Projeto de uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico pela via supercrítica

A concretização deste estágio na INCBIO teve como principal objetivo o projeto e dimensionamento de uma unidade de produção de biodiesel por transesterificação nãocatalítica num reator ultrassónico com condições supercríticas de pressão e temperatura. Com vista à concretização do trabalho, iniciou-se a realização do estudo do estado da arte relativo à produção de biodiesel, com particular enfoque na produção de biodiesel por via catalítica e por via supercrítica e na produção de biodiesel com uso de tecnologia ultrassónica. Conclui-se que nenhum estudo contempla a combinação simultânea da produção de biodiesel por via supercrítica através da tecnologia ultrassónica. Este estudo do estado da arte permitiu ainda definir as condições de temperatura, pressão e rácio mássico (250 °C, 95 bar e 1:1 respetivamente) a considerar no projeto da unidade de produção de biodiesel deste trabalho. Com base no estudo do estado da arte efetuado e com base nas características da matéria procedeu-se à definição do processo de produção de biodiesel. Para a definição do processo começou-se por elaborar o diagrama de blocos do processo (BFD) e o diagrama de fluxo do processo (PFD). Com base nos diagramas e na composição da matéria-prima, procedeu-se à quantificação dos reagentes (metanol) com base na estequiometria das reações envolvidas e ao cálculo do balanço de massa. O balanço de massa foi calculado com base na estequiometria das reações envolvidas e foi também calculado através do software de simulação ASPEN PLUS. Após o cálculo do balanço de massa elaborou-se o diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID), que contém todos os equipamentos, válvulas, instrumentação e tubagens existentes na unidade. Após a definição do processo e cálculo do balanço de massa procedeu-se ao dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico dos tanques, tubagem, bombas, permutador de calor, reator ultrassónico, válvulas de controlo e instrumentação de acordo com as normas ASME. Nesta fase do trabalho foram consultados diversos fornecedores possíveis para a compra de todo o material necessário. O dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico efetuados permitiram, entre outras informações relevantes, obter as dimensões necessárias à construção do layout e à elaboração do desenho 3D. Com os resultados obtidos e desenhos elaborados, é possível avançar com a construção da unidade, pelo que pode-se inferir que o objetivo de projetar uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas foi alcançado. Por fim, efetuou-se uma análise económica detalhada que possibilita a comparação de uma unidade de produção de biodiesel por via catalítica (unidade de produção da INCBIO) com a unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas (unidade projetada neste trabalho). Por questões de confidencialidade, não foram revelados maior parte dos resultados da análise económica efetuada. No entanto, conclui-se que os custos de construção da unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas são mais baixos cerca de 35 a 40%, quando comparados com os custos de construção da unidade de produção de biodiesel por via catalítica, evidenciando assim que a combinação em simultâneo das condições supercríticas com a tecnologia ultrassónica possibilita a diminuição dos custos de produção.

The main goal of this traineeship in INCBIO is the project of a biodiesel production unit in an ultrasonic reactor with supercritical conditions. This traineeship started with the study of the state of the art concerning the biodiesel production, with particular focus on the biodiesel production in supercritical conditions and the biodiesel production by ultrasonic technology. It was found that there are no studies that contemplates the simultaneous combination of biodiesel production in supercritical conditions by ultrasonic technology. This study of the state of the art also allows the definition of the conditions of temperature, pressure and mass ratio of PFAD/methanol (250°C, 95 bar and 1:1 respectively) to be consider in this work. Based on the study of the state of the art and on the feedstock characteristics, the process for the biodiesel production unit was defined. The process definition started with the elaboration of the block flow diagram (BFD) and the process flow diagram (PFD). The quantification of the reactants (methanol) based on the stoichiometry of the involved reactions and the calculation of the mass balance was carried out based on the flow diagrams and on the feedstock composition. The mass balance was calculated based on the stoichiometry of the involved reactions and was also calculated using the ASPEN PLUS simulation software. After the mass balance calculations the piping and instrumentation diagram (P&ID) was made. The P&ID contains all equipments, valves, instrumentation and pipes present in the unit. After the process definition and the mass balance calculations, the mechanical design and the hydraulic calculations of tanks, piping, pumps, heat exchanger, ultrasonic reactor, control valves and instrumentation was carried out according to ASME Codes. At this stage of the work several suppliers were consulted for the purchase of all the necessary materials. The mechanical design and hydraulic calculation allowed to obtain the dimensions necessary to develop the unit layout and the 3D design. Considering the results and the engineering drawings achieved at this point it is possible go forward with the construction. For that reason it can be conclude that the main goal of this work, which is the design of a biodiesel production unit in an ultrasonic reactor with supercritical conditions, has been reached. Lastly, a detailed economic analysis was performed to compare the biodiesel production unit by homogeneous catalytic transesterification (INCBIO production unit) with the biodiesel production unit in an ultrasonic reactor with supercritical conditions (unit projected in this work). Most of the results of the economic analysis were not disclosed for confidentiality reasons. It is concluded that the construction costs of biodiesel production unit in an ultrasonic reactor with supercritical conditions are 35 to 40% lower than the construction cost of biodiesel production unit by catalytic transesterification, which shows that the simultaneously combination of supercritical conditions with ultrasonic technology enables the reduction of production costs.