Ensaios experimentais

Os ensaios experimentais foram divididos em teste de vazão e teste de reação. Cada teste foi realizado tanto nos distribuidores de vazão como na unidade de escalonamento, que consiste dos distribuidores, da estrutura de suporte e dos milirreatores. Os ensaios experimentais foram realizados utilizando os equipamentos e materiais disponíveis no Laboratório de Processos Termofluidodinâmicos.

3.2.1 Materiais

Os materiais utilizados para os testes de vazão e reação de transesterificação foram o óleo de girassol da Campestre Indústria e Comércio de Óleos Vegetais Ltda (São Bernardo do Campo, Brazil) com índice de acidez de 0,04 mg de KOH por g de óleo, o etanol (99,5% PA) da Dinâmica®, o hidróxido de sódio P.A (microperolas) da Êxodo Científica® e o hexano P.A da Anidrol®.

3.2.2 Distribuidor de vazão

Os testes de vazão nos distribuidores foram realizados para os fluídos água, etanol, óleo de girassol e para a mistura de etanol e óleo de girassol, conforme as configurações

apresentadas nas Figuras 23 e 24a. O teste de vazão nos distribuidores foi realizado através do bombeamento do fluído contido em béqueres de 1L por tubulações flexíveis Masterflex® (Tygon Lab - L/S 17) utilizando duas bombas peristálticas Masterflex® L/S®, conforme as Figuras 23a, 23b e 23c. O distribuidor foi colocado em uma haste de suporte com o auxílio de uma garra, para mantê-lo nivelado durante todo o teste e para possibilitar a coleta das amostras. As vazões de teste de 50, 100, 120, 150, 170 e 200 mL min-1 foram ajustadas para cada uma das bombas e as vazões de saída foram medidas com o auxílio de provetas de 10 mL e cronômetro. As medidas de vazão das saídas do distribuidor foram realizadas em triplicatas a temperatura ambiente.

Figura 23. Aparato experimental para teste de vazão dos distribuidores: a) aparato geral para teste de vazão de água, b) teste de vazão de etanol e c) teste de vazão de óleo de girassol.

No teste de vazão no distribuidor para a mistura de etanol e óleo de girassol, as vazões ajustadas nas bombas correspondiam a uma razão molar etanol/óleo de 9. Portanto, as vazões de etanol de 30, 50, 100, 120, 150, 170 e 200 mL min-1 e as de óleo de girassol de 50, 90, 180, 220, 270, 310 e 360 mL min-1 foram ajustadas para cada uma das bombas. Sendo as vazões totais da mistura de 80, 140, 280, 340, 420, 480 e 560 mL

min-1. Como o etanol e óleo de girassol formam uma mistura imiscível, as frações volumétricas de cada espécie foram determinadas visualmente nas saídas do distribuidor com o auxílio de provetas de 10 mL e corante alimentício azul adicionado ao etanol, conforme a Figura 24b. As medidas de vazão nas saídas do distribuidor foram realizadas utilizando proveta de 10 mL e cronometro. Os valores apresentados são referentes a médias das triplicatas em temperatura ambiente.

Figura 24. Teste de vazão para a mistura de etanol e óleo de girassol: a) configuração de admissão dos fluídos e b) determinação visual da fração volumétrica de etanol para cada saída do distribuidor.

O teste de reação de transesterificação no distribuidor foi realizado para uma razão molar etanol/óleo de 9 e uma solução de etanol com 1% de hidróxido de sódio, de acordo com as condições apresentadas por Santana et al. (2017). As vazões de óleo de girassol e da solução referentes a razão molar de 9 e as temperaturas reacionais estão apresentadas na Tabela 3.

Tabela 3. Variáveis e os valores correspondentes dos testes de reação no distribuidor.

Variáveis Valores

Vazão da solução de etanol/NaOH (mL min-1) 30 200 Vazão de óleo de girassol (mL min-1) 50 360

Temperatura (°C) 25 50

A temperatura foi mantida constante durante a reação pela utilização de duas chapas de aquecimento (Modelos: Novatecnica e IKA® C-MAG HP7) para os béqueres contendo o óleo e a solução de etanol e hidróxido de sódio. Ao total foram realizados 4

ensaios variando a vazão e a temperatura, conforme a Tabela 3. As amostras da reação foram coletadas nas saídas dos distribuidores, em triplicata, e posteriormente analisadas.

3.2.3 Milirreator

A reação de transesterificação no milirreator ocorreu através do bombeamento de óleo e uma solução de etanol com hidróxido de sódio nos microcanais utilizando as bombas peristálticas, conforme Figura 25. Duas chapas de aquecimento foram utilizadas para manter a temperatura do óleo e da solução constantes durante a reação. Na Tabela 4 são apresentadas as condições de razão molar etanol/óleo, temperatura e concentração de catalisador utilizados nos ensaios de reação no milirreator considerando um tempo de residência de 10 s.

Figura 25. Aparato experimental geral utilizado nos ensaios de reação no milirreator.

Tabela 4. Conjunto de valores das variáveis testadas.

Variáveis Valores

Razão etanol/óleo 5, 7, 9,5, 12 e 14 Concentração de catalisador (%) 0,2, 0,46, 0,85, 1,25 e 1,5

Temperatura (°C) 25, 40, 50, 60 e 68 Vazão de etanol (mL min-1) 18, 23, 28, 32 e 35 Vazão de óleo de girassol (mL min-1) 57, 52, 47, 43 e 40

3.2.4 Microplanta química

Primeiramente realizou-se montagem e conexão das peças impressas para formar a microplanta, conforme a Figura 26. Através de tubos flexíveis Tygon Masterflex uniu- se as saídas dos distribuidores (cada uma com sua numeração correspondente) com as entradas dos milirreatores. Os milirreatores foram acoplados na estrutura de suporte. Todas as conexões foram seladas com adesivo plástico para PVC para impedir vazamento dos reagentes durante o teste. Nos distribuidores, uma das entradas foi responsável pela admissão do fluido no distribuidor e a outra permaneceu fechada.

Figura 26. Microplanta para a produção de biodiesel: a) bombas peristálticas; b) DCS26; c) DCO52; d) tubulações flexíveis Tygon; e) estrutura de suporte; f) milirreatores; g) solução etanol e hidróxido de sódio; h) óleo de girassol; i) chapas de aquecimento.

O teste de vazão na microplanta foi realizado para a mistura de etanol e óleo de girassol com o objetivo de determinar a fração volumétrica de etanol em cada milirreator. As vazões de 140 mL min-1 de etanol e de 160 mL min-1 de óleo de girassol foram ajustadas em cada uma das bombas, correspondentes a uma razão molar etanol/óleo de 14. As frações volumétricas de cada espécie na saída dos milirreatores foram determinadas visualmente com o auxílio de provetas de 10 mL e corante alimentício azul adicionado ao etanol, conforme Figura 24b. As medidas de vazão nas saídas do distribuidor foram realizadas utilizando proveta de 10 mL e cronometro. Os valores apresentados são referentes a médias das triplicatas.

A reação de transesterificação na microplanta foi realizada utilizando uma solução de etanol com 0,85% de NaOH a uma razão molar etanol/óleo de 14 a 50 °C. Inicialmente a solução de etanol e hidróxido de sódio e o óleo de girassol foram aquecidos a 50 °C com o auxílio de duas chapas de aquecimentos e bombeados a 140 mL min-1 e 160 mL

min-1, respectivamente. Os distribuidores DCS26 e DCO52 fizeram a distribuição da solução e do óleo de girassol, respectivamente, para os quatro milirreatores presentes na estrutura de suporte. As amostras da reação de transesterificação na microplanta foram coletadas nas saídas de cada milirreator em triplicatas e posteriormente analisadas.

3.2.5 Determinação da porcentagem de ésteres etílicos

O procedimento de coleta e preparação das amostras para determinação da quantidade de biodiesel foi o mesmo para os ensaios de reação no distribuidor, no milirreator e na microplanta. As amostras coletadas foram resfriadas em recipiente com gelo para interromper a reação. Após essa etapa, as amostras passaram por um processo de evaporação para eliminar o excesso de etanol em estufa a 105 °C. Em seguida as amostras foram centrifugadas (1000 rpm) por 20 minutos e armazenadas sob refrigeração. Depois foram diluídas em hexano em uma razão molar de 1:10. A identificação da quantidade de ésteres (biodiesel) nas amostras diluídas foi realizada por cromatográfica gasosa, com um detector de massa GC-2010 (Shimatzu) utilizando uma coluna capilar Stabilwax de 30 m, 0,25 mm diâmetro interno, 0,25 µm. Para a eletroionização, utilizou- se 70 eV e hélio como fase móvel a uma pressão de 15 psi, split 1/50, o injetor a 250 °C e o detector a 300 °C. A rampa de temperatura para a coluna foi: 50 °C durante 2 min, gradiente de 5 °C/min até atingir 180 °C, mantendo-se durante 5 min em 180 °C, gradiente de 5 °C/min até atingir 240 °C, totalizando 32 minutos de cromatografia. O volume injetado para cada análise foi de 1 µL. Os resultados foram expressos em percentagem de ésteres etílicos (FAEE), em relação à área dos picos dos ácidos graxos palmítico, linoleico e oleico, de acordo com a Equação 1.

𝐹𝐴𝐸𝐸 = ∑ 𝐴𝑖

∑ 𝐴. 100 (1)

em que ∑Ai é o somatório sobre todas as áreas de pico de ácidos graxos e ∑A é o somatório em todas as áreas de pico.