Modelling and simulation of a reactive distillation plant for biodiesel production

Neste trabalho, foi estudado o processo de destilação reativa para produção de biodiesel usando óleo de mamona e óleo de soja como matérias primas. Simulações do processo utilizando o simulador comercial Aspen plus® em conjunto com técnicas de planejamentos fatoriais permitiram encontrar as condições de operação que irão produzir a maior quantidade de biodiesel. Inicialmente, foi realizada a caracterização dos óleos vegetais e os biodieseis por meio de compostos representativos das misturas que os compõem no simulador. Para isto, foram realizadas medições experimentais de algumas propriedades dos compostos em estudo. As simulações foram efetuadas utilizando o modelo termodinâmico NRTL com os parâmetros de interação faltantes na base de dados do simulador estimados pelo método UNIFAC. O modelo cinético empregado no caso da mamona foi o publicado por de Lima da Silva (2008). Dado que na literatura não se encontram reportados parâmetros cinéticos da transesterificação do óleo de soja com etanol, neste trabalho, esses parâmetros foram determinados e utilizados nas simulações. Para o sistema de produção de biodiesel de mamona, inicialmente foi desenvolvido um planejamento fatorial 24 com o objetivo de analisar o efeito das variáveis: vazão de alimentação de óleo (vo), relação molar álcool: óleo (rm), razão de refluxo (rf) e relação molar entre o destilado/alimentação com base no etanol (d:f) sobre o rendimento do processo e ao mesmo tempo obter um modelo que representasse de forma adequada o comportamento do sistema. Em seguida, foi utilizada a metodologia da máxima inclinação para determinar de forma rápida e simples a região que irá maximizar a produção de biodiesel. Finalmente, com base nos resultados obtidos no item anterior, foi desenvolvido um novo planejamento 24 para encontrar a melhor combinação das variáveis que permita se obter a maior produção de biodiesel. Estudos de sensibilidade foram realizados para suportar os resultados obtidos dos planejamentos. Para o estudo do sistema de produção envolvendo óleo de soja, seguiu-se a mesma metodologia exposta para o óleo de mamona, com a diferença de que os planejamentos foram 23. Os resultados obtidos com os dois óleos, mostram que é possível obter altos rendimentos no processo utilizando uma baixa relação molar etanol:óleo e uma planta mais compacta. Adicionalmente, foram introduzidos nas simulações valores de eficiência por estágio e por componente calculados usando a equação de Barros e Wolf, verificando que a eficiência não tem efeito representativo no desempenho do processo. Foi realizada também a simulação de uma coluna de destilação com recheio para produção de biodiesel. As condições de operação da simulação foram tomadas de um estudo experimental realizado pelo grupo de pesquisa em biodiesel do laboratório LDPS (Laboratório de Desenvolvimento de Processos de Separação), o qual se encontra reportado nesta dissertaçãoIn this work, the reactive distillation process for biodiesel production using castor oil and soybean oil as feedstocks is presented. Process simulations using the commercial simulator Aspen plus® in conjunction with factorial design techniques were used for finding the process operating conditions that will produce the largest amount of biodiesel. For the simulations, firstly, the characterization of vegetable oils and biodiesels by means of representative compounds was performed into the simulator. It was necessary, for a successfull characterization, to carry out experimental measurements of some properties of these compounds. The simulations were performed using the NRTL thermodynamic model. The interaction parameters missing in the simulator data base were estimated by UNIFAC method. The kinetic model employed in castor oil study was published by de Lima da Silva. Because kinetic data for soybean oil transesterification with ethanol are not reported in the open literature, these parameters were determined and used in the simulations. In the study of the castor oil biodiesel production system, initially a 24 factorial design was done in order to analyze the effect of the variables: feed flow rate of oil (vo), molar ratio alcohol: oil (rm), reflux ratio (rf) and molar ratio between the distillate / feed based on ethanol (d: f) in the process yield and simultaneously to obtain a model that adequately represents the behavior of the system. Following this, it was used the method of the path of steepest ascent to determine quickly and simply the region that will maximize the production of biodiesel. Finally, based on results obtained in the previous section, it was developed a new factorial design 24 to find the best combination of variables, which would provide the largest biodiesel production. Sensitivity studies were performed to support the factorial design results. In the study of the system involving soybean oil, was followed the same methodology described for the castor oil, with the difference that the factorial designs were all 23. The results obtained with the twou oils show that it is possible to obtain high yields in the process using a low molar ratio ethanol: oil and a more compact plant. Additionally, it was introduced in the simulations, stage efficiency values and component efficiency values calculated using the Barros & Wolf equation. It was concluded that efficiency has no effect on the performance of the reactive distillation process for biodiesel production. Finally, it was performed a simulation of a reactive packed distillation column for biodiesel production. The operating conditions of the simulation were taken from na experimental study conducted by the research group in biodiesel lab LDPS, which is reported in this dissertatio