Measurement and modeling of phase equilibria in biofuel production

Mestrado em Engenharia QuímicaO aumento do preço do petróleo e o seu consumo excessivo, o esgotamento das reservas de petróleo e as alterações climáticas resultantes da emissão de gases com efeito de estufa, tornaram necessário o desenvolvimento de combustíveis alternativos com base em fontes renováveis. Os biocombustíveis são uma alternativa aos combustíveis fósseis, sendo o biodiesel e o bioetanol os mais produzidos actualmente. O bioetanol é produzido a partir de várias fontes renováveis, como a cana-deaçúcar, beterraba, milho, trigo ou madeira, que contêm elevadas percentagens de açúcares. Esses açúcares podem ser facilmente convertidos em etanol a partir da fermentação. Para separar o etanol da água, obtido na fermentação, várias técnicas podem ser utilizadas, como a destilação, adsorção, extracção líquido-líquido, entre outras. Neste trabalho foi estudado o equilibro de fases presente na extracção líquido-líquido. Foram medidas tie-lines para dois sistemas líquido-líquido, óleo de rícino + água + etanol e laurato de metilo + água + etanol. O biodiesel é produzido a partir de óleos vegetais e gorduras animais, a partir da reacção de transesterificação com álcoois de cadeia curta. Nesta reacção os óleos e gorduras reagem com o álcool na presença de um catalisador, para se obterem os correspondentes ésteres alquílicos. O conhecimento do equilíbrio de fases dos sistemas que contêm álcoois e ésteres de ácidos gordos, é necessário para conceber e desenvolver os processos de purificação e produção do biodiesel. Foi medido o equilíbrio líquido-vapor (VLE) de sistemas de ésteres metílicos de ácidos gordos + álcoois, uma vez que os dados existentes na literatura relativamente a estes compostos são escassos. A equação de estado CPA (Cubic-Plus-Association) foi aplicada com sucesso aos dados experimentais de equilíbrio líquido-vapor. ABSTRACT: With the increase of the oil price and its excessive consumption, the depletion of oil resources and climate change derived from the emission of greenhouse gases, the development of alternative fuels based on renewable sources became necessary. Biofuels are an alternative for fossil fuels, being the most important today the biodiesel and bioethanol. Bioethanol is produced from many renewable sources, such as sugar cane, sugar beet, corn, wheat and wood, which contain high percentages of sugars. These sugars can be easily converted to ethanol by fermentation. To recover the ethanol from fermentation broths, several techniques can be used, such as distillation, adsorption, liquid-liquid extraction, among others. In this work, the phase equilibria in liquid-liquid extraction was studied. Liquid-liquid equilibria (LLE) tie-lines were measured for two systems, castor oil -water-ethanol and methyl laurate-water-ethanol. Biodiesel is produced from vegetable oils and animals fats, through transesterification with lower alcohols. In this reaction vegetable oils and/or animal fats react with an alcohol in the presence of a catalyst, to give the corresponding alkyl esters. The knowledge about the phase equilibria of systems containing an alcohol and a fatty acid ester is thus necessary to correctly design and develop biodiesel production and purification processes. The vapor–liquid equilibria (VLE) for fatty acid methyl esters + alcohols systems was measured with an ebuliometer, as information about this kind of data was surprisingly scarce in the literature. The CPA (Cubic-Plus-Association) Equation of State was successfully applied to model the new experimental VLE data