Universidade Federal da Fronteira Sul – UFFSCampus Erechim Produção de Biodiesel – Tanque de Mistura Acadêmicos: Alan Ricardo Bet, Felipe Caldart Disciplina: Operações Unitárias Professora: João Paulo Bender Erechim – RS 2014 1 uma enzima. A alta viscosidade. 2013). e assim. Porém. Alem disto. Observando o poder calorífico similar ao óleo diesel. as altas massas moleculares e viscosidade (cerca de 10 vezes maior que a do óleo diesel) causam a combustão incompleta do óleo vegetal. de origem vegetal ou animal. Esta reação é descrita pela reação de um triacilglicerol com um álcool de cadeia curta na presença de um catalisador.1 – Introdução O biodiesel é visto com uma promissora fonte renovável de combustíveis devido à sua biodegradabilidade. Em função destes problemas. com um álcool na presença de um catalisador (ENCINAR. surgiu a necessidade de modificar os óleos vegetais com o objetivo de diminuir a sua viscosidade. eniciada pelo aproveitamento de óleos vegetais. também conhecida como alcoólise. os óleos vegetais in natura quando usados em motores de compressão interna causam problemas sérios. os ácidos graxos livres presentes no óleo vegetal. Sua produção é realizada a partir de óleos vegetais. O biodiesel é uma evolução na tentativa de substituição de óleo diesel por biomassa. Quimicamente o biodiesel é definido como mono-alquil-éster de ácidos graxos de cadeia longa derivada biolipídeos renováveis (DEMIRBAS. gordura animal e óleos de microalgas por transesterificação ou esterificação com alcoóis de cadeia curta (SANTIN. 1999). um acido forte ou uma base. obtido comumente a partir da reação química de óleos ou gorduras. os óleos vegetais foram considerados como uma opção para a substituição deste derivado do petróleo. depósitos de carbono no motor e nos injetores e problemas com lubrificantes são alguns exemplos de problemas mais comuns com relação a utilização de óleos vegetais em motores. melhora o desempenho dos motores movidos a diesel. Descrito teoricamente. 2008). Figura1 – Processo de Transesterificação 2 . o biodiesel é um éster de ácido graxo. A transesterificação. renovável e biodegradável. acarreta na diminuição da viscosidade do óleo vegetal. baixa toxicidade e menor dependência de produtos petrolíferos. O resultado desta reação produz uma mistura de ésteres e glicerol. sendo este. o babaçu.2013) Características Tipos de óleos Mamona Babaçu Dendê Soja Óleo Diesel Poder calorífico(kcal/kg) 8913 9049 8946 9421 10950 Ponto de névoa(ºC) 10 26 31 13 0 3 .Para a ocorrência desta reação é necessária à presença de um catalisador. tendo como resultado uma diminuição acentuada na formação de resíduos. neste caso a reação de transesterificação ocorre sem a adição de catalisadores químicos. a mamona. Outro catalisador estudado atualmente é o catalisador enzimático. além da alta especificidade da enzima ao substrato. entre outros. 2013). além da obtenção de um melhor rendimento e seletividade. (ANP. 2010) Tabela 1 – especificações de alguns óleos vegetais in natura e do óleo diesel (SANTIN. o que resulta em um ganho maior de produto formado (SANTIN. destacam-se a soja. porém ela ocorre de maneira mais rápida na presença de um catalisador alcalino. Gráfico 1 – Matérias – Primas utilizadas para produção de bidiesel no Brasil. Esta reação pode ser realizada tanto em meio acido como em meio alcalino. como descrito acima. a canola. o milho. Dentre as oleaginosas já investidas para a produção de biodiesel. o girassol. 3 36.0 Particulados 55.8ºC (cSt) 285 30.3 Uma das grandes vantagens do biodiesel é a sua adaptabilidade aos motores do ciclo diesel. 2 – Materiais e métodos escala piloto Para o dimensionamento de um tanque de mistura na produção de biodiesel é necessário o conhecimento do processo empregado na reação de transesterificação. (B100 se refere a 100% de biodiesel e B20 se refere a uma mistura de 20% de biodiesel com óleo diesel). Tipo de emissão B100(%) B20(%) Monóxido de Carbono 0 0 Hidrocarbonetos 56. neste caso 80ºC. .9578 0. Como dito anteriormente. um álcool de cadeia curta e um catalisador.o óleo é aquecido até uma temperatura ótima de processo. no nosso caso.o catalisador químico (0. 4 .8 +1. Este processo de mistura é dado da seguinte forma: .3 11. diferindo assim de outros combustíveis limpos como o gás natural ou o biogás. Do ponto de vista ambiental.9153 0. a reação de transesterificação ocorre com mistura de um óleo.0 .0 Óxidos de Nitrogênio +5.8 2.2 Ar tóxico 60 80 Para a produção de biodiesel em escala industrial o principal processo empregado é a transesterificação por catalisadores químicos em batelada. de dióxido de carbono (𝐶𝑂2) e de dióxido de enxofre (𝑆𝑂2). No nosso caso hipotético.Densidade a 25ºC (g/cm³) 0.4 18. O objetivo deste trabalho é o dimensionamento de um equipamento de agitação/mistura utilizado como reator para o processo de produção de biodiesel. Tabela – 2 Redução das emissões em relação ao diesel.8 36.4. o óleo utilizado na produção de biodiesel é o óleo de soja refinado. os quais são gases responsáveis pelo efeito estufa e a chuva ácida.5 % de NaOH sobre o valor de óleo) é diluído no álcool (etanol).8487 Viscosidade a 37.9118 Nd 0. o biodiesel possui como vantagem a diminuição da emissão de materiais particulados. químico. 05 cSt e a densidade é de 803. para isto um tanque com um volume de 6 litros é proposto. Tabela 3 – Especificações dos componentes químicos. Propriedades Óleo de soja refinado Etanol (99. obteve-se os seguintes valores necessários para o seu enchimento.017 Volume (l) 3. devido ao fato de que o misturador estará trabalhando desde o principio do processo.61 0. mas será dissolvida e não entrará no dimensionamento pois pode ser considerada desprezível devido a sua baixa quantidade.80 1.40kg). desde que o óleo começa a ser aquecido.1 kg/m³. Assim. O primeiro passo do dimensionamento de um tanque de mistura é a formulação de um projeto piloto.06 - Viscosidade à 20ºC(cSt) 36.68 litros *valores de NaOH com base na massa de óleo (massa do óleo = 3.1 Para o dimensionamento. Óleo refinado Etanol NaOH* Massa (kg) 3. Tabela 4 – medida de cada composto utilizado no piloto de 6 litros.0489 Densidade à 20ºC(kg/m³) 930 789 803. os valores de densidade e viscosidade dos compostos são baseados na temperatura ambiente (maiores que a temperatura de 80 ºC). o catalisador químico é misturado ao óleo mantendo a temperatura de 80ºC por cerca de 10 minutos.52 5. a viscosidade da mistura é de 5. A massa de NaOH representa 0.9%) Mistura M (g/mol) 874. Baseado nas propriedades dos componentes da mistura e tendo em vista que uma margem de altura de segurança mínima deve ser imposta para o tanque (adotado 5%). os valores da mistura tanto da viscosidade como da densidade foram calculadas baseadas nas frações molares dos compostos. 5 . Para uma melhor analise.04 - Volume ocupado 5..após dissolvido. Neste processo a quantidade de óleo e etanol presente no meio se dará de acordo com a razão molar de 1:9 (1 mol de óleo para 9 moles de etanol). isto é.8 46.5 % da massa do óleo utilizada no processo.64 2.39 1. Como escolha do tipo de tanque a ser utilizado.00568 = 𝜋 ∗ 𝐻² ∗ 𝐻 4 𝐻 = 0. Como a viscosidade dinâmica da mistura calculada para o modelo é de aproximadamente 4 Cp e tendo como base tabelas que correlacionam o emprego de impelidores quanto a sua faixa de viscosidade. a altura do tanque piloto deve ser aproximadamente 0.5 Da. optou-se por um tanque cilíndrico utilizando as configurações recomendadas por McCabe: i) Diâmetro do impelidor: Da = (1/3). hélices ou turbinas. pois sua obtenção é mais barata bem como sua eficiência energética é maior. A escolha de projeto se dará por um impelidor na forma de hélice naval. é possível se obter a altura da lamina de água do tanque tendo como base algumas equações: 𝑉 =𝐴∗𝐻 𝑉= 𝜋 ∗ 𝑇² ∗ 𝐻 4 Segundo McCabe. a altura real do tanque é definida como um coeficiente que multiplicará a altura do fluido dentro do tanque.1. Desta forma.Dt vi) Caso o nível do líquido seja maior que 1.Dt ii) Altura do impelidor em relação à base do vaso: E = Da iii) Nível do líquido: H = Dt iv) Número de dificultores (chicanas): 4.25 Dt usar mais impelidores.Os equipamentos de mistura mais utilizados para líquidos de pequena ou moderada viscosidade são os impelidores de pás. v) Largura dos dificultores: J = (1/12).194 𝑚 Como critério de segurança. impedindo assim um possível extravasamento do liquido sobre o topo do tanque.24 m. O coeficiente adotado nesse caso foi 1. 6 . a altura do tanque é igual ao seu diâmetro. então: 𝑉= 𝜋 ∗ 𝐻² ∗ 𝐻 4 0. além de atender a todos os requisitos necessário para a mistura do fluido em estudo.2 (20% a mais que o nível do fluido). vii) A distância ótima entre os impelidores fica entre 1 . Como o cilindro possui uma área circular. os impelidores de turbina (100 – 3x104) e hélice (100 – 104) são os indicados para o dimensionamento. Algumas definições de projeto devem ser apresentadas. é possível determinar o regime em que a mistura irá se encontrar: 𝑅𝑒 = 𝜌𝑁𝐷2 𝜇 Utilizando a densidade e a viscosidade da mistura.197 m Diâmetro do tanque (Dt) 0. A partir desse critério de projeto. as chicanas podem ser feitas de algum material condutor e agir como aletas (aumentando a transferência de calor) no processo. estipulando-se um valor ideal de 120 rpm ou 2 rps.24 m Como no processo há o aquecimento do liquido. Assim: Tabela 5 – parâmetros referentes à geometria do tanque piloto Parte geométrica Medida Altura da lamina de água (H) 0. bem como o diâmetro estimado. Também é possível estimar o numero de potencia através do numero de Reynolds encontrado utilizando o seguinte gráfico: Gráfico 2 – Relação entre o número de potencia e o número de Reynolds.Baseado nos critérios de McCabe apresentados anteriormente é possível calcular os demais parâmetros de dimensionamento do tanque a partir da altura. Assim.066 m Altura do impelidor com relação à base 0.017 m Altura do tanque 0.197 m Diâmetro do impelidor (Da) 0. geralmente fixa-se um parâmetro desejado no processo e ajustasse os demais de forma a propiciar a idealidade de operação. o valor de Reynolds encontrado para o modelo piloto foi de 12090 caracterizando um regime turbulento. o parâmetro definido como base foi a rotação.066 m (E) Número de chicanas 4 Largura das chicanas (J) 0. Numero de potência de diversos impelidores do tipo turbina em função do número de Reynolds do 7 . 1945 𝑊𝑢 = 0.76 𝑊 Essa potencia encontrada é suficiente para mover a hélice com as condições estipuladas. é possível encontrar a potencia necessária para a mistura do fluido partindo da expressão: 𝑊𝑢 = 𝑁𝑝𝑜 𝜌𝑁 3 𝐷5 Wu = 0.43.impelidor para fluidos newtonianos. (e) pás inclinadas com passo de 45º.43 ∗ 803.8 0. (c) pás retas e disco (turbina de Rushton). Mas durante a escolha do motor (em escalas maiores) que irá fornecer a energia. Assumindo uma eficiência de 30% na conversão da energia elétrica em mecânica (por ser piloto assumese uma baixa conversão).1 ∗ 23 ∗ 0. Assim: 𝑁𝐴 = 𝑁𝐴 = 𝑊𝑢 𝑉𝑡 0. encontra-se um valor de potencia necessária de 2. (b) pás retas. deve-se ter em mente a potencia útil fornecida pelo mesmo. O grau de agitação pode ser medido pela simples divisão da potencia pelo volume de liquido presente no reator.00568 8 . (g) pás retas sem chicanas. Sabendo que o impelidor utilizado foi uma hélice naval e que o valor de Reynolds é na casa de 1. (f) shoured.53 W.2 ∗ 104 . o valor de numero de potencia é de aproximadamente 0.76 = 133. (a) hélice naval. Com esses dados em mãos. (d) pás curvadas. baseado no Reynolds calculado e no impelidor escolhido. o tempo de mistura (tempo necessário para que todo o meio se agite) também pode ser calculado.46 ∗ 0.08 𝑊 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙: 850. Os resultados tabelados para o aumento de escala podem ser encontrados abaixo: 9 .33. Esse valor deverá ser comparado com as ampliações de escala para comprovar a semelhança de processos.4 = 0. o valor do numero de mistura será de 14.52 𝑊 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑙: 212. Desta forma: 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜: 14 ∗ 2. Obtendo um tempo de mistura para o piloto de aproximadamente 7 segundos (tempo necessário para que todo o fluido seja agitado). O gasto por kWh estimado é de 40 centavos. será assumido que este será operado 14 horas por dia durante 6 dias da semana.53 ∗ 6 = 212.08 ∗ 0. as dimensões foram recalculadas para um tanque de 60 e de 600 litros.4 = 0.53 ∗ 24 = 850. Assim. a seguinte proporcionalidade deve ser seguida: 𝑁13 𝐷12 = 𝑁23 𝐷22 A correlação 𝑁13 𝐷12 da escala piloto obteve um valor de 345.Aumento de Escala Baseado nas definições já estipuladas.09 𝑅$ 1000 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙: 14 ∗ 2. Para se ter confiança que o aumento de escala reflete o comportamento de uma escala piloto.53 = 35. forma e diametro do impelidor e numero de mistura. Neste caso. um recalculo das dimensões do projeto pode ser realizada. Para o calculo do consumo energético gasto com o agitador. O numero de mistura pode ser estimado a partir da observação de um gráfico que correlacione Reynolds. deve-se conservar as proporcionalidades geométricas e fluidodinâmicas.01 𝑅$ 1000 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑙: 14 ∗ 2.34 𝑅$ 1000 3.4 = 0.52 ∗ 0. Para a manutenção do nível de agitação.Esse nível de agitação caracteriza uma mistura muito intensa.46 𝑊 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜: 35. Além disso. 8 10 .1 0.85 litros Tabela 7 – parâmetros geométricos referentes à geometria do tanque de 60 litros Parte geométrica Medida Altura da lamina de água (H) 0.139 m Altura do impelidor com relação à base 0.17 Volume (l) 36.9 16.8 N (rps) 2 N (rpm) 120 Número de mistura 14 Tempo de mistura (s) 7 Eficiência 0.035 m Altura do tanque 0.33 Tabela 9 .38 - Volume ocupado 56.Consumo e gastos energéticos com o tanque de 60 litros Consumo diário (W) 812.500 m Tabela 8 – parâmetros fluidodinâmicos e de agitação referentes ao tanque de 60 litros Reynolds 55860 Agitação (intensidade) 613 Potencia (W) 34.417 m Diâmetro do impelidor (Da) 0.47 20. Óleo refinado Etanol NaOH* Massa (kg) 33.6 Potencia verdadeira (W) 58.06 Correlação 𝑁23 𝐷22 345.139 m (E) Número de chicanas 4 Largura das chicanas (J) 0.417 m Diâmetro do tanque (Dt) 0.Escala 60 litros Tabela 6 – medida de cada composto utilizado na escala de 60 litros. 73 203.900 m Diâmetro do impelidor (Da) 0.300 m (E) Número de chicanas 4 Largura das chicanas (J) 0.8 Gasto semanal (R$) 1.080 m Tabela 12 – parâmetros fluidodinâmicos e de agitação referentes ao tanque de 600 litros Reynolds 259000 Agitação (intensidade) 2838 Potencia (W) 1613 N (rps) 2 N (rpm) 120 Número de mistura 14 Tempo de mistura (s) 7 Eficiência do motor 0.Gasto diário (R$) 0.8 Escala de 600 litros Tabela 10 – medida de cada composto utilizado na escala de 600 litros.80 - Tabela 11 – parâmetros geométricos referentes à geometria do tanque de 600 litros Parte geométrica Medida (m) Altura da lamina de água (H) 0.3 Gasto mensal (R$) 7. Óleo refinado Etanol NaOH* Massa (kg) 339.95 Consumo mensal (W) 19507.075 m Altura do tanque 1.7 11 .8 1.300 m Altura do impelidor com relação à base 0.2 160.33 Consumo semanal (W) 4876.7 Volume (l) 364.900 m Diâmetro do tanque (Dt) 0. isso deve-se a dependência da potencia da bomba com relação ao diâmetro na ordem da quinta potencia. Nota-se um aumento muito grande da potencia necessária para a agitação conforme o tamanho do tanque aumenta.75 Os fatores de correlação da mistura foram iguais a da escala piloto. Enquanto na escala piloto os valores gastos em energia eram irrisórios.6 Gasto semanal (R$) 77.91 Consumo semanal (W) 193593.44 Consumo mensal (W) 774374. Em um tanque de agitação médio de 600 litros o consumo mensal de energia chega a 310 reais e se caso fosse projetado um tanque de agitação maior.Potencia verdadeira (W) 2304 Correlação 𝑁33 𝐷32 345.33 Tabela 13 . o que indica um aumento de escala adequado. esse gasto aumentaria muito mais.60 Gasto diário (R$) 12. Figura 1: Esquema representativo de projeto 12 . quando aumentasse a escala eles podem se tornar assustadores.Consumo e gastos energéticos com o tanque de 600 litros Consumo diário (W) 32265.4 Gasto mensal (R$) 309. Agência Nacional de Petróleo. 1999.br. F. RAMIRO. Síntese de Biodiesel Pela Transesterificação e Esterificação Enzimática em Sistema Livre de Solvente em Banho de Ultrassom. Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Misões. J. 2008. 13 . Claudia Mara Trentin. SANTIN. DEMIRBAS. A. J.gov. Erechim.anp. 38. GONZALEZ. Preparation and Properties of Biodiesel from Cynara cardunculus L. ENCINAR. Acesso em 26/10/2014. 2013. Departamento de Ciências Agrárias. J. Biodiesel: A Realistic Fuel Alternative for Diesel Engines. SpringerVerlag Londo Limited. Disponível em www.REFERENCIAS: ANP. E. Tese (Doutorado) . Industrial Engineering Chemistry Research. 192 f.Curso de Engenharia de Alimentos.2013. Oil. M. v. Gás Natural e Biocombustíveis. SABIO. M.