Computational simulation applied to the improvement of the bioethanol purification process

Resumo: A diminuição gradativa das reservas de combustíveis fósseis e a crescente preocupação com os efeitos do aquecimento global vêm impulsionando cada vez mais as pesquisas por fontes de energia limpa. Dentre essas energias, o etanol de cana-de-açúcar, utilizado no Brasil desde a criação do Programa Nacional do Álcool (PROALCOOL) em 1975, vem se consolidando cada vez mais e sofrendo modificações contínuas no seu processo produtivo. Essas modificações se devem,entre outros aspectos, ao surgimento do conceito de biorrefinaria, que visa um aproveitamento integral da biomassa da cana para produção de energia, e ao rápido e contínuo crescimento da indústria alcoolquímica brasileira, utilizando o etanol como matéria prima para a produção de diversos outros produtos,aumentando a demanda por etanol de melhor qualidade e impulsionando pesquisas no melhoramento do processo produtivo atual. Tendo em conta esse atual cenário, essa tese tem por objetivo estudar o processo de destilação alcoólica industrial, por simulação computacional, analisando a influência dos diversos contaminantes do fermentado de cana no funcionamento das colunas de destilação, investigando a possibilidade do desenvolvimento de uma nova planta industrial para a produção de álcool carburante e álcool neutro, um tipo especial de álcool de alto valor agregado com baixo teor de contaminantes utilizado na indústria de química fina e de bebidas. Para o cumprimento desse objetivo, esta tese está dividida em 6 capítulos: o Capítulo 1 apresenta uma revisão bibliográfica da produção científica associada à produção de álcool combustível, apontando as principais lacunas inerentes a esse tema; o Capítulo 2 discute a produção industrial de cachaça por sistema contínuo apresentando um cuidadoso estudo do equilíbrio de fase dos principais componentes do fermentado de cana de açúcar e analisando a influência dos mesmos no processo produtivo; o Capítulo 3 e o Capítulo 4 apresentam o estudo do processo de produção de álcool hidratado combustível discutindo a influência dos componentes do vinho no funcionamento das colunas, técnicas de otimização de processo aplicadas a um processo industrial real e técnicas de controle de processo aplicadas ao controle de acetaldeído e da graduação alcoólica no bioetanol; o Capítulo 5 apresenta uma nova planta industrial para produção de álcool neutro e álcool hidratado discutindo detalhadamente as vantagens e desvantagens do novo processo frente a plantas industriais tradicionais brasileira e francesa; por fim, o Capítulo 6 apresenta as conclusões gerais do trabalho sugerindo temas para investigações futuras. A análise dos resultados obtidos permitiu conluir que, ainda que consolidado, o processo produtivo de etanol através de cana-de-açúcar apresenta lacunas importantes, principalmente quando se deseja produzir etanol de qualidade superior. Nesse sentido, uma nova planta industrial foi proposta com o objetivo de produzir etanol neutro e hidratado em uma única instalação com redução nos custos de instalação (menor numero de colunas) e de consumo de vaporAbstract: The gradual reduction of fossil fuel reserves and growing concerns about the effects of global warming have encouraged more research on clean energy sources. Among these energies, ethanol from sugar cane, used in Brazil since the creation of the National Alcohol Program (PROALCOOL) in 1975, has undergone continuous changes in their production process. These changes were due to the emergence of the concept of biorefineries, aiming at a full utilization of sugarcane biomass for energy production, and the continuous and quick growth of the Brazilian alcohol-chemical industry, using the ethanol as raw material for the production of several other products, increasing the demand for ethanol with better quality and boosting the research to improving the current production process.Taking into account this present scenario, this thesis aims to study an industrial process for ethanol production, by computational simulation, analyzing the influence of the contaminants of the fermented sugar cane in the operation of distillation columns, investigating the possibility of developing a new plant for the industrial production of fuel alcohol and neutral alcohol, a particular type of hydrated alcohol of high economic value and low content of contaminants used in the manufacture of fine chemicals and beverages. To fulfill this objective, this thesis is divided into six chapters: Chapter 1 presents a literature review of scientific literature related to the production of fuel alcohol, pointing out the main shortcomings inherent in this theme; Chapter 2 discusses an industrial process for cachaça production by continuous distillation featuring a careful study of the phase equilibrium of the main components of the fermented sugar cane and analyzing their influence in the production process; Chapter 3 and Chapter 4 presents the study of an industrial plant for hydrated fuel ethanol production discussing the influence of the main components of the wine in the columns operation, techniques of process optimization applied to a real industrial process and techniques of control process applied to the control of acetaldehyde and alcoholic graduation in bioethanol; Chapter 5 presents a new plant for neutral and hydrated alcohol productions, discussing in detail the advantages and disadvantages of the new process compared to traditional Brazilian and French industrial plants; finally, the Chapter 6 presents the overall findings of the study and suggesting topics for future investigations. Taking into account the results of this thesis, was possible to concluded that, although consolidated, the ethanol production process using sugar cane as raw material presents important gaps especially when related with high quality ethanol. Some of these shortcomings were solved by proposing a new industrial configuration in order to produce neutral and hydrated ethanol in a single installation with lower installation costs (less number of columns) and steam consumptio