Method of minimization of Gibbs energy for the modeling of simultaneous chemical and phase equilibrium in reaction system for biodiesel production process

O presente trabalho tem como objetivo o estudo e aplicação da metodologia da minimização da energia de Gibbs no sistema para o cálculo do equilíbrio de fases, com e sem reação química, para o sistema reacional do biodiesel, utilizando técnicas de otimização global aliadas ao software GAMS, ferramenta computacional utilizada nesta pesquisa. Desse modo, diferentes algoritmos para o cálculo do equilíbrio químico e de fases foram desenvolvidos na forma de programação não-linear para testar diferentes casos de estudo; o primeiro caso envolve apenas a formação de possíveis fases líquidas, e são comparados alguns dados disponíveis na literatura de sistemas contendo os componentes presentes na formação do biodiesel com os resultados obtidos mediante a minimização da função de Gibbs; o segundo caso, equilíbrio de fases com reação química, envolve a formação de uma possível fase vapor e possíveis fases liquidas; dessa forma foi simulada a reação de transesterificação de óleos vegetais para produção de biodiesel, fazendo alguns testes em que são considerados pseudo-componentes e outros em que não. Desse modo foram utilizados os modelos termodinâmicos NRTL, UNIQUAC e UNIFAC para a representação das fases líquidas, com ajustes dos parâmetros de interação binária dos modelos NRTL e UNIQUAC mediante o principio de máxima-verossimilhança para os sistemas envolvidos; nesse caso também foi usado o GAMS. Os resultados obtidos demonstraram que o uso das técnicas de otimização global aliadas ao GAMS são ferramentas úteis e eficientes para calcular o equilíbrio químico e de fases mediante a minimização da energia de Gibbs, além de apresentar tempos computacionais razoavelmente pequenos. Além disso, para os casos que foram comparados com dados da literatura, observou-se uma boa concordância entre os dados simulados e experimentais.In this work, the Gibbs energy minimization method was used in chemical and phase equilibrium calculations for system containing compounds in biodiesel production processes. So, global optimization techniques associated with the GAMS software were utilized. Thus, different algorithms to simultaneous calculations of chemical and phase equilibrium were developed in form of non-linear programming to test different case studies; in the first case, only the formation of liquid phases were considered, and the results obtained by direct minimizing of the Gibbs energy were compared with some data available in literature for the systems evaluated; in the second case, phase equilibrium with chemical reaction, were considered the formation of one vapor phase and several liquid phases. In such a way, the transesterification reaction of vegetable oils for biodiesel production was simulated, considering and no considering pseudo-components. In this way, different thermodynamic models were applied to represent the non-idealities of the liquid phases, such as, NRTL, UNIQUAC and UNIFAC models. Also, binary interaction parameters for NRTL and UNIQUAC models were adjusted using the maximum-likelihood method. Additionally, in adjustment process was used the GAMS software too. The results obtained showed that the use of global optimization techniques associated with the GAMS software are useful and efficient tools to calculate the chemical and phase equilibrium by minimizing of the Gibbs energy. Furthermore, the computational times spent in the calculations were quite small in all systems studied. Moreover, in the cases that were compared with literature data, a good agreement between predicted and experimental data was observed