conteúdo programático: biodiesel · outros : rejeitos (borras) do processo de refino e de...
TRANSCRIPT
Disciplina: Combustíveis e Biocombustíveis
Docente: Profa. Dra. Camila da Silva
Conteúdo Programático: BIODIESEL
�Oleaginosas para produção de biodiesel (métodos de extração);
�Métodos de Produção: Transesterificação, esterificação;
hidroesterificação;
�Processo batelada e contínuo para produção de biodiesel;
�Processo catalítico heterogêneo e homogêneo;
�Processo não catalítico;
�Tendências: Técnicas de intensificação de processos e reação in
situ.
TTÓÓPICOSPICOS
�Evolução da produção de biodieselbiodiesel (B100) – 2005-2012 (ANP)
Lei no 11.097 Lei no 11.097
(2005)(2005)
Aumento da produção de
glicerol
5% de biodiesel no 5% de biodiesel no
Diesel a partir de 2010 Diesel a partir de 2010 ((Resolução nº 6/2009 do
Conselho Nacional de Política
Energética)..
�Glicerina gerada na produção de biodiesel (B100)/2005-2012 (ANP).
Custos do Biodiesel
PRINCIPAIS DESAFIOS
�� Busca de Busca de matmatéérias primasrias primas alternativas (baixo custo e alternativas (baixo custo e não comestnão comestííveis).veis).
�� MMéétodos de Produtodos de Produççãoão (t(téécnicas, tipos de cnicas, tipos de catalisadores, melhor qualidade do glicerol, menor catalisadores, melhor qualidade do glicerol, menor gerageraçção de resão de resííduos, menor custo energduos, menor custo energéético, tico, adaptaadaptaçção para MPs alternativas).ão para MPs alternativas).
OLEAGINOSAS PARA PRODUÇÃO DE BIODIESEL
Palma SojaMamona
Algodão
Girassol
BabaçuAmendoim
Canola Gordura Animal Residuais
Nabo Forrajero
Fonte/Elaboração: ANP/ABIOVE - Coordenadoria de Economia e Estatística (Dados disponíveis até fevereiro de 2014).
�Produção de BIODIESEL por matéria-prima (%)
SOJASOJA
�� Apresenta maior percentual da produApresenta maior percentual da produçção ão
brasileira de brasileira de óóleos vegetais (ABIOVE);leos vegetais (ABIOVE);
�� BrasilBrasil: Entre os maiores produtores Mundiais : Entre os maiores produtores Mundiais
(CONAB).(CONAB).
�� CompetiCompetiçção direta com o setor alimentão direta com o setor alimentíício;cio;
��Arranjos produtivos muito bem Arranjos produtivos muito bem
estudados e implantados em boa estudados e implantados em boa
parte do territparte do territóório brasileirorio brasileiro..
�� Capaz de suprir a demanda Capaz de suprir a demanda
Brasileira.Brasileira.
�Brasil é um grande produtor e a oferta de
tais matérias primas é substancial;
� ↓ custos.
GORDURA ANIMALGORDURA ANIMAL
�2,5 milhões de toneladas de gordura provenientes do abate
industrial de aves, bovinos e suínos (EMBRAPA).
CAROCAROÇÇO DE ALGODÃOO DE ALGODÃO
� 60% da planta;
� Mais barato que a soja e apresenta
praticamente a mesma disponibilidade;
�Brasil – 3º maior produtor.
�� O O óóleo leo éé mais impuro (tratamento especmais impuro (tratamento especíífico fico -- custos);custos);
�� BaixoBaixo teor de teor de óóleo por caroleo por caroçço, entre 16% e 26%.o, entre 16% e 26%.
MACAMACAÚÚBABA
Polpa Polpa –– 25 a 40% de 25 a 40% de óóleo;leo;
Amêndoa Amêndoa -- 30 a 50% de 30 a 50% de óóleo.leo.
��Ocorre em praticamente todo o territOcorre em praticamente todo o territóório rio nacional.nacional.
�� Extrativismo de maciExtrativismo de maciçços naturais (variabilidade da matos naturais (variabilidade da matéériaria--
prima e produprima e produçção anual);ão anual);
�� Plantios comerciais da espPlantios comerciais da espéécie (5 a 7 anos).cie (5 a 7 anos).
PINHÃOPINHÃO--MANSOMANSO
�Até 50% de óleo nas sementes.
��Facilidade de Facilidade de adaptaadaptaçção ão (problemas em regiões frias e secas);(problemas em regiões frias e secas);
��Boa Boa produtividadeprodutividade em terras poucos fem terras poucos féérteis;rteis;
��Baixo custo de cultivo e não necessita de agrotBaixo custo de cultivo e não necessita de agrot óóxicos; xicos;
��CColheita manual.olheita manual.
DESVANTAGENSDESVANTAGENS
-- Toxicidade das sementes;Toxicidade das sementes;
-- MaturaMaturaçção desuniforme (ão desuniforme (↑↑custos de producustos de produçção).ão).
CRAMBECRAMBE��Tolerante: seca e geadas;Tolerante: seca e geadas;
��Floresce aos 35 dias e pode ser colhido Floresce aos 35 dias e pode ser colhido
aos 85/90 dias, com maturaaos 85/90 dias, com maturaçção ão
uniforme;uniforme;
��Cultivo mecanizado e Cultivo mecanizado e éé uma cultura de uma cultura de
inverno (alternativa para a safrinha).inverno (alternativa para a safrinha).
38 a 52% de 38 a 52% de óóleoleo
Pesquisas no Brasil: FundaPesquisas no Brasil: Fundaçção MSão MS
NABO FORRAGEIRONABO FORRAGEIRO
�Empregado em sistemas de rotação de culturas;
�Requer baixa demanda agronômica para o cultivo, rápido crescimento (cultivo em 120 dias);
�Baixo custo para o cultivo e colheita.
�Elevado teor de óleo – 35 a 40%.
MICROALGASMICROALGAS
�� Elevador Elevador teor de teor de óóleoleo e e
necessita de baixa necessita de baixa áárea rea
cultivcultiváável. vel.
� Produção de óleos com eficiência eficiência
superiorsuperior a obtida em plantações de
oleaginosas.
�A produtividade de óleo, por
unidade de área empregada para o
processo, pode ser até 100 vezes 100 vezes
superiorsuperior do que aquela obtida com
oleaginosas.
VANTAGENSVANTAGENS:: ↓custos para colheita e
transporte, fácil tratamento químico
em função de suas pequenas
dimensões, podem ser cultivadas sob
condições impróprias para produção
agrícola convencional.
DESAFIOS:DESAFIOS: (a) complexidade da logística de produção em larga escala;
(b) alto custo na formulação dos meios de cultivo (micronutrientes);
(c) ↑ demanda energética para secagem e extração;
(d) ↑ acidez do material lipídico isolado (método de extração).
ÓÓLEOS RESIDUAIS DE FRITURALEOS RESIDUAIS DE FRITURA
OutrosOutros: rejeitos (borras) do processo de refino e de tratamento de efl: rejeitos (borras) do processo de refino e de tratamento de efluentes.uentes.
� 2 a 3 vezes mais barato do que óleos vegetais;
� Reduz o custo de remoção e tratamento dos resíduos.
� Formação de compostos polares, AGLs e outros compostos que não são convertidos em ésteres;
PRODUTIVIDADEPRODUTIVIDADE
MacaMacaúúbaba -- 4.500 litros de 4.500 litros de
óóleo por hectares ano; leo por hectares ano;
Nabo ForrageiroNabo Forrageiro –– 150 a 450 150 a 450
litros de litros de óóleo por hectare;leo por hectare;
MicroalgasMicroalgas –– 58.700 litros de 58.700 litros de óóleo por hectare (varileo por hectare (variáável).vel).
COMPOSICOMPOSIÇÇÃO QUÃO QUÍÍMICAMICA↑AGS - problemas de solidificação em baixas temperaturas.
↑ viscosidade – entupimento dos filtros de óleo e do sistema de injeção.
VISCOSIDADE ELEVADA E BAIXA VOLATILIDADE
Problemas associados ao uso de Problemas associados ao uso de óóleos vegetais leos vegetais diretamente no motor diesel:diretamente no motor diesel:
i) depósitos de carbono nos motores devido à combustão
incompleta;
ii) obstrução nos filtros de óleo e bicos injetores;
iii) alteração do comportamento da durabilidade do motor;
iv) um aumento de custos de manutenção.
Metodologias para que as propriedades se Metodologias para que as propriedades se
tornassem mais adequadas para seu uso tornassem mais adequadas para seu uso
como combustcomo combustíível.vel.
Reações para Obtenção de Biodiesel
(1) Transesterificação
(2) Esterificação
(3) Hidrólise
Fatores que influenciam no rendimentoFatores que influenciam no rendimento
Catalisador
REAÇÃO
Tempo de reação
Temperatura
Razão molar(substratos)
Pureza dos reagentes
Intensidade da mistura
Tipos de reatores
CatCatáálise Homogênea Alcalinalise Homogênea Alcalina
� ↑↑↑↑conversões em ↓↓↓↓ tempos de reação;
� Restrição do método ao teor de água e ácidos graxos livres
(saponificação/consumo da base/↓rendimento);
� Dificuldade de purificação e separação dos produtos da
reação (ésteres e glicerina) – formação de emulsões;
� Elevada geração de efluentes;
� ↑↑↑↑ Custo do processo (consumo de energia).Baixo custo e
disponibilidade do catalisador
CatCatáálise Homogênea lise Homogênea ÁÁcidacida
� Não apresenta restrição ao teor de AGLs (utilizado para teor de
AGLs ↑ 1%);
� Esterificação e transesterificação ocorrem simultaneamente;
�� ↑↑ quantidade de quantidade de áálcool e lcool e ↑↑concentraconcentra çções de ões de áácidocido ;;
�� DesejDesej áável a removel a remo çção contão cont íínua da nua da áágua produzida;gua produzida;
� Elevado consumo de água na etapa de purificação;
� Os ácidos podem causar corrosão .
Apresentam cinética lenta para a
transesterificação e aumento o tempo de
reação;
CatCatáálise Heterogênea Qulise Heterogênea Quíímicamica
� Reutilização dos catalisadores;
� Melhor separação dos produtos finais (↑↑ pureza do glicerolpureza do glicerol);
� Aplicação em modo batelada e contínuo (reator de leito fixo);
� Catalisadores áácidos e bcidos e báásicossicos/aplicação em altas e baixas altas e baixas
temperaturastemperaturas;
� Estudos de reutilização e possível lixiviação no meio reacional;
� Diferentes metodologias de síntese e diversos materiais.
Simultânea esterificaSimultânea esterificaçção e ão e transesterificatransesterificaççãoão
CatCatáálise Heterogênea Enzimlise Heterogênea Enzimááticatica
�� Facilidade de Facilidade de separaseparaççãoão do catalisador e possibilidade de do catalisador e possibilidade de
reutilizareutilizaçção (não (núúmero de ciclos)mero de ciclos);;
�� ↑↑ pureza dos produtos;pureza dos produtos;
�� Efeito das variEfeito das variááveis operacionais;veis operacionais;
�� Necessita Necessita áágua para a reagua para a reaçção (0,1 a 20%).ão (0,1 a 20%).
↑↑custo das enzimas comerciais;custo das enzimas comerciais;
↑↑tempos de reatempos de reaçção (comparando com a catão (comparando com a catáálise alcalina);lise alcalina);
PossPossíível desativavel desativaçção das enzimas pelos alcoão das enzimas pelos alcoóóis e glicerol is e glicerol
((↓↓ ReutilizaReutilizaçção das Enzimas).ão das Enzimas).
INCONVENIENTESINCONVENIENTES
InsensInsensíível a vel a áágua gua e AGLse AGLs
Solventes Solventes OrgânicosOrgânicos
Fluidos Fluidos PressurizadosPressurizados
�Diminuem as limitações de transferência de massa (↑interação entre enzima e substrato);
�Estabilidade e atividade em solventes orgânicos/Fluidos pressurizados. Propano pressurizadoPropano pressurizado
��Rendimento e tempo de reaRendimento e tempo de reaçção ão desfavordesfavorááveisveis quando quando comparados com a catcomparados com a catáálise alcalina.lise alcalina.
Diagrama PT para uma substância pura.
- Propriedades de Fluidos:
↑ Solubilidade ↓ Densidade
↓ Viscosidade ↑ Difusividade
Processo Alternativo para Processo Alternativo para
ProduProduçção de Biodieselão de Biodiesel
MMéétodo não cataltodo não catalííticoticoÁlcool em condições sub- ou
supercríticas
Sem restrições em relação a teor de
água e ácidos graxos
MMÉÉTODO TODO NÃO CATALNÃO CATALÍÍTICOTICO
↑ solubilidade entre as fases
Separação facilitada dos produtose do solvente
Não há custocom catalisador
↓ tempo de reação
↑ conversões
CaracterCaracteríísticas do Msticas do Méétodotodo
Pureza dos produtos da reação
↑↑ TemperaturaTemperatura
↑↑ PressãoPressão
Simultânea transesterificação, hidrólise e esterificação.
Degradação térmica/Reações Paralelas
PROCESSO BATELADAPROCESSO BATELADA
PROCESSO CONTPROCESSO CONTÍÍNUONUO
Legenda – (MR) Mistura reacional, (AG) agitador mecânico, (BI) bomba isocrática, V1 (válvula de alimentação), (AD) Sistema de aquisição de dados, (RT) reator tubular, (T1 e T2) indicadores de temperatura, (SR) sistema de resfriamento, (V2) válvula de controle de pressão e amostragem.
Efeito da TemperaturaEfeito da Temperatura
Processo Batelada – 1:42 (óleo:metanol); 20 MPa.
Processo Contínuo – 1:20 (óleo:etanol); 20 MPa.
Efeito da Razão Molar (Efeito da Razão Molar (óóleo:leo:áálcool)lcool)
Processo Batelada –350 0C; 20 MPa.
Processo Contínuo – 350 0C; 20 MPa.
Efeito da PressãoEfeito da Pressão
Processo Contínuo – 1:40 (óleo:metanol) e 25 minutos.
Processo Contínuo – 1:20 (óleo:etanol) e 325 0C.
Efeito do Teor de Efeito do Teor de ÁÁguagua
Processo Batelada –350 0C; 1:40 (óleo:etanol); 20 MPa.
Processo Contínuo – 325 0C; 1:40 (óleo:etanol); 20 MPa.
21 28 42 52.5
Residence time (min)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
FA
EE
yie
ld (
wt%
)
0 wt% 5 wt% 10 wt%
(b)
Efeito do Teor de AGLsEfeito do Teor de AGLs
Processo Batelada –350 0C; 1:40 (óleo:etanol); 20 MPa.
Processo Contínuo –350 0C; 1:40 (óleo:etanol); 20 MPa.
Outros estudosOutros estudos: microreatores, reatores em s: microreatores, reatores em séérie, reator rie, reator
com reciclo, reatores empacotados.com reciclo, reatores empacotados.
DIDIÓÓXIDO DE CARBONOXIDO DE CARBONOPROPANOPROPANO
UtilizaUtilizaçção de cosolventesão de cosolventes
Processo em Duas Etapas ReacionaisProcesso em Duas Etapas Reacionais
��EsterificaEsterificaçção e transesterificaão e transesterificaçção;ão;
-- CinCinéética de esterificatica de esterificaçção mais rão mais ráápida que a transesterificapida que a transesterificaçção;ão;
-- Reduzir os teores de AGLs para <1%.Reduzir os teores de AGLs para <1%.
��HidrHidróólise e esterificalise e esterificaçção ão (hidroesterifica(hidroesterificaçção).ão).
Glicerol com elevada pureza.Glicerol com elevada pureza.
TTéécnicas de Intensificacnicas de Intensificaçção do Processoão do Processo
�� Desenvolvimento de tecnologias cientDesenvolvimento de tecnologias cientííficas para ficas para melhorar o avanmelhorar o avançço do processoo do processo
�� IrradiaIrradiaçção ultrassônica;ão ultrassônica;
�� Microondas;Microondas;
ULTRASSOMULTRASSOM
�Fornece a energia mecânica para a
mistura e a energia de ativação
necessária para iniciar a reação
(cavitação gera condições de
intensa turbulência e circulação
dos líquidos).
↓↓ o tempo de reao tempo de reaçção ão ↑↑ rendimentorendimento
� Cavitações (formação, aumento e
implosão de bolhas no meio
reacional) geradas pelo ultrassom
aumentam a solubilidade entre os
reagentes
↓↓ quantidade de quantidade de áálcool lcool
↓↓ % de catalisador % de catalisador
↑↑ taxa de reataxa de reaçção.ão.
MICROONDASMICROONDAS
� ↓ consumo de energia (23 vezes menor do que os métodos
convencionais);
�Sistema de transferência de calor mais eficiente (aquecimento direto
do material – aquecimento rápido e uniforme do fluido).
↓tempo de reação
↓ quantidade de álcool
↑ rendimentos
Processos Integrados (ReaProcessos Integrados (Reaçção in situ)ão in situ)
�� Elimina a etapa de extraElimina a etapa de extraçção e o ão e o áálcool funciona como lcool funciona como solventesolventeextratorextrator e e rreagenteeagente;;
--AdiAdiçção de cosolvente;ão de cosolvente;
UtilizaUtilizaçção de diferentes tão de diferentes téécnicas:cnicas:
-- ExtraExtraçção/reaão/reaçção com Fluidos em condião com Fluidos em condiçções ões supercrsupercrííticasticas (CO(CO22, , propano + propano + áálcool);lcool);
-- ExtraExtraçção com Lão com Lííquidos quidos PressurizadosPressurizados ((áálcool + cosolvente);lcool + cosolvente);
-- ExtraExtraçção Assistida por ão Assistida por ultrassomultrassom;;
-- ExtraExtraçção a ão a baixa pressãobaixa pressão..
Diversos catalisadores:Diversos catalisadores: EnzimEnzimááticos, quticos, quíímicos homogêneos, micos homogêneos,
ququíímicos heterogêneos e não catalmicos heterogêneos e não catalíítico.tico.
EspecificaEspecificaçções do biodiesel:ões do biodiesel:
RESOLURESOLUÇÇÃO NÃO Nºº 14, DE 11 DE MAIO 14, DE 11 DE MAIO
DE 2012 (ANP).DE 2012 (ANP).
�Parâmetros e métodos;
�Densidade/viscosidade/teor de ésteres (96,5%)/acidez/glicerina
livre/glicerina total.
Contato: [email protected]: [email protected]