de bioquerosene em relação ao biodiesel foram avaliados vários tipos de
óleos que poderiam ser empregados como matérias primas, sendo tais óleos
comparados quanto a sua disponibilidade e sua composição em ácidos graxos de
menor cadeia carbônica. Dentre os óleos avaliados o óleo de soja se destaca por ser
produzido em larga escala no Brasil, e seria uma matéria prima de grande
disponibilidade para a produção em larga escala. Porém, ao avaliarmos a
porcentagem de ácidos graxos de cadeia curta, de C8 a C16, nota-se que é muito
pequena, o que significaria uma baixa produção de bioquerosene para uma
produção alta de biodiesel, ou seja, uma proporção inferior a 1:10. Como podemos
observar na Tabela 3, a porcentagem de ácidos graxos de cadeia até C16 é maior
nos óleos de babaçu e de coco, o que torna o uso de tais óleos interessantes para
maximizar a obtenção de bioquerosene.
Com base nas concentrações de ácidos graxos de cadeia carbônica curta,
temos duas opções principais de óleos vegetais, o óleo de babaçu e o de coco. Para
auxiliar na escolha do óleo foi elaborada a Tabela 5 com as informações obtidas no
estudo de PAIVA (2010) sobre a transesterificação do óleo de babaçu, e as
informações obtidas no estudo de FIDÊNCIO, GONÇALVES, PINTO (2014) sobre a
transesterificação de óleo de coco, juntamente com dados de outras fontes que
apresentavam relevância como critério de escolha, como por exemplo o preço de
tais matérias primas.
33
Tabela 5- Comparação dos óleos de babaçu e coco Parâmetros de escolha Óleo babaçu Óleo coco
Proporção óleo/álcool 1:6 * 1:12 **
Rendimento (%) 98,67 * 97,7 **
Proporção catalisador (%) 0,1 * Não informado
Preço tonelada (R$) 3586,96 *** 1.180,00 ****
Fonte: *Paiva (2010); **Fidêncio, Gonçalves, Pinto (2014); ***Conab (2014); ****Econômico (2014).
O óleo de coco apresenta um custo menor quando comparado ao óleo de
babaçu, porém, esse valor do óleo de coco refere-se a seu custo nas Filipinas,
podendo tal valor sofrer forte impacto de fatores relacionados a seu transporte e
custos de importação, e não foram encontradas informações sobre o custo do óleo
de coco no mercado nacional. Por outro lado, o óleo de babaçu, apesar de seu custo
mais elevado, é uma matéria prima de produção nacional, e devido a sua
disponibilidade, pode ser considerado como um produto de interesse. Outro ponto
relevante refere-se a maior disponibilidade de informações na literatura para a
produção de biodiesel a partir de óleo de babaçu, quando comparado ao óleo de
coco, o que é um ponto positivo para a busca de dados para os cálculos
desenvolvidos neste trabalho. Comparando os dados reportados por Paiva (2010) e
Fidêncio, Gonçalves e Pinto (2014), observa-se que o óleo de babaçu permite a
obtenção de elevadas conversões, cerca de 98,7%, mesmo empregando menores
proporções de álcool:óleo nas reações, diferente do óleo de coco que apresenta
conversão de 97,7% com uma proporção de álcool:óleo maior. Desta forma, optou-
se por utilizar parâmetros referentes a reação empregando o óleo de babaçu como
matéria prima para o processo de produção de biodiesel, etapa inicial da produção
do bioquerosene.
4.1.2. Escolha do álcool
Na etapa inicial de produção do biodiesel é possível utilizar álcoois como o
metanol, etanol ou butanol. Como no Brasil temos uma larga produção de etanol,
este critério serviu de base para a escolha deste álcool como matéria prima a ser
utilizada nos cálculos e estimativas desenvolvidas no presente trabalho. Quanto a
pureza, optou-se pelo etanol 99,3% que por ser mais puro, não necessita de pré-
34
tratamento já que a umidade interfere na reação.
4.1.3 Escolha do catalisador
PAIVA (2010) em seus experimentos, observou que a utilização do hidróxido
de potássio (KOH) diminui a saponificação em relação ao hidróxido de sódio
(NaOH), apresentando, desta forma, rendimentos de reação superiores aos obtidos
com NaOH. Então o catalisador a ser considerado nos cálculos foi o hidróxido de
potássio.
4.2 Processo de transesterificação
Na proposta avaliada neste trabalho, o processo de transesterificação
acontece em dois reatores diferentes, no primeiro reator são adicionados o etanol e
o catalisador (KOH), nele ocorre a ativação do etanol, ou a formação do alcóxido,
preparando-o para a próxima etapa que consiste na reação de transesterificação. A
reação de formação do alcóxido pode ser representada pela equação mostrada a
seguir:
H3C-CH2-OH + KOH → H3C-CH2-O- + H2O + K+ (PAIVA, 2010)
O rendimento desta reação foi considerado próximo a 100%, nesta etapa em
que é formado o alcóxido (H3C-CH2-O-), o qual reage com os triglicerídeos no
processo de transesterificação. Outro fator relevante para a consideração de um
elevado rendimento na reação de produção do alcóxido refere-se ao seu grande
excesso na etapa de transesterificação, devido a este fator tal intermediário não será
o limitante da reação, não havendo motivos para considerar um rendimento em sua
etapa de formação. Por fim, a conversão considerada nos cálculos, refere-se aquela
obtida na etapa de transesterificação, uma vez que esta é a principal etapa do
processo, e as informações sobre conversão disponíveis na literatura se limitam a
ela. Paiva (2010) reportou em seu trabalho a obtenção de biodiesel a partir de óleo
de babaçu e etanol, por catálise alcalina homogênea. Uma vez que este autor
reportou resultados referentes a produção de biodiesel empregando as mesmas
matérias-primas que foram escolhidas para o presente estudo, optou-se por utilizar
nos cálculos as melhores condições de reação de transesterificação reportadas por
35
este autor em seu estudo experimental. Paiva (2010) avaliou a influência da
proporção óleo/álcool, agitação, temperatura, tempo, proporção óleo/catalisador e
tipo de catalisador sobre a reação de transesterificação do óleo. Segundo este autor,
os melhores resultados de transesterificação, alcançando rendimento de até 98,67%
foram obtidos nas seguintes condições:
Proporção óleo/álcool: 1: 6, um mol de óleo para seis mols de etanol,
ou seja, o dobro da proporção molar, lembrando que o triglicerídeo é
uma molécula onde existem 3 ácidos graxos ligados a um triglicerol.
Essa maior proporção se deve ao fato desta reação apresentar um
equilíbrio químico, e o excesso de álcool desloca este equilíbrio para
a maior formação de produto.
Agitação de 400 rpm
Temperatura: tem interação com a agitação, as maiores conversões
ocorrem com agitação de 400 rpm e temperatura de 30ºC.
Tempo: tem interação com a temperatura, à 30ºC o maior rendimento
é alcançado em 60 minutos de reação.
Catalisador, foi escolhido o KOH. Pureza de 85% do catalisador.
Proporção catalisador/óleo é de 1% em massa.
Com essas condições de reação Paiva (2010) conseguiu alcançar
rendimento de 98,67%. No presente trabalho, foi adotada uma conversão de 98% de
ácidos graxos em ésteres etílicos, valor próximo ao reportado por Paiva (2010),
considerando possíveis dificuldades que possam ser encontradas em um aumento
de escala.
A Figura 3 demonstra a etapa de ativação do etanol, formação de alcóxido
no processo A, e a reação de transesterificação no processo B.
36
Figura 3- Reação de formação do alcóxido (processo A) e reação de transesterificação do óleo
de babaçu (processo B).
Fonte: o próprio autor.
4.2.1 Balanço de massa e energia da reação de transesterificação
Partindo de uma quantidade definida de processamento de óleo 400 m3/dia,
considerando o tempo de reação de 1 hora, e supondo um tempo morto de 0,5
horas, o que inclui o tempo de alimentação do reator e retirada do produto. Há uma
estimativa de um tempo de batelada dura 1,5 horas. Contando que a usina opere
com três turnos, garantindo a operação nas 24horas do dia. Existe o máximo de 16
bateladas por dia. Assim temos que o volume óleo por batelada deve ser de:
� = ³ � çã
Onde 400 m3/dia é o volume do óleo processado em um dia e 16 é o número
de bateladas no dia. Totalizando um volume de óleo por bateladas igual a 25 m3.
37
Com o volume de óleo é possível determinar a massa de óleo por batelada,
Equação 2, relacionando a massa específica do óleo de babaçu (920 kg/m³,
segundo Quimesp (2014)) com o volume estimado.
� = ³ � �³ � çã
Obtemos então a massa de óleo 23 t/batelada. Para calcular a quantidade
de mols de etanol como reagente, devemos obedecer a proporção molar de 1:6
óleo/álcool. Portanto devemos obter o número de mols de ácidos graxos no óleo de
babaçu, para isso foi utilizada a Equação 3, os parâmetros usados para os cálculos,
assim como seus resultados são mostrados na Tabela 6.
ú = � � � ∝�� � � çã
Onde:
α= porcentagem de cada ácido graxo no óleo
MM= massa molecular de cada ácido graxo (Kg/mol)
Tabela 6- Cálculo do número de mols de ácidos graxos no óleo de babaçu
Ácidos Quantidade
de C
Massa molecular*
(kg/mol)
Porcentagem em massa de
ácidos graxos na molécula**
Porcentagem considerando
a porcentagem
de ácido graxo no óleo
Massa no total
(t)
Número de mols
Octanóico C8 0,1442 3,5 3,29 0,757 5259,9
Decanóico C10 0,1723 4,5 4,23 0,974 5661,8
Láurico C12 0,2003 44,7 42,06 9,673 48367,0
Mirístico C14 0,2284 17,5 16,47 3,787 16610,2
Palmítico C16 0,2564 9,7 9,13 2,099 8199,8
Esteárico C18 0,2845 3,1 2,92 0,671 2362,2
Oleico C18:1 0,2825 15,2 14,30 3,289 11664,5
Linoleico C18:2 0,2804 1,8 1,69 0,390 1391,2
Total: - - 100 94,09 21,641 99516,5
Fonte: Próprio autor; *Chemistry(2014); **Llamas et al.(2014)
38
Em um mol de triglicerídeos há 3 mols de ácidos graxos, como a proporção
molar 1:6 é referente ao número de mols de triglicerídeos e etanol, tem-se então que
a proporção molar de ácidos graxos para álcool é de 1:2, assim, multiplicando o
número de mols de ácidos graxos por 2, temos que o numero de mol de álcool é
igual a 199.033,0 mols que representa uma massa de 9.155,5 kg de etanol 100%,
porém utilizando o etanol 99,3% é gerado um volume de 11.603,2953 L e uma
massa de 9,815 t/batelada.
O catalisador corresponde a 1% em relação a massa do óleo, o que
representa uma massa de 0,23 t, porém ele só é obtido com pureza de 85% como é
possível observar na Tabela 7 em que os dados são fornecidos pela empresa GOTA
QUÍMICA (2014), portanto a massa total de catalisador é de 0,2706 t.
Tabela 7- Característica do hidróxido de potássio comercial
Hidróxido de Potássio
Características: mínimo máximo
Hidróxido de Potássio 85%
Carbonato de Potássio
0,50%
Cloreto de Potássio
0,02%
Ferro Total
5 ppm Fonte: Química® (2014)
Para estimar o volume do reator empregado na etapa de transesterificação
devemos considerar os volumes de reagentes calculados por batelada. Para a etapa
de produção do alcóxido seria necessário um reator de cerca de 14 m3, volume
suficiente para conter todo o etanol de uma batelada e proporcionar sua mistura com
o KOH. Para a etapa de transesterificação seria necessário um reator de cerda de
42 m3, com volume útil de 37 m3, desse total temos que 25 m3 são referentes ao
volume de óleo de babaçu, e os outros 12 m3 são de mistura de álcool e catalisador,
sendo considerado ainda um volume de 5 m3 (cerca de 12% do volume total do
reator), não preenchido para evitar transbordamento possível pela agitação ou
possíveis problemas na alimentação.
Com as massas dos reagentes já calculados, e o rendimento igual a 98%
(baseada nas informações reportadas por PAIVA, 2010), multiplicou-se o número de
mols de ácidos graxos total pela conversão para obter o número de ésteres etílicos
formados e montar a Tabela 8 em que pode ser observada a massa de biodiesel por
39
batelada, 24,031 t. Um resumo do balanço de massa do processo de
transesterificação á mostrado na Tabela 9.
Tabela 8 - Cálculo da massa de ésteres produzida em uma batelada
Ácidos originais
Quantidade de C
Número de
mols ácido
graxo
Número de
mols
ésteres
Massa
molar dos
ésteres
Massa de
ésteres
(kg)
Octanóico 8 5259,9 5154,7 173,0 891,8
Decanóico 10 5661,8 5548,6 201,0 1115,3
Láurico 12 48367,0 47399,6 229,0 10854,5
Mirístico 14 16610,2 16278,0 257,0 4183,4
Palmítico 16 8199,8 8035,8 285,0 2290,2
Esteárico 18 2362,2 2314,9 313,0 724,6
Oleico C18:1 11664,5 11431,2 311,0 3555,1
Linoleico C18:2 1391,2 1363,4 309,0 421,3
Total: - 99516,5 97526,2 - 24036,1
Fonte: próprio autor
Tabela 9 - Balanço de massa do processo considerando conversão de 98% na etapa de
transesterificação.
Componente Entrada no processo (kg) Saída do processo (kg)
Óleo de babaçu 23000,0 460,0
Etanol 9155,5 4669,3
KOH 230,0 230,0
Glicerol - 2990,8
Biodiesel - 24036,1
Total 32.395,5 32.396,2
Fonte: próprio autor
40
A massa de etanol não reagido que pode ser recuperada e reciclada no
processo foi estimada em cerca de 4,4862 t por batelada. E a massa de glicerina
produzida que pode ser reaproveitada, na forma de energia, alimentando a caldeira,
ou ser vendida, foi de 2,9908 t por batelada.
Para o cálculo de calor de reação, foi utilizado o número de mols de ácidos
graxos total e o calor de reação médio de transesterificação 117 kJ/mol (Conforme
reportado por Hori (2012)), como pode ser visto na Equação 5. O que fornece um
calor de reação de 11.643,43 MJ por batelada. Este valor mostra que a reação é
exotérmica, liberando uma importante quantidade de energia, porém, como a
temperatura de reação do processo é de apenas 30ºC, o calor gerado não pode ser
reaproveitado em outras etapas, devido a baixa temperatura que o processo deve
ser mantido.
çã = , � � � çã
Para a estimativa da energia consumida na agitação dos reatores, será
considerada a potência gasta por unidade de volume de reator, considerando que o
meio de reação necessita de uma homogeneização vigorosa, uma vez que Paiva
(2010) reportou níveis de agitação da ordem de 400 rpm para o processo de
transesterificação. Segundo CREMASCO (2012), a potência consumida no reator
para a agitação tem uma relação direta com a intensidade de mistura exigida, este
autor reporta alguns valores de potência típicos de alguns níveis de agitação
empregados em reatores e tanques de mistura com mostrado na Tabela 9.
Considerando que a agitação máxima forte descrita na Tabela 10, satisfatória para
proporcionar um nível de homogeneização equivalente a 400 rpm reportado por
Paiva (2010), tal nível de agitação foi considerado nos cálculos de potência
consumida.
41
Tabela 10 - Níveis de agitação.
NA HP/m³ Nível de agitação
até 0,1 Débil 0,1 - 0,3 Suave 0,3 - 0,6 Média 0,6 – 1 Forte
1,0 - 2,0 Intensa 2,0 - 3,0 Muito forte 3,0 - 4,0 Muito intensa
Fonte: Cremasco (2012)
Considerando a potência da agitação forte máxima que é de 1 HP/m³,
segundo Cremasco (2012), ao calcular a potência pelo volume do reator, temos que
a potência será de 37 HP o que equivale a uma potencia de e 27,590 kW.
Considerando o tempo de reação de 3600 segundos o valor de 99,32 MJ de energia
gasta para agitação em uma batelada de uma hora. O mesmo cálculo foi feito para o
reator de produção de alcóoxido, a potência calculada foi de 12 HP que equivale a
8,948 kW, multiplicando por 3600 segundos tem-se 32,21 MJ de energia gasta por
batelada.
4.3 Processo de destilação
O biodiesel depois de ser purificado, removendo os traços de catalisador,
etanol e glicerina, segue para a etapa de destilação, onde ocorrerá a separação de
ésteres etílicos em duas frações, uma rica em ésteres de maior massa molecular e
outra constituída de ésteres de menor massa molecular, a qual é chamada de
bioquerosene, como é mostrado na Figura 4. Para esta parte do trabalho, foram
utilizados os dados reportados no estudo de LLAMAS et al. (2014) sobre a
destilação do biodiesel de babaçu.
42
Figura 4- Esquema de destilação do biodiesel
Fonte: o próprio autor
Llamas e colaboradores (2014) estudaram a destilação do biodiesel de
babaçu visando a obtenção de bioquerosene. E em seus resultados são reportados
rendimento de destilação de cerca de 73% em massa de bioquerosene por massa
inicial de biodiesel submetido ao processo de destilação. Tomando como base os
estudos de Llamas et al. (2014), no presente trabalho, foram empregados nos
cálculos da destilação um rendimento de 72,5%.
4.3.1 Cálculos de balanço de massa e energia da destilação
Com o rendimento de 72,5% e a massa de biodiesel obtida na etapa
anterior, podemos chegar à massa de bioquerosene produzida por batelada, através
da Equação 6. Com base nestes cálculos foi possível estimar uma produção de
bioquerosene de 17,4261 t/batelada e 6,601 t/batelada de biodiesel (constituído pela
fração pesada resultante da separação por destilação).
(fração pesada)
43
� � = , � , � çã
Com a massa de bioquerosene obtida por batelada, e a porcentagem em
massa de cada éster na mistura do bioquerosene reportado por LLAMAS et. al
(2014), podemos estimar a energia gasta para o aquecimento do bioquerosene até a
temperatura de ebulição dos ésteres que compõem o bioquerosene e a energia de
vaporização de cada um destes éster e em seguida, calcular a energia total, a fim de
se obter uma estimativa preliminar a energia gasta na etapa de destilação.
Foi calculada a quantidade de calor necessária para o aquecimento do
biodiesel a ser destilado, partindo da temperatura de 30ºC até a temperatura de
destilação 245ºC, utilizando a Equação 7, a quantidade de calor necessária para
esta operação foi de 11.288,91 MJ por batelada. Também foi calculada a quantidade
de calor absorvida para o aquecimento de 245ºC até 275ºC pela fração de ésteres
que não saem pelo topo da torre de destilação utilizando a Equação 7, não são
destilados, e o calor necessário foi de 380,14 MJ por batelada.
= � � ∆� � çã
Onde:
m = massa da substância que está sendo aquecida
c = calor específico da sustância aquecida
ΔT = diferença da temperatura que a substância está até a
temperatura de destilação
Para o gasto de energia consumida pela destilação primeiramente foi
calculado o número de mols através dos dados obtidos por LLAMAS et. al (2014),
através da Equação 3. Em seguida, o calor de vaporização foi obtido pela Equação
8. Os parâmetros empregados nos cálculos com os valores de calor de vaporização
de cada éster assim como o calor total por éster e o calor total consumido na
vaporização são apresentados na Tabela 11.
�� çã = ∆��� � ú � çã
44
Tabela 11- Tabela das porcentagens dos ésteres, com seus números de mol e calor de
vaporização
Éster etílico
Número de
carbonos do ácido original
Entalpia de vaporização
(KJ/mol)*
Massa molecular (kg/mol)
Porcentagem em massa no
biodiesel**
Massa no
biodiesel (t)
Número de mols no biodiesel
Calor de vaporizaçã
o (MJ)
Etil caprilato C8 44,40 0,1723 3,91 0,6814 3955,4192 175,62
Etil caprato C10 47,90 0,2003 3,3 0,5751 2870,7455 137,50
Etil laurato C12 50,70 0,2284 20,85 3,6333 15909,8215 806,62
Etil miristato C14 53,50 0,2564 31,33 5,4596 21291,6197 1139,10
Etil palmitato C16 58,60 0,2845 18 3,1367 11026,1919 646,13
Total - - - 77,39 13,4861 55053,7978 2904,99
Fonte: Próprio autor; *Chemistry (2014); **Llamas et al.(2014)
O calor total necessário para destilação do biodiesel, e obtenção do
bioquerosene foi estimado em cerca de 2.904,99 MJ/batelada. É importante salientar
que, por se tratar de um trabalho exploratório, não foram considerados nos cálculos
possíveis pontos de recuperação de energia térmica, o que poderia reduzir de forma
importante o total de energia gasta no processo, uma vez que haverá correntes
quentes com calor disponível deixando o destilador que poderiam ser utilizadas para
o aquecimento das correntes frias que chegam ao destilador, resultando em
economia de energia nesta etapa.
4.4 Cálculo da energia e matéria prima total e impacto sobre o custo
As estimativas para consumo de matéria prima mostraram que para cada
tonelada de bioquerosene produzido são necessário cerca de 1,3198 t de óleo de
babaçu, 0,5254 t de etanol e 0,0132 t de KOH. Além do bioquerosene, são
estimados também a produção de 0,3783 t de biodiesel e 0,1716 t de glicerol,
produtos que apresentam valor comercial. Outro ponto importante para o processo
refere-se ao glicerol produzido, o qual apresenta potencial para produção de energia
para o próprio processo, o que auxiliaria na redução de custos de produção.
45
A energia total, gasta ou gerada, foi calculada pela Equação 9, a energia
gerada pelo sistema será considerada positiva, e a energia consumida pelo sistema
negativa.
� �� � = � �çã − ���� �çã − � ���çã � çã
O total de energia requerido pelo sistema foi estimada em 3.062,14 MJ, ou
seja, o processo está gastando mais energia do que esta produzindo. Entretanto
este valor considera a energia produzida pela reação, a qual não pode ser
aproveitada no processo devido a sua baixa temperatura o que impossibilita seu
aproveitamento. Desta forma, para uma melhor avaliação devemos desconsiderar a
energia produzida pela reação, ou seja, considerar apenas a energia consumida na
agitação dos reatores e na etapa de destilação. Desta forma o processo necessita
de um consumo total de 14.705,57 MJ. Este consumo poderia ser suprido pela
utilização de parte da glicerina produzida, a qual tem um potencial de geração de
energia de cerca 53.969,30 MJ, devido ao seu alto calor de combustão igual a
18045,107 kJ/kg (segundo reportado por CETESB (2014)). É importante salientar
que este trabalho refere-se a um estudo exploratório, e que várias etapas foram
desconsideradas nas estimativas iniciais como a energia consumida por bombas,
como separação da glicerina, purificação do biodiesel, entre outros, a única
consideração de energia foi a queima da glicerina na caldeira.
Com as estimativas do consumo de matérias primas e energia, foi calculado
o impacto de tais fatores sobre o custo do bioquerosene final (Tabela 12).
Considerando que tanto o bioquerosene quanto o biodiesel pudessem ser
comercializados, e que o valor de ambos fosse semelhante. Desta forma o custo do
litro de bioquerosene (assim como o de biodiesel) seria de R$ 4,95, considerando os
gastos com matéria prima e energia. Vale ressaltar que o custo elevado, comparado
com o preço do querosene de aviação que é de R$ 2,70 por litro (COLLET,2014),
pode estar relacionado principalmente as diversas etapas de reaproveitamento
energético que foram desconsideradas neste trabalho, além da desconsideração da
venda dos subprodutos, a única etapa de reaproveitamento energético que foi
considerada foi a queima da glicerina, por se tratar de uma análise exploratória do
processo.
46
Tabela 12 - Cálculo dos custos de matéria prima por batelada
Reagente Preço (R$) Total (R$/batelada)
Óleo de babaçu (tonelada) 3586,96* 82.500,08
Etanol 99,3% (l) 1,33** 15.432,38
KOH (tonelada) 2600,00*** 703,53
Total - 98.635,99
Fonte:Próprio autor *Conab(2014);**Bioenergia(2014);***Chemical (2014); ****SCGÁS(2014)
A Figura 5 mostra as principais etapas do processo de obtenção do
bioquerosene, e sintetiza as informações estimadas no presente trabalho como a
sequência de processo, as quantidades de matéria prima, e principais produtos e o
consumo de energia de cada etapa.
47
Figura 5- Representação do fluxograma de processo de produção de bioquerosene com as
principais etapas e informações sobre a estimativa propostas no presente trabalho.
Fonte: do próprio autor.
48
5 Conclusões
A necessidade de produção bioquerosene está crescendo muito, o que
implica a criação de usinas. Neste trabalho, foi apresentado um levantamento
exploratório da produção de bioquerosene via transesterificação e destilação,
avaliando o impacto do consumo de matéria prima e energia sobre o processo
empregando para isso o balanço de matéria e energia, e considerando diversas
informações disponíveis na literatura.
Na escolha da matéria prima, o óleo de coco e de babaçu foram os que
apresentaram as melhores características quanto a composição de ácidos graxos,
uma vez que tais matérias primas são ricas em ácidos graxos de cadeia curta, entre
C16 e C12. Apesar dos custos ligeiramente menores do óleo de coco, o óleo de
babaçu foi escolhido para desenvolver as estimativas de produção de bioquerosene
por haver um número maior de informações na literatura sobre seu processo de
transesterificação.
Na etapa de transesterificação foi verificado que a reação química libera
uma grande quantidade de energia, porém, devido à baixa temperatura de processo
este calor não pode ser aproveitado. Nesta etapa a principal demanda de energia se
deve a potência gasta para a agitação dos reatores. Já na etapa de destilação há
uma grande demanda de energia, para o aquecimento da mistura de ésteres e
destilação dos mesmos, entretanto esta energia pode ser suprida pelo uso de parte
do glicerol como combustível, o qual é subproduto da etapa de transesterificação. O
balanço de massa do processo global mostrou que pode ser obtido cerca de 750 kg
de bioquerosene e 260 kg de biodiesel por tonelada de óleo de babaçu processados.
A análise do consumo de matéria prima e da energia requerida pelo
processo permitiu estimar um custo da ordem de R$ 4,95 por litro de biocombustível
produzido (biodiesel e bioquerosene). E que o valor da matéria prima empregada é
um ponto importante a ser explorado visando reduções de custo, uma vez que as
necessidades energéticas do processo podem ser supridas pela utilização do glicerol
para a geração de toda a energia necessária.
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