Análise do processo de produção de biodiesel a partir de linhaça e proposta de processo industrial

Análise do processo de produção de biodiesel a partir de linhaça e proposta de...

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO Projeto de Graduação em Engenharia Química

Marcia Carolina Martinho Resende Renan Vieira Bela

Orientador: Wilson Bucker Co-Orientadora: Cecília Vilani

Rio de Janeiro 2015.1

O contexto socioeconômico atual, somado a fatores ambientais, motiva o investimento cada vez mais usual em combustíveis alternativos. A crescente demanda de energia, assim como os problemas de poluição provocados pela utilização de combustíveis fósseis, justificam a necessidade de desenvolver fontes de energia renováveis e de menor impacto ambiental, como o biodiesel. Esse biocombustível consiste em uma mistura de ésteres provenientes da reação de transesterificação de ácidos graxos com um álcool (usualmente metanol ou etanol), e substitui total ou parcialmente o óleo diesel de petróleo. Nesse sentido, o trabalho em questão teve como objetivo desenvolver o projeto conceitual de produção de biodiesel a partir da semente de linhaça, assim como avaliar a viabilidade econômica da escolha pioneira dessa matéria-prima. Para isso, elaborou-se inicialmente um diagrama de blocos, seguido de um fluxograma de processo, que serviu como base para todas as outras etapas. Dessa forma, foi desenvolvido um balanço de massa para estimar todas as vazões das correntes do processo, a partir de rendimentos operacionais teóricos, simulações e memórias de cálculo. Além disso, fez parte do escopo do projeto dimensionar os principais equipamentos necessários (flash, destiladores e extrator líquido-líquido), bem como avaliar a influência do tipo e quantidade de álcool na formação final de biodiesel, em uma tentativa de otimizar a produção. Com as memórias de cálculo realizadas, foi possível efetuar o dimensionamento de equipamentos capazes de promover a purificação dos produtos, a fim de reduzir o teor de contaminantes ao mínimo exigido pelas especificações de comercialização. Através das simulações, verificou-se que, dentre o álcool etílico e o metanol, o primeiro foi o que proporcionou maiores rendimentos reacionais. Por fim, a análise econômica revelou que a semente de linhaça, apesar de ser adequada tecnicamente para produção de biodiesel, não é uma fonte de óleos viável, uma vez que as despesas com o processo superaram as receitas.

Figura 1: Ciclo do carbono10
Figura 2: Fórmula estrutural de alguns ácidos graxos1
Figura 3: Reação de Transesterificação1
Figura 4: Porcentagem de redução na emissão de gases poluentes para o B100 e o B2013
Figura 5: Vendas e Importações de Diesel no Brasil (2000 a 2009)14
Figura 6: Simplificação da Reação de Transesterificação16
Figura 7: Reações envolvidas na transesterificação de triglicerídeos16
Figura 8: Mecanismo de transesterificação alcalina, sendo B uma base de Brønsted17
Figura 9: Mecanismo de transesterificação ácida18
Figura 10: Funil de decantação, promovendo a separação de fases20

Lista de Figuras

)24
Figura 12: Reação de formação de triacilglicerídeos24
Figura 13: Óleo e semente de linhaça26

Figura 1: Matérias-primas para produção de biodiesel (dados de fevereiro de 201332

28

Figura 14: Diagrama de blocos proposto para extração do óleo de linhaça 29,31

29
Figura 16: PFD – Etapa de extração do óleo de linhaça31
Figura 17: PFD – Etapa de reação de transesterificação32
Figura 18: PFD – Etapa de purificação do BIODIESEL3
Figura 19: PFD – Etapa de purificação do GLICEROL34
Figura 20: Representação esquemática da extração líquido-líquido46

Figura 15: Diagrama de blocos proposto para o processo de produção de biodiesel 21,24

59

Figura 21: Etapa reacional no software HySys® Figura 2: Composição da corrente 27, para o caso do etanol e do metanol .............................. 62

Tabela 1: Composição de ácidos graxos (% em massa) de alguns óleos vegetais10
Tabela 2: Análise econômica preliminar30
Tabela 3: Coeficientes de Antoine39

Lista de Tabelas

C50
Tabela 5: Dados ELL para o sistema biodiesel (1) -água (2) -etanol (3) a 60 ºC50
Tabela 6: Dados ELL para o sistema biodiesel (1) -água (2) -metanol (3) a 30 ºC50
Tabela 7: Dados ELL para o sistema biodiesel (1) -água (2) -metanol (3) a 60 ºC51
Tabela 8: Balanço de massa da etapa de extração do óleo de linhaça56
Tabela 9: Dados de entrada para o dimensionamento do flash57
Tabela 10: Parâmetros calculados no dimensionamento do flash57
Tabela 1: Balanço de massa da etapa de reação de transesterificação (com ETANOL)60
Tabela 12: Balanço de massa da etapa de reação de transesterificação (com METANOL)61
Tabela 13: Parâmetros calculados no dimensionamento do extrator63
Tabela 14: Parâmetros calculados para o primeiro destilador (D-01)65
Tabela 15: Parâmetros calculados para o segundo destilador (D-02)65
Tabela 16: Balanço de massa da etapa de purificação dos produtos68
Tabela 17: Resultados da simulação com etanol69
Tabela 18: Resultados da simulação com metanol69
Tabela 19: Análise econômica detalhada71

Tabela 4: Dados ELL para o sistema biodiesel (1) -água (2) -etanol (3) a 30 o

Tabela 20: Propriedades para criação dos componentes hipotéticos no HySys® ........................ 80

1. INTRODUÇÃO7
2. OBJETIVO8
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA9
3.1. Contextualização da questão energética9
3.2. O biodiesel10
3.3. O biodiesel no Brasil13
3.4. Oportunidade de mercado15
3.5. Rota industrial para obtenção de biodiesel via transesterificação15
3.5.1. Catalisadores empregados17
3.5.2. Condições de processo19
3.6. Tecnologias utilizadas na recuperação do biodiesel19
3.6.1. Decantação20
3.6.2. Extração líquido-líquido/Lavagem21
3.6.3. Evaporação/Secagem21
3.6.4. Destilação2
3.7. Matérias-primas utilizadas na síntese do biodiesel23
3.7.1. Linhaça25
3.7.1.1. Extração do óleo da semente de linhaça27
4. METODOLOGIA28
4.1. Proposta de projeto – Diagrama de blocos28
4.2. Análise econômica preliminar29
4.3. Fluxograma de Processo31
4.3.1. Extração do Óleo de Linhaça34
4.3.2. Reação de Transesterificação35
4.3.3. Purificação dos Produtos37
4.4. Dimensionamento dos equipamentos38
4.4.1. Flash39
4.4.2. Destiladores42
4.4.3. Extrator líquido-líquido46
4.5. Simulação e Otimização do Processo51
4.6. Análise Econômica52
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO54

Sumário 5.1. Extração do Óleo de linhaça ........................................................................................... 54

5.1.2. Flash57
5.2. Reação de Transesterificação58
5.3. Purificação dos Produtos63
5.3.1. Biodiesel63
5.3.2. Glicerol64
5.3.3. Balanço de massa6
5.4. Simulação e Otimização do Processo69
5.5. Análise Econômica70
6. CONCLUSÃO73
7. REFERÊNCIAS74
8. APÊNDICE79
8.1 Fluxograma de Processo (PFD)79

8.2. Construção do óleo de linhaça e do biodiesel na base de dados do HySys® ................ 80

1. INTRODUÇÃO

O aumento da conscientização sobre a questão ambiental, aliado à crescente demanda por petróleo, tem motivado amplos investimentos em outras fontes de energia, visando à diversificação da matriz energética global. Uma alternativa bastante promissora e sustentável são os biocombustíveis, que são produzidos a partir da biomassa, fonte de energia limpa e renovável.

Projeta-se que a demanda global por biocombustíveis crescerá mais que 150% até 2040, e sua participação no setor de transporte irá dobrar nesse período. Nesse contexto, o Brasil encontra-se em uma posição privilegiada, dadas as condições geoclimáticas favoráveis e seu alto potencial agrícola.

A significativa fração do setor de transportes no consumo energético torna ainda maior a preocupação com a substituição dos combustíveis fósseis, originários do petróleo, como o diesel e a gasolina. Nesse cenário, a produção de biocombustíveis ganha maior destaque e relevância. O diesel, por exemplo, amplamente empregado para mover ônibus e caminhões, entre outros veículos, pode ser total ou parcialmente substituído pelo seu equivalente verde, o biodiesel.

O biodiesel consiste em uma mistura de ésteres de ácidos graxos com características similares às do petrodiesel. Ele pode ser produzido a partir de basicamente qualquer fonte de óleos ou gorduras, através de um processo chamado de reação de transesterificação.

A linhaça é uma semente oleaginosa, o que faz da mesma uma possível fonte para produção de biodiesel. Dentre algumas vantagens para seu uso na cadeia desse biocombustível destacam-se o custo de produção relativamente baixo e a não concorrência com o cultivo de soja. Além disso, como a linhaça é pouco usada como alimento, a escolha por essa matéria-prima não oferece riscos ao desabastecimento do mercado de alimentos.

2. OBJETIVO

Esse trabalho tem como objetivo elaborar o projeto conceitual de produção de biodiesel a partir da semente de linhaça. O seu desenvolvimento terá o auxílio dos softwares Excel® e HySys® para memórias de cálculo e simulações, com o propósito de estimar a demanda de matéria-prima e dimensionar os principais equipamentos necessários para atender uma produção de biodiesel de aproximadamente 1250 m3 /dia.

Além disso, será estudada a influência do tipo e quantidade de álcool na formação final do produto desejado. Com isso, pretende-se avaliar a viabilidade econômica da escolha da linhaça como fonte de óleos para a produção desse biocombustível.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. Contextualização da questão energética

No cenário atual, o investimento em combustíveis alternativos é uma realidade motivada por fatores ambientais, sociais e econômicos. A crescente demanda de energia no mundo industrializado e no setor doméstico, assim como os problemas de poluição causados devido à produção e à utilização de combustíveis derivados do petróleo, têm sido fatores que justificam a necessidade de desenvolver fontes de energias renováveis, inesgotáveis e de menor impacto ambiental.1

A primeira e principal fonte de energia utilizada pela humanidade foi e continua sendo a energia fóssil, representada atualmente pelo petróleo, carvão mineral e gás natural. Os combustíveis fósseis constituem cerca de 80% da energia primária consumida no mundo, e mais de 57% corresponde ao setor de transportes.2

A combustão proveniente deste tipo de combustível gera uma quantidade significativa de gases de efeito estufa, sendo os mais importantes o dióxido de carbono

(CO2) e o dióxido de enxofre (SO2). Segundo a Organização das Nações Unidas (ONU), o uso de combustíveis fósseis é a principal causa do aumento da concentração de gases do efeito estufa na atmosfera. Um estudo publicado pela ONU revelou que a temperatura média da Terra aumentará entre 1,8 e 4 ºC até o ano de 2100 e isto deverá acelerar o derretimento das geleiras, elevar o nível do mar e provocar intensos furacões. O balanço hídrico do planeta também deverá ser alterado e o índice pluviométrico de algumas regiões, incluindo o Brasil, mudará significativamente.1

O uso de combustíveis derivados da biomassa tem sido apontado como uma alternativa técnica capaz de minimizar estes problemas. Os biocombustíveis permitem que se estabeleça um ciclo fechado de carbono, o que reduz significativamente as emissões de gás carbônico, dentre outros compostos. Isso é possível, pois o CO2 liberado durante a combustão do biocombustível é absorvido pela planta que é utilizada como matéria-prima, durante sua fase de crescimento.

Segundo estudos, com esse ciclo fechado estabelecido, o biodiesel, por exemplo, é capaz de reduzir em até 78% as emissões líquidas de CO2, e em 48% as de CO. Além disso, os ditos biocombustíveis não apresentam em sua composição o enxofre, elemento causador de doenças respiratórias, e da famosa “chuva ácida”. 2,3

Figura 1: Ciclo do carbono

Nesse sentido, seja pelo crescente aumento da demanda de energia, ou pelos efeitos negativos causados ao meio ambiente pela utilização de combustíveis fósseis, a diversificação da matriz energética mundial se faz absolutamente imprescindível, figurando dentre as possíveis alternativas os biocombustíveis líquidos derivados de óleos vegetais.1

3.2. O biodiesel

O biodiesel é um combustível derivado de fontes renováveis, que substitui total ou parcialmente o óleo diesel de petróleo. Assim como o diesel convencional, o biodiesel consiste em uma mistura de ésteres provenientes de ácidos graxos. A composição exata do produto final varia de acordo com a fonte de óleo escolhida.

Tabela 1: Composição de ácidos graxos (% em massa) de alguns óleos vegetais

Ácidos

Graxos

Estrutura Óleo de mamona (%)

Óleo de linhaça (%)

Óleo de palma (%)

Óleo de soja (%)

Óleo de girassol (%)

Ácido

Ácido

Ácido

Ácido

Ácido

Figura 2: Fórmula estrutural de alguns ácidos graxos

É viável o uso de diferentes óleos vegetais, gorduras animais, ou óleos/gorduras residuais como matéria-prima para produção de biodiesel, sendo que o processo mais comumente utilizado é o de transesterificação.4 Nessa rota química, moléculas de triglicerídeos encontradas no óleo ou gordura reagem com um álcool de cadeia curta (normalmente etanol ou metanol), para formar ésteres e glicerol (glicerina), na presença de um catalisador que pode ser homogêneo, heterogêneo ou enzimático. Dessa forma, quimicamente, o biodiesel é classificado como ésteres lineares de ácidos graxos. 1,5,6

Figura 3: Reação de Transesterificação

Inicialmente, testou-se a aplicação direta dos óleos vegetais nos motores, porém, devido às suas propriedades físicas como alta viscosidade, baixa volatilidade e caráter poli-insaturado, sérios problemas operacionais podem acontecer: 1,7

- ocorrência de gomas durante a estocagem dos óleos;

- diminuição da eficiência de lubrificação, devido às reações de oxidação e polimerização dos mesmos (principalmente no caso de óleos insaturados);

- obstrução dos filtros de óleo e bicos injetores;

- diluição parcial do combustível no lubrificante;

- comprometimento da durabilidade do motor e aumento em seus custos de manutenção;

- produção de acroleína durante a combustão, uma substância altamente tóxica e cancerígena, formada pela decomposição térmica do glicerol.

Dessa forma, devido à impossibilidade de utilização direta dos óleos como combustíveis, diferentes alternativas têm sido consideradas, focando principalmente na redução da viscosidade dos óleos vegetais: diluição, microemulsão com metanol ou etanol, craqueamento catalítico, e reação de transesterificação com metanol ou etanol. Dentre essas alternativas, a transesterificação (e consequente produção de biodiesel) tem se apresentado como a melhor opção, visto que o processo é relativamente simples e de baixo custo, e promove a obtenção de um combustível cujas propriedades são similares às do óleo diesel convencional. 7

Nesse sentido, a reação de transesterificação representa uma solução para o problema da viscosidade dos óleos vegetais, produzindo monoésteres alquílicos

(biodiesel) com viscosidades cinemáticas da ordem de 4 - 5 mm2.s -1 , muito próximas à do diesel de petróleo, que apresenta valores de 1,8 - 3,0 mm2.s -1 . Os óleos vegetais, por outro lado, possuem viscosidades cinemáticas na faixa de 27 - 35 mm2.s -1 . Assim, a utilização de biodiesel permite dispensar várias adaptações dos motores, como a utilização de sistemas de injeção de alta pressão ou pré-aquecimento. 1,7,8

O biodiesel pode ser utilizado puro ou misturado ao petrodiesel. A proporção de combustível renovável no produto final define o nome comercial da mistura. Uma mistura de 2% do biodiesel ao diesel comum resulta no B2, e assim por diante até o B100, que contem 100% de biocombustível. Embora a definição de biodiesel seja designada apenas ao combustível produzido a partir de biomassa, é comum o emprego incorreto do termo para se referir ao produto encontrado nos postos de combustível, que na verdade nada mais é que uma mistura entre petrodiesel e biodiesel. O uso de proporções maiores que 20% desse biocombustível requer um estudo refinado sobre o desempenho do motor, ao passo que frações menores podem ser empregadas em motores que operam em ciclo diesel sem demandar alterações.9

Um dos principais aspectos positivos do biodiesel é a significativa redução da quantidade de poluentes resultantes de sua queima. Dentre os gases que mais contribuem para o efeito estufa, é possível alcançar a eliminação total de emissão de sulfatos, além de uma diminuição de mais de 70% de gás carbônico graças ao uso de biodiesel puro. Uma desvantagem é o aumento na quantidade de óxidos de nitrogênio gerados, os quais são resultantes da incorporação de nitrogênio na etapa de crescimento da planta de origem. 10

Figura 4: Porcentagem de redução na emissão de gases poluentes para o B100 e o B20

3.3. O biodiesel no Brasil

Atualmente, o Brasil é o quarto maior produtor mundial de biodiesel, atrás apenas da Alemanha, Estados Unidos e França, e é considerado um país por excelência para a exploração da biomassa. Isto é justificado pela sua grande extensão territorial, associada às excelentes condições climáticas, que poderiam ser utilizadas para produção de matérias-primas e colaborar para o desenvolvimento industrial através da geração de empregos no setor primário. 6

Para estimular a produção de biodiesel no país, criou-se o Programa Nacional de

Biodiesel (PNB), tendo como a matéria-prima básica o óleo vegetal. O programa previa a utilização parcial na concentração de 2% de biodiesel no diesel fóssil até o ano 2007 e a obrigatoriedade de uso nessa concentração para todo o diesel comercializado no país a partir de 2008 e de 5% a partir de 2013. O PNB tem envolvido instituições de pesquisa na condução de testes de desempenho, consumo, potência, emissão de poluentes e de variações de substrato para a produção do biodiesel.1

A adição de biodiesel na mistura comercial também carrega um importante aspecto macroeconômico. Ao reduzir o volume efetivo de diesel convencional necessário para abastecer o mercado nacional, diminui também a demanda brasileira por importações desse derivado do petróleo. A figura 5 mostra a dependência que o Brasil tem de importar diesel mineral para atender ao mercado interno. Nesse contexto, o incentivo na produção de biodiesel contribui também para tornar o país menos dependente do mercado externo de combustíveis, o qual é sempre suscetível às crises políticas internacionais e às oscilações na cotação do real. 12

Figura 5: Vendas e Importações de Diesel no Brasil (2000 a 2009)

Um dos entraves na utilização do biodiesel no Brasil é o baixo custo de produção do óleo diesel, principalmente quando comparados aos preços das demais frações do petróleo. Logo, para que o preço do biodiesel possa ser competitivo, deveria ser criada uma política de isenção de impostos, pois sem a qual não há possibilidades de concorrência.6

3.4. Oportunidade de mercado

A crescente demanda por diesel e o aumento gradual do percentual de biodiesel representam uma oportunidade de mercado para a produção desse biocombustível. Apenas no estado do Rio de Janeiro, o setor de transporte público foi responsável pelo consumo de 31200 L de biodiesel B5 por ônibus em circulação durante o ano de 2011.13 Considerando que a frota fluminense na época era de 17000 veículos, chega-se ao volume de 26520 m³ de biodiesel necessário somente para atender a esse setor. 13

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