Simulação e otimização da purificação do etanol via absorção e da produção de biodiesel via destilação reativa: uma abordagem multivariada

CAPESRealizou-se um estudo de simulação e otimização, via planejamento fatorial, do processo de absorção para purificação do etanol e do processo integrado de absorção e destilação reativa para produção de biodiesel. Os softwares utilizados foram o Aspen Plus® e o Statistica® e os modelos termodinâmicos especificados no Aspen Plus® foram o NRTL para a purificação do etanol e o UNIFAC-Do para a produção de biodiesel. O solvente utilizado no estudo de absorção foi o glicerol, devido a sua obtenção como coproduto na reação de transesterificação. As correntes de alimentação da coluna de absorção foram etanol/água a 88%, 93,8% e 99,1% (m/m). A variável controlada fração mássica de etanol foi avaliada em função do número de pratos da coluna, da razão mássica solvente/corrente de alimentação e da temperatura do solvente (ºC). Além disso, realizou-se a validação do estudo de absorção através de teste estatístico t-Student ao nível de 95%. Na simulação do processo de produção de biodiesel avaliou-se a conversão do óleo em função da razão molar etanol/óleo, tempo de residência (min/prato teórico), razão de refluxo do etanol e número de pratos teóricos. A otimização dos processos foi realizada através de uma abordagem multivariada. Os resultados indicaram que, dentro da faixa de variação do solvente estudada entre 20-150kg/h, foi possível obter etanol com pureza acima de 99,9% (m/m) com as correntes de alimentação de etanol a 93,8% e 99,1% (m/m). As condições ótimas de operação do processo de absorção incluíram a vazão de glicerol de 150kg/h na temperatura de 27ºC e uma coluna de 6 pratos teóricos para as correntes de alimentação de etanol a 88% e 93,8% (m/m). No processo com corrente de alimentação de etanol a 99,1% (m/m) a vazão ótima de glicerol foi de 100kg/h. No estudo do processo de produção de biodiesel etílico via destilação reativa as condições ótimas incluíram razão molar etanol/óleo igual a 12, 6 pratos teóricos, razão de refluxo total do etanol e tempo de residência/prato teórico de 8min. Nesta condição a conversão de óleo foi acima de 99%. O processo integrado e otimizado de absorção e destilação reativa se mostrou eficaz na obtenção de etanol anidro com pureza acima de 99,9% (m/m), conversão de óleo acima de 99% e rendimento de biodiesel de 98%. Ele foi proposto como uma inovação tecnológica, capaz de ser implementado em um único equipamento de processo, ou seja, em uma única coluna.A simulation and optimization study was carried out, based on factorial design, to evaluate the ethanol purification by absorption and the integrated process of absorption and reactive distillation for biodiesel production. The Aspen Plus® and Statistic® software were used as computational tools and the specified thermodynamic models in Aspen Plus® were NRTL for ethanol purification and UNIFAC-Do for biodiesel production. Glycerol was used as solvent in the absorption column due to the fact it is a byproduct of the transesterification reaction. Different ethanol/water mixtures of 88%, 93.8% and 99.1%(m/m) were used as feed streams of the absorption column. The controlled variable ethanol mass fraction was evaluated in terms of the number of theoretical plates, the solvent/feed stream mass ratio and the solvent temperature (ºC). It was also carried out a 95% t-Student statistic test in order to validate the absorption study. In the simulation of biodiesel production, the oil conversion was evaluated in terms of the ethanol/oil molar ratio, the residence time (min/theoretical plate), the ethanol reflux ratio and the number of theoretical plates. The optimal operating condition of the processes were obtained based on a multivariate analysis. Results indicated that within the range of solvent variation, which was between 20-150 kg/h, it was possible to obtain a product of ethanol above 99.9% (m/m) for ethanol feed streams of 93,8% and 99,1% (m/m). The optimal operating condition of absorption process included a glycerol flow rate of 150kg/hr at a temperature of 27°C and a 6 stage column for ethanol feed streams of 88% and 93,8% (m/m) and a glycerol flow rate of 100kg/h for an ethanol feed stream of 99,1% (m/m). The optimal condition of the ethylic biodiesel production study by reactive distillation included an ethanol/oil molar ratio of 12, 6 theoretical plates, total ethanol reflux ratio and a residence time of 8 min/theoretical plate. This condition resulted in an oil conversion above 99%. The integrated and optimized absorption and reactive distillation process showed to be efficient in order to obtain anhydrous ethanol above 99,9% (m/m), oil conversion above 99% and a biodiesel yield of 98%. It was proposed as a technological innovation capable of being implemented in a single process equipment, which is a single column