SIMULAÇÃO NO PROGRAMA ASPEN PLUS ®

Neste item, serão descritas as metodologias utilizadas na simulação do equilíbrio de fases e na simulação da proposta de processo via catálise enzimática utilizando o software ASPEN Plus^® V10.

4.5.1 Método utilizado na simulação do equilíbrio de fases

Para a simulação do equilíbrio de fases no programa ASPEN Plus^®, foi feito o digrama ternário líquido-líquido, tendo como modelo termodinâmico o método UNIFAC modificado (UNIF MOD) para o sistema metanol, cossolvente (hexano ou terc-butanol) e óleo. O banco de dados utilizado foi o APV100 Biodiesel, que contempla a maior parte dos componentes presentes no meio reacional.

O UNIFAC é um modelo preditivo baseado em contribuições da estrutura molecular das substâncias (GMEHLING et.al., 1998). Nesta etapa, foi considerado somente a trilinoleína, por ser o ácido graxo de maior quantidade no óleo de soja (cerca de 55% em massa).

Com o objetivo de verificar a distribuição do metanol e do óleo nas fases após a adição de cossolvente, efetuou-se uma análise de sensitividade para diferentes quantidades de cossolvente adicionadas. A Figura 11 mostra o fluxograma que representa o sistema utilizado para a análise. Foi considerado o uso de um decantador a 25°C e 1 bar.

Figura 11 - Fluxograma da simulação do equilíbrio de fases

Fonte: Autora

Na corrente de entrada de óleo, foi considerado uma vazão de 10 kg/h, com 55% em massa de trilinoleína, 35% de trioleína e 15% de tripalmitina, baseadas na composição do óleo de soja. A corrente de metanol foi calculada pela função Calculator dentro do programa, com a vazão de óleo como variável importada e a vazão molar de metanol como uma variável exportada, de acordo com a Equação 43.

𝑄𝑀𝑜𝑙 (𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙) = 4 ∗ 𝑄_{𝑀𝑜𝑙 (ó𝑙𝑒𝑜)} (43)

Para calcular as diferentes quantidades em volume de cossolvente alimentada ao processo em relação ao volume de óleo, utilizou-se a função Design Specs dentro do ASPEN Plus^®.

Com as repostas das correntes obtidas, foi possível observar como o metanol se distribui pelas duas fases formadas. Isto foi feito pela construção do gráfico da %molar de metanol (em relação a quantidade total) na fase que contém óleo versus a razão volumétrica volume de óleo/volume de cossolvente.

4.5.2 Métodos utilizados na proposta do processo via catálise enzimática

Neste item, é descrito o desenvolvimento do modelo que representa o processo de produção de biodiesel no software ASPEN Plus^® V10. Para isto foi utilizado a metodologia de desenvolvimento conceitual de processos baseado em Turton et al. (2010). Assim como para estudar o equilíbrio de fases, na simulação do processo de produção de biodiesel, foi utilizado o modelo termodinâmico UNIFAC modificado.

A reação foi conduzida em um reator de conversão (RSTOIC) a 30°C e 1 bar. Para a alimentação do reator foi considerado os resultados experimentais, assim utilizou-se 10kg/h de óleo, com composição igual a 55% em massa de trilinoleína, 30% de tripalmitina e 15% de trilinoleína, razão molar de 4:1 metanol/óleo e razão volumétrica de 8:1 volume de óleo/volume de terc-butanol. As reações consideradas para o processo estão descritas nas equações 43, 44 e 45.

1 𝑇𝑟𝑖𝑙𝑖𝑛𝑜𝑙𝑒í𝑛𝑎 + 3 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 → 3 𝐿𝑖𝑛𝑜𝑙𝑒𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑖𝑙𝑎 + 1 𝐺𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑜𝑙 (43) 1 𝑇𝑟𝑖𝑝𝑎𝑙𝑚𝑖𝑡𝑖𝑛𝑎 + 3 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 → 3 𝑃𝑎𝑙𝑚𝑖𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑖𝑙𝑎 + 1 𝐺𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑜𝑙 (44) 1 𝑇𝑟𝑖𝑜𝑙𝑒í𝑛𝑎 + 3 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 → 3 𝑂𝑙𝑒𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑖𝑙𝑎 + 1 𝐺𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑜𝑙 (45)

A conversão utilizada foi de 76%, baseada nas conversões experimentais.

Na saída do reator, utilizou-se um pré-aquecedor, aquecendo a corrente até uma temperatura de 85°C, para a entrada o sistema de separação. A primeira etapa deste sistema é a separação do metanol e terc-butanol com a utilização de três flashs O primeiro especificando pressão de 1 bar e as pressões dos outros dois foram determinadas pela função Optimization, de modo a maximizar a recuperação dos álcoois, depois de calculadas, as pressões foram especificadas. Os três flashs também foram estabelecidos como adiabáticos e as fases válidas

como vapor-liquido-liquido. Saindo dos flashs, o metanol e terc-butanol são condensados até a totalidade e são reciclados ao reator.

A separação da glicerina foi simulada por uma coluna de extração, representando uma centrífuga, especificando que a glicerina sai pura desta etapa. A outra corrente que sai da centrífuga vai para uma coluna de destilação, as especificações da coluna estão demonstradas na Tabela 11.

Tabela 11 - Especificações da colune de destilação Coluna de destilação

Número estágios 11

Prato de alimentação 4

Prato saída de biodiesel 8

Pressão 50 mmHg

Razão de refluxo 12

Razão vazão de alim./saída do fundo 0,3167

Fonte: Autora

A razão da vazão de alimentação/vazão de saída do fundo da coluna foi calculada pela soma de trilinoleína, tripalmitina e trioleína que entram na coluna dividido pelo fluxo total da corrente na função Calculator do programa ASPEN Plus^®.

O óleo que sai do fundo da coluna foi utilizado para pré-aquecer a corrente que entra na coluna, especificando a diferença da temperatura de saída quente/fria em 5K, assim como a corrente que entra nos flashs.

O metanol e o terc-butanol, que saem no topo da coluna foram reciclados junto com as correntes que saem dos três flashs. E a alimentação do processo foi feita considerando as vazões de reciclo e as especificações do reator.

4.5.3 Métodos utilizados na comparação dos processos de separação

Depois de simulado, os processos de separação do processo enzimático proposto e do alcalino foram comparados. Isto foi feito, levando em conta as energias gastas nos processos.

O reator não foi considerado, pois o presente trabalho não considerou a cinética da reação na simulação do processo proposto.

Para obtenção das energias do processo alcalino foi utilizado um estudo de caso do ASPEN Plus^®. O fluxograma deste estudo de caso é o apresentado na Figura 10 e a descrição feita no item 3.4.

O gasto de água de resfriamento para os calores requeridos, foi calculado considerando uma diferença de temperatura de 15°C com a Equação 46, tal qual cp é o calor especifico da água (1 kcal/kg.°C), m é a massa de água em kg/h, 𝛥T é a diferença de temperatura de entrada e saída da água e Q é o calor requerido para cada processo em kcal/h.

𝑄 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ 𝛥𝑇 (46) A porcentagem de economia de energia do calor fornecido foi calculada segundo a Equação 47, tal qual, Qmaior é o maior calor dos dois processos e Qmenor é o menor.

% 𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 =^{𝑄𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 −𝑄𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟}

𝑄𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 ∗ 100 (47)