Simulação e otimização da produção de etanol anidro combustível

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: CAVALCANTI, Cláudia Jéssica da Silva
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Pernambuco; UFPE; Brasil; Programa de Pos Graduacao em Engenharia Quimica
• Palavras-chave em Português: Engenharia Química; Destilação; Desejabilidade; Biocombustível; Azeótropo; Energia
• Link de acesso: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/29787

Diante da importância do etanol na matriz energética brasileira e do incentivo da política nacional para produção de biocombustíveis, a realização de pesquisas para minimizar os custos da produção de etanol e aumentar sua eficiência é importante para torná-lo mais competitivo frente aos combustíveis fósseis. Muitas vezes a implementação de novas tecnologias encontra dificuldades devido a fatores econômicos e técnicos. Nesse contexto, uma alternativa para melhorar a eficiência dos sistemas de destilação é a otimização dos processos vigentes, podendo alterar o tipo de solvente e/ou fazer modificações na estrutura da planta industrial. Assim, este trabalho teve o objetivo de simular e otimizar os processos de destilação para produzir etanol anidro. Para isto, usando o simulador Aspen Plus®, foram avaliados os desempenhos dos solventes ciclohexano, etilenoglicol e o líquido iônico metil sulfato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMimMSO₄), identificando as melhores condições operacionais do processo por meio de planejamentos experimentais e função de desejabilidade, visando maximizar a pureza do etanol anidro combustível e minimizar o consumo energético. Para a simulação dos processos definiu-se como modelo termodinâmico o Non-Random Two-Liquid (NRTL) devido à existência de componentes polares, e os dados da literatura foram utilizados para configurar as plantas dos processos. A otimização do processo de destilação azeotrópica utilizando ciclohexano foi realizada por meio de um planejamento composto central utilizando os fatores estágio de alimentação do reciclo, razão de refluxo da coluna P e a razão solvente/alimentação (S/F). A função de desejabilidade apresentou um resultado melhor apenas para recuperação de água da coluna P (elevação de 1,75%), entretanto o consumo energético aumentou em 18,6% na coluna P em relação à simulação proposta inicialmente (condições encontradas na literatura). Este resultado pode ser justificado pelo diagrama ternário que delimita uma região estreita para condições ideais de funcionamento da destilação de acordo com a variação da quantidade de solvente. Dessa forma foi considerado que o melhor resultado para esta simulação foi a proposta inicial, que resultou em uma pureza de 99,9% m/m de etanol anidro, 85,6 % m/m de água recuperada e um consumo energético de 3095 kJ.kg-1 de etanol anidro produzido. Em relação ao processo de destilação extrativa utilizando etilenoglicol, utilizou-se um planejamento fatorial completo com 5 fatores: estágio de alimentação do etanol hidratado (ST-FEED), da coluna P (ST-COL P), razão S/F, razão de refluxo da coluna C (RR- COL C) e da coluna P (RR-COL P). A função de desejabilidade apresentou os melhores resultados com pureza do etanol anidro em 99,9 % m/m, recuperação de água de 96,8 % m/m e um consumo energético de 2090 kJ.kg-¹ de etanol anidro produzido, quando ST-FEED = 22, ST-COL P = 7, S/F = 0,65, RR-COL P = 0,5 e RR-COL C = 1,22. Quanto ao processo de destilação extrativa utilizando BMimMSO4, foi utilizado um planejamento composto central, apresentando suas respostas otimizados pela função desejabilidade quando ST-FEED = 22, a razão S/F = 0,22 e a alimentação de líquido iônico no estágio 6. Nestas condições, a pureza do etanol anidro foi de 99,9 % m/m, 94,9 % m/m de água recuperada e um consumo energético de 1636 kJ.kg-1 de etanol anidro produzido. O menor consumo energético foi do processo de destilação extrativa utilizando BMimMSO4 que apresentou um consumo 2,5 vezes menor em relação aos trabalhos publicados na literatura para o mesmo solvente. Em seguida, os processos de destilação extrativa utilizando etilenoglicol, e de destilação azeotrópica com ciclohexano que foi 36,2 % menor em relação à literatura. Exceto no caso da destilação azeotrópica com ciclohexano, que apresenta as restrições já mencionadas, as técnicas estatísticas multivariadas empregadas no trabalho mostraram-se efetivas para otimização dos processos estudados, levando a resultados que minimizam o consumo energético, mantendo a pureza do etanol dentro da especificação atual (maior que 99,3%).