projeto de cinética e reatores químicos

8/16/2019 Projeto de Cinética e Reatores Químicos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

PROF. ANDRE LUIS LOPES MORIYAMA

CINÉTICA DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL

Dissentes: Eduardo Felipe Gomes De Carvalho

Joyce Silva De Oliveira

Márcia Fernanda Teixeira De Menezes

Marina Menezes

Ricardo Clemente Abraão

Março – 2016

Natal/ RN


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1.0 INTRODUÇÃO

Os combustíveis fósseis vêm sendo utilizados como a principal fonte de energia,

desde o século passado. Em decorrência do seu consumo em massa, percebe-se o

aumento dos problemas ambientais como poluição atmosférica, aquecimento global

e chuvas ácidas.

A fim de estudar um método alternativo de minimizar os estragos ambientais

causados pelos combustíveis fósseis, torna-se relevante a análise da produção de

combustíveis obtidos de fontes limpas e renováveis, que não contêm compostos

sulfurados, que são biodegradáveis e reduzem a emissão de dióxido de carbono e de

materiais particulados, quando comparados aos combustíveis não renováveis, como

óleo diesel, gasolina e carvão mineral, por exemplo.

O biodiesel é um combustível que pode ser produzido a partir de fontes renováveis

como óleos vegetais, óleos residuais da indústria alimentícia e gorduras animais. As

semelhanças entre as propriedades de combustão com o diesel fizeram dele uma das

alternativas mais promissoras de um combustível renovável e sustentável para o

automóvel (Lin et al, 2011). Ele é perfeitamente miscível ao óleo diesel, podendo ser

utilizado puro ou em misturas sem que qualquer adaptação nos motores seja

necessária (Parente, 2003).

Quimicamente falando, o biodiesel é um éster alquílico, que deriva de um

álcool. Em sua síntese, os triglicerídeos de óleos ou gorduras são transesterificados com

um álcool de cadeia curta como o metanol ou etanol. O éster formado na reação é

separado do glicerol e do álcool por decantação. Sua purificação pode ser feita por

lavagem com água ou destilação. Para se obter maior conversão do óleo em biodiesel, a

reação deve ser catalisada por catálise ácida, com ácido sulfúrico, por exemplo, ou

básica, com hidróxido de sódio por exemplo.Os óleos vegetais apresentam várias vantagens para uso como combustível,

como elevado poder calorífico, ausência de enxofre em suas composições, baixo custo

de produção, além de serem de origem renovável. No entanto, existem

algumas desvantagens no uso direto de óleos virgens como: a ocorrência de excessivos

depósitos de carbono no motor; a obstrução nos filtros de óleo e bicos injetores; a

diluição parcial do combustível no lubrificante; o comprometimento da durabilidade do

motor; e um aumento considerável em seus custos de manutenção. Outros autores(Goering e Fry, 1984; Kobmehl e Heinrich, 1998; Ghassan et al., 2003) demonstraram


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que a alta viscosidade e a baixa volatilidade dos óleos vegetais in natura podem

provocar sérios problemas ao bom funcionamento do motor. Dentre os problemas que

geralmente aparecem após longos períodos de utilização, destacam-se a formação de

depósitos de carbono por combustão incompleta, a diminuição da eficiência de

lubrificação do óleo pela ocorrência de polimerização (no caso de óleos poli-

insaturados) e a atomização ineficiente e/ou entupimento dos sistemas de injeção

(Peterson et al., 1983; Pryde, 1983; Ma e Hanna, 1999).

Nos processos industriais para a obtenção do biodiesel a reação

de transesterificação é a rota química mais utilizada. Desse modo, o estudo da cinética

da reação de transesterificação, feita a partir da análise dos dados experimentais, é capaz

de proporcionar uma otimização das variáveis do processo, além de servir como base

para o dimensionamento dos reatores necessários para a realização do processo.

2.0 JUSTIFICATIVA

Ao analisar os aspectos positivos do biodiesel, verificamos a importância do

tema e resolvemos estudar sua cinética de reação catalítica homogênea, a opção mais

imediata e economicamente viável para a transesterificação de óleos vegetais, de acordo

com Zagonel e Ramos (2001) e Ramos (2003). Do ponto de vista econômico, a

viabilidade do biodiesel está relacionada com o estabelecimento de um equilíbrio

favorável na balança comercial brasileira, visto que o diesel é o derivado de petróleo

mais consumido no Brasil, e que uma fração crescente desse produto vem sendo

importada anualmente (Nogueira e Pikman, 2002). E em termos ambientais, a adoção

do biodiesel, mesmo que de forma progressiva, ou seja, em adições de 2% a 5% no

diesel de petróleo (Ministério da Ciência e Tecnologia, 2002), resultará em uma redução

significativa no padrão de emissões de materiais particulados, óxidos de enxofre e gasesque contribuem para o efeito estufa (Mittelbach et al., 1985), ocasionando, a longo

prazo, um futuro mais saudável para o nosso planeta e, consequentemente, a

possibilidade de proporcionar à população uma melhor qualidade de vida. Além disso, a

importância do estudo da cinética da reação de produção do biodiesel pode ser

evidenciada a partir da possibilidade da diminuição dos custos do processo

pela otimização das variáveis inerentes à obtenção do produto.


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3.0 FLUXOGRAMAS

Figura 2: Fluxograma da indústria (Visão geral).

Figura 3: Fluxograma do processo (Equipamentos).


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Figura 4: Fluxograma do reator (Foco de estudo).

4.0 MEMÓRIA DE CÁLCULO

A reação estudada no processo de obtenção do biodiesel foi a transesterificação

do óleo de soja com o acetato de metila. Os dados coletados foram obtidos de um reator

em batelada pressurizado de aço inox, mostrado na Figura 1.

Figura 1: Reator em batelada para produção de ácidos graxos.

O processo da transesterificação acontece em uma sequência de três reações

irreversíveis, em que di e mono glicerídeos são formados de forma intermediária. O

mecanismo cinético pode ser representado pelas seguintes reações:

Etapas da reação de transesterificação

TG + CH3COOCH3 RCOOCH3 + DG

DG + CH3COOCH3 RCOOCH3 + MG

MG + CH3COOCH3 RCOOCH3 + TA

(Eq. 01)

(Eq. 02)

(Eq. 03)


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Reação geral em uma etapa

TG + 3CH3COOCH3 3RCOOCH3 + TA

Ao considerar as etapas da primeira à terceira, as taxas de variação da

concentração para cada um dos componentes da reação podem ser descritas pelas

seguintes equações diferenciais:

As constantes de velocidade k1, k2 e k3 (Tabela 1), obtidas por Xu (2004), são

referentes, respectivamente, às etapas 1, 2 e 3 da reação de transesterificação.

Tabela 1: Constantes cinéticas das reações (k i).

Constantes cinéticas Valor (L.mol- .min- )

k1 0,033

k2 0,1124

k3 0,1129

(Eq.04)

(Eq. 05)

(Eq. 05)

(Eq. 06)

(Eq. 07)

(Eq. 08)

(Eq. 09)

(Eq. 10)


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De acordo com a unidade das constantes de reação (L.mol-1.min-1), fazendo uma

análise dimensional pode-se inferir que o modelo proposto descreve uma cinética de

segunda ordem. Entretanto, alguns autores a consideram como de pseudo primeira

ordem.

Para realizar a análise de dimensionamento de reatores CSTR e PFR para

produção de biodiesel, utilizou-se o modelo computacional desenvolvido no software

MatlabR2013a®.

Primeiramente, foi calculado o volume dos reatores CSTR e PFR isolados

(tabela 3), utilizando os valores fixos de concentração inicial igual a 5 mol/L e corrente

de alimentação igual a 10 mol/s. Os valores de conversão inicial e final foram definidos

de acordo com cada arranjo.

A partir do método de maximização de retângulos, utilizando o gráfico 1 e a

equação gerada pelo ajuste exponencial, foi possível analisar a melhor conversão

intermediária para o arranjo de dois CSTR em série (Arranjo 1). Rearranjou-se a

equação 5 em termos da conversão do reagente triglicerídeo (TG), obteve-se o gráfico

1/-rA versus Xa. Tomando como parâmetro o valor de R², pode-se verificar que os

dados se adequaram bem ao modelo exponencial.

Gráfico 1

Método de maximização dos retângulos:

=

(. 11)

0,43631,2699 =0,34361,2699

(.12)

= 0,7875 (Eq. 13)

y = 0,343e1,269x

R² = 0,994

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

1/-rA versus X

1/-rA versus X

Exponencial (1/-rA

versus X)


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Pode-se fazer uma comparação entre os resultados obtidos para os arranjos 1 e 4

(reatores CSTR em série), pois mesmo utilizando o método numérico de otimização, o

volume para o arranjo com o maior número de reatores, apresentou o menor valor para o

volume por seu comportamento se aproximar de um reator PFR.

Para os arranjos mistos 2 e 3, com associação de CSTR e PFR em série, temos

que no arranjo onde o reator CSTR é colocado primeiro, o volume é consideravelmente

menor, pois para baixas conversões o reator CSTR apresenta pequenas diferenças em

relação ao PFR.

A tabela 2, resume os resultados para os volumes dos arranjos obtidos pela

ferramenta computacional.

Tabela 2: resultados dos volumes para os diferentes arranjos

Arranjo Reatores

Conversão Volume

Total (L)

- CSTR 0 -> 0,9 363,67

- PFR 0 -> 0,9 36,36

1 2 CSTR em série 0-> 0,7875 -> 0,9 115,92

2 CSTR + PFR 0 -> 0,45 -> 0,9 39,07

3 PFR + CSTR 0 -> 0,45 -> 0,9 185,124 4 CSTR em série 0 -> 0,3 -> 0,6 ->0,75 -> 0,9 80,35

4.0 CONCLUSÃO

Conclui-se que foi possível achar dados experimentais que se ajustam ao modelo

cinético empregado para uma reação de cinética de pseudo primeira ordem. Analisando

o dimensionamento dos reatores, pode-se confirmar que mesmo fazendo vários

rearranjos de reatores, o volume do reator PFR é sempre menor. A importância de se

estudar o dimensionamento de reatores se deve ao fato de que o menor volume possível

pode reduzir os custos de implantação e operação do processo e otimizar os parâmetros

opercionais.


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REFERÊNCIAS

FERRARI, R.A.; OLIVERIA, V.S. e SCABIO, O.A. Biodiesel de soja – Taxa deconversão em ésteres etílicos, caracterização físico-química e consumo em gerador de

energia. Química Nova, v. 28, n. 1, p. 19-23, 2005

LINL. ;CUNSHANZ. ; VITTAYAPADUNGS. ; XIANGQIANS. ;MINGDONGD., Appl. Energy 2011, 88, 1020-1031.

MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA, Primeiro inventário brasileiro deemissões antrópicas de gases de efeito estufa. Brasília, 2002.

MITTELBACH, M.; TRITTHART, P.; JUNEK, H.Diesel fuel derived from vegetable oils, II: emission tests using rape oil methyl ester.

Energy in Agriculture, v.4, p.207-215, 1985.

NOGUEIRA, L. A. H.; PIKMAN, B. Biodiesel; novas perspectivas de sustentabilidade.Conjuntura & Informação - Agência Nacional do Petróleo, n.19, 2002. Disponível em:Acesso em: 25/08/2003.

OLIVEIRA, F.C.C.; SUAREZ, P.A.Z. e SANTOS, W.L.P. Biodiesel: possibilidades edesafios. Química Nova na Escola, n. 8, maio, p. 3-8, 2008.

PARENTE, E. J. S.; Uma Aventura Tecnológica Num País Engraçado, Unigráfica:Fortaleza, 2003


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APÊNDICE

% UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE % DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA % DEQ-506 - CINÉTICA E REATORES QUÍMICOS

% % Professor: Dr. André Luis Lopes Moriyama % Alunos: Eduardo Felipe Gomes de Carvalho % Joyce Silva de oliveira % Márcia Fernanda Teixeira de Menezes % Marina Menezes % Ricardo Clemente Abraão %%% ROTINA PARA A ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DE REATORES %CSTR E PFR

% % entrada de dados para o dimensionamento dos reatores

clear all; clc;

fa0 = input('digite a vazão de alimentação (água +triglicerídeo) = ');ca0 = input('digite a concentração inicial = ');xa0 = input('digite a conversão inicial = ');xa = input('digite a conversão desejada = ');

% constantes de reações ( (min)^-1)

k1 = 0.033;k2 = 0.1124;k3 = 0.1129;

% cálculo do volume do CSTR

disp('Volumes para CSTR e PFR à conversão escolhida')

VOLUME_CSTR = (fa0*(xa-xa0))/(k1*(ca0*(1-xa))*(3*ca0-(3*ca0*xa)))

% cálculo do volume do PFR

syms x

VOLUME_PFR = int((fa0/(k1*(ca0*(1-x))*(3*ca0-(3*ca0*x)))),xa0,xa)

% Primeiro arranjo: dois CSTR em série


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disp('PRIMEIRO ARRANJO: volume para dois reatores CSTR emsérie')

xb0 = 0; % conversão inicial xb = 0.7875; % conversão final

VOLUME_CSTR1 = (fa0*(xb-xb0))/(k1*(ca0*(1-xb))*(3*ca0-(3*ca0*xb)))

xc0 = 0.7875; % conversão inicial xc = 0.90; % conversão final

VOLUME_CSTR2 = (fa0*(xc-xc0))/(k1*(ca0*(1-xc))*(3*ca0-(3*ca0*xc)))

VOLUME_TOTAl_PRIMEIRO_ARRANJO = VOLUME_CSTR1 + VOLUME_CSTR2

% segundo arranjo: CSTR + PFR

disp('SEGUNDO ARRANJO: volume para dois reatores em série(CSTR + PFR)')

xd0 = 0;xd = 0.45;

VOLUME_CSTR3 = (fa0*(xd-xd0))/(k1*(ca0*(1-xd))*(3*ca0-(3*ca0*xd)))

xe0 = 0.45;xe = 0.90;

syms x

VOLUME_PFR2 = int((fa0/(k1*(ca0*(1-x))*(3*ca0-(3*ca0*x)))),xe0,xe)

VOLUME_TOTAl_SEGUNDO_ARRANJO = VOLUME_CSTR3+VOLUME_PFR2

% terceiro arranjo: CSTR + PFR

disp('TERCEIRO ARRANJO: volume para dois reatores em série(PRF + CSTR)')

xf0 = 0;xf = 0.45;

syms x


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VOLUME_PFR3 = int((fa0/(k1*(ca0*(1-x))*(3*ca0-(3*ca0*x)))),xf0,xf)

xg0 = 0.45;xg = 0.90;

VOLUME_CSTR4 = (fa0*(xg-xg0))/(k1*(ca0*(1-xg))*(3*ca0-(3*ca0*xg)))

VOLUME_TOTAl_TERCEIRO_ARRANJO = VOLUME_PFR3 + VOLUME_CSTR4

% Quarto arranjo: três CSTR em série.

disp('QUARTO ARRANJO: Três CSTR em série')

xh0 = 0;

xh = 0.30;

VOLUME_CSTR5 = (fa0*(xh-xh0))/(k1*(ca0*(1-xh))*(3*ca0-(3*ca0*xh)))

xi0 = 0.30;xi = 0.60;

VOLUME_CSTR6 = (fa0*(xi-xi0))/(k1*(ca0*(1-xi))*(3*ca0-(3*ca0*xi)))

xj0 = 0.60;xj = 0.75;

VOLUME_CSTR7 = (fa0*(xj-xj0))/(k1*(ca0*(1-xj))*(3*ca0-(3*ca0*xj)))

xk0 = 0.75;xk = 0.90;

VOLUME_CSTR8 = (fa0*(xk-xk0))/(k1*(ca0*(1-xk))*(3*ca0-(3*ca0*xk)))

VOLUME_TOTAl_QUARTO_ARRANJO = VOLUME_CSTR5 + VOLUME_CSTR6 +VOLUME_CSTR7 + VOLUME_CSTR8

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