Construção de curvas binodais para sistemas ternários, contendo biodiesel, álcool e água

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Este trabalho teve como objectivo a utilização de extracção líquido-líquido em detrimento da decantação e destilação, utilizadas no processo de produção de biodiesel. A extracção poderá conduzir a redução dos custos operatórios e uma melhoria na qualidade final do biodiesel. Para tal, procedeu-se à construção de curvas binodais, estudando o efeito da temperatura, para 25, 30 e 40 ºC, para o sistema ternário de biodiesel/metanol/água, e 25 ºC, para o sistema biodiesel/etanol/água, na solubilidade dos sistemas. Adicionalmente, teve por objectivo a construção e previsão das respectivas tie-lines, avaliando o efeito da temperatura e a composição da alimentação, 80/20 e 70/30 % (v/v), de biodiesel/álcool, para diferentes percentagens de água (20, 40 e 60 % (v/v)), assim como, a determinação da percentagem de álcool extraído e coeficiente de selectividade. A previsão das tie-lines foi efectuada utilizandoos modelos NRTL e UNIQUAC, para o sistema com metanol, apresentando desvios médios globais (AAD) de, aproximadamente, 42 e 20 %, respectivamente e, para o sistema com etanol, o modelo NRTL, com um desvio médio global de 24 %. Adicionalmente foram realizados estudos preliminares numa unidade piloto de extracção líquido-líquido, para o sistema biodiesel/etanol/água, em regime contínuo, sem refluxo, à temperatura ambiente. Foi avaliado a razão de alimentação/solvente, no qual foi mantido constante o caudal de alimentação a 100 mL/min, variando-se o caudal de solvente em 60, 100 e 120 mL/min. As curvas binodais obtidas mostraram a existência de um sistema imiscível para o sistema com metanol, revelando uma solubilidade ligeiramente superior para o sistema com etanol. Por sua vez, as tie-lines obtidas experimentalmente, a nível laboratorial e na instalação piloto, não vão de encontro ao esperado, pela literatura e por simulação em Aspen, pois o declive pouco acentuado é indicativo que a separação não é satisfatória, ou seja, não há uma clara separação entre o soluto (álcool) e o diluente (biodiesel). Relativamente aos parâmetros de projecto, verificou-se que existe uma relação directamente proporcional entre o coeficiente de selectividade e a percentagem de álcool extraído, no qual, é tanto maior quanto maior for temperatura e a percentagem de água e menor for a composição de álcool na alimentação.

Abstract: This work had the main objective of the liquid-liquid extraction utilization in detriment of decanting and distillation, used in biodiesel’s production process. The extraction could lead the reduction of the operative costs and improve final biodiesel’s quality. Therefore, it was proceed the construction of binodal curves studying the temperature effect (25, 30 e 40 ºC) for the ternary system biodiesel/methanol/water, and 25 ºC for biodiesel/ethanol/water system, in the system solubility. Additionally, it had the objective, of tie-lines’ construction and prediction by evaluating the temperature effect and feed composition (80/20 and 70/30,% (v / v)), for different water percentages (20, 40 and 60 % (v / v)), as well as, the determination of extracted alcohol’s percentageand selectivity coefficient. The prediction of the tie-lines was carried out using NRTL and UNIQUAC models, for the system with methanol, with overall average deviation (AAD) of, approximately, 42 and 20 %, respectively, and for the ethanol’s system, the NRTL model, with an overall average deviation of 24 %. It was also studied the alcohol’s continuous extraction process, without reflux, forbiodiesel/ethanol/water system, in a liquid-liquid extraction pilot unit, at roomtemperature, using water as solvent. It was evaluated the ratio of feed/solvent, which was kept constant at 100 mL/min, with variation of solvent’s flow rate (60, 100 and 120 mL/min). The obtained curves demonstrated the existence of an immiscible system for methanol’s system, revealing a slightly higher solubility for the ethanol’s system. In turn, the tie-lines obtained experimentally, laboratory and pilot plant level, didn’t meet the expected, by simulation in the literature and Aspen, since the little steep slope is indicative that the separation is not satisfactory, this is, there isn’t a clear separation between the solute (alcohol) and the diluent (biodiesel). Relatively to the design parameters, it was found that there is a directly proportional relationship between the selectivity coefficient and the extracted alcohol’s percentage, which is greater as higher the temperature and water’s percentage and as lower alcohol’s composition in feed.