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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Na obtenção do álcool anidro, foi tolerada quantidade de impurezas da ordem de 1% e considerou-se que a corrente aquosa contém 0,5% de álcool. Para a destilação extrativa do etanol usando benzeno, foi considerado que o azeótropo ternário é condensado após deixar a coluna de modo que a água fosse separada da fase orgânica, a qual deve ser reintroduzida na coluna, com o propósito de minimizar o consumo de benzeno. Na formulação dos cálculos, a destilação extrativa foi simplificada por uma destilação binária onde os compostos presentes são etanol e o azeótropo ternário. A alimentação dos destiladores D-02A e D-02B é definida pela corrente de saída do destilador D-01, sendo que o resquício de glicerol presente na alimentação do segundo destilador foi considerado desprezível para os cálculos.

4.4.3. Extrator líquido-líquido

A lavagem do biodiesel nada mais é do que uma extração líquido-líquido onde a água, por ter mais afinidade com o álcool, recupera esse composto, promovendo a purificação do biodiesel.

Os cálculos para a extração podem ser feitos somente se for conhecido o equilíbrio entre as substâncias envolvidas na temperatura de operação do extrator. A temperatura de operação é um importante parâmetro de projeto, uma vez que o aumento da temperatura favorece o aumento de solubilidade entre dois componentes. Isso faz com que, embora a remoção do composto de interesse para a fase extrato seja facilitada, o rafinado final apresente maior teor do solvente usado na extração.

A fim de promover a máxima transferência de soluto para a fase extrato, as correntes de alimentação e de solvente devem ser dispostas em contracorrente, conforme mostrado na figura 20. Para simplificação da nomenclatura, o nível por onde a alimentação entra no extrator é denotado por „a‟, enquanto o nível por onde sai o rafinado é indicado por „b‟. Também foi adotada a convenção de que as correntes ricas em diluente são referidas por L e suas composições, por x. Por outro lado, as correntes ricas em solvente são indicadas por V e suas composições, por y.

Figura 20: Representação esquemática da extração líquido-líquido

Nesse processo, deve-se inicialmente definir a quantidade do composto indesejado (soluto) que deve ser removido da corrente de alimentação (La), cuja composição é conhecida. A relação entre a massa transferida para o solvente e a massa inicial desse composto é chamada de recuperação (R).

Após definida a recuperação, pode-se estimar a vazão de extrato mínima (Vamín), assumindo inicialmente a hipótese de que as correntes na saída do extrator estão em equilíbrio. Para tal, é necessário encontrar, através do diagrama ternário, a composição da fase extrato, em especial a fração de soluto (ya* ), que estaria em equilíbrio com a corrente de alimentação.

Consequentemente, a vazão de solvente mínima pode ser estimada por: (28)

Como, na prática, as correntes deixam o extrator sem atingir o equilíbrio, a vazão operacional é sempre maior do que a mínima, tipicamente na ordem de duas vezes.

Em seguida, são traçadas as curvas de equilíbrio e de operação. Para a curva de equilíbrio, é buscada uma equação que ajuste os pontos previamente conhecidos, provenientes do diagrama ternário. A curva de operação, por sua vez, é obtida a partir das composições na entrada e na saída do extrator e em um ponto intermediário arbitrário. Uma vez determinados todos os pontos, as equações de ambas as curvas podem ser estimadas pelo software Excel® , por meio da criação de linhas de tendência.

Para o cálculo dos pontos extremos da linha de operação, inicialmente é feita a hipótese de que o solvente e o diluente são completamente imiscíveis. A seguir, são calculadas as vazões de solvente no rafinado (m) e de diluente no extrato (n), com o auxílio do diagrama ternário para identificar as frações de solvente no rafinado e de diluente no extrato. As equações para cálculo de m e n são dadas por:

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Nas equações 31, 34 e 35, as frações de diluente no extrato (ya diluente), no rafinado (xb diluente) e de solvente no rafinado (xb solvente) são obtidas pelo diagrama ternário, considerando as frações de soluto estimadas pelas equações 30 e 3. Tendo em mente que a escolha das substâncias é feita de modo que solvente e diluente são praticamente imiscíveis um no outro, é válido afirmar que a composição lida no diagrama para as frações estimadas de soluto é aproximadamente igual às composições reais. Com isso, as frações de soluto na saída são recalculadas, levando em conta a miscibilidade entre solvente e diluente.

Dessa forma, são definidos os pontos extremos da linha de operação. Falta ainda determinar o ponto intermediário arbitrário, que tipicamente é escolhido de modo que a fração de soluto na fase extrato seja a média entre a quantidade de soluto presente na mistura inicial de solvente e sua parcela no extrato final. Após a escolha da fração de soluto do ponto intermediário, as frações de solvente e diluente são obtidas pelo diagrama de equilíbrio ternário. Com isso, são calculadas as vazões de extrato (V) e rafinado (L) para o ponto intermediário, a partir da fração de solvente e do balanço de massa global.

Em seguida, pode-se calcular a fração de soluto no rafinado. (42)

Por fim, são traçados os estágios de equilíbrio. O cálculo se inicia pelo rafinado final, cuja composição é conhecida. A fase extrato em equilíbrio com tal fração de soluto na fase pobre em solvente é estimada usando a curva de equilíbrio. Essa composição possibilita o cálculo da composição do rafinado no prato seguinte, por meio da linha de operação. Esse procedimento é repetido sucessivamente até que se atinja uma quantidade de soluto no rafinado maior do que a inicialmente existente na alimentação.

Para o cálculo do número de estágios reais, foi considerado que cada prato apresenta uma eficiência de 65% em relação ao que seria possível em um estágio de equilíbrio. Com isso, o número de pratos reais é determinado pela razão entre o número de pratos ideais e a eficiência:

Por fim, a avaliação do diâmetro do extrator é efetuada a partir das velocidades dos líquidos no interior do equipamento. Este parâmetro deve ser tal que a velocidade de descida da fase pesada seja 30% da de ascensão da fase leve. Foi especificado no projeto que a velocidade de ascensão seja de 1 metro por minuto. Isso implica que a velocidade de descida deve ser de 0,3 metros por minuto. Desse modo, é possível obter o diâmetro da coluna com base na vazão da fase pesada na entrada do equipamento.

Uma vez calculado o diâmetro, pode-se avaliar o espaçamento entre cada prato e, consequentemente, a altura da torre. A distância entre o topo da coluna e o primeiro estágio deve ser igual a 0,6 vezes o valor do diâmetro, assim como o afastamento entre o último estágio e o fundo. Foi proposta uma diferença igual à metade do diâmetro entre o nível de cada prato. Com isso, a altura do extrator pode ser calculada pela relação:

( ) (45)

De acordo com a especificação da ANP, o biodiesel comercial deve conter no máximo 0,2% em massa de álcool e 0,05% de água.43 Logo, as etapas de lavagem e secagem do biodiesel bruto são necessárias para fornecer um produto que tenha no mínimo esse grau de pureza. O equipamento de lavagem foi projetado de modo a recuperar 97% do álcool que não foi separado do biodiesel durante a decantação. O álcool remanescente deve ser eliminado durante a secagem, bem como a água transferida para a corrente de biodiesel.

Os dados para o equilíbrio ternário a 30 o

C e a 60 o C entre os sistemas biodiesel- água-metanol e biodiesel-água-etanol podem ser vistos nas tabelas 4 a 7.41

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

W1W2 W3

Alimentação

W1W2 W3

Fase rica em Biodiesel

W1W2 W3

Tabela 5: Dados ELL para o sistema biodiesel (1) -água (2) -etanol (3) a 60 ºC

W1W2 W3

Alimentação

W1W2 W3

Fase rica em Biodiesel

W1W2 W3

Tabela 6: Dados ELL para o sistema biodiesel (1) -água (2) -metanol (3) a 30 ºC

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Alimentação

W1W2 W3

Fase rica em Biodiesel

W1W2 W3

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