Projeto Conceitual de Uma Planta Química de Produção de
Dimetil-Éter a partir de Resíduos Agrícolas no RS
Luz, N.C. (FURG) ; de La Rocha, M.R. (FURG) ; Silva, A.V. (FURG) ; Pereira Filho, R.D. (FURG)
RESUMO
O Brasil é um grande gerador de resíduos de colheita, potencial matéria-prima do DME, biocombustível que emite menores teores de gases de efeito estufa e chuva ácida. Uma unidade de produção de DME utilizando resíduos agrícolas foi proposta no município de Capão do Leão (RS) através de estudos de viabilidade técnico- econômica e ambiental. As tecnologias das rotas direta e indireta de obtenção de DME foram consideradas. Uma matriz de decisão apontou a rota indireta como mais vantajosa, devido a maiores conversões de DME, além de menores custos, constatados por avaliação econômica. O balanço material do processo foi dividido em duas etapas, primeiramente o sistema de gaseificação, simulado em Excel, e o restante do processo, desenvolvido no software Hysys.
PALAVRAS CHAVES
dimetil éter; biocombustível; resíduos agrícolas
INTRODUÇÃO
A necessidade de fontes de energia alternativas, que não prejudiquem o meio ambiente, é cada vez maior. Dentro deste contexto, combustíveis como o Dimetil- Éter (DME) se destacam, pois podem ser produzidos a partir de matérias-primas renováveis e liberam uma quantidade menor de gases causadores do efeito estufa e da chuva ácida durante sua combustão, quando comparados a combustíveis derivados do petróleo. O DME pode também ser misturado ao gás liquefeito de petróleo (GLP), devido a possuírem características físicas semelhantes e devido as propriedades biodegradáveis do DME este não apresenta risco de contaminação ao meio ambiente, o que o leva a contar com amplo investimento em alguns países onde já é utilizado como combustível automotivo, para geração de energia elétrica e em aplicações industriais e domésticas, tais como aquecimento e cocção. Além disso, o DME pode ser obtido a partir de fontes abundantes não-renováveis assim como diferentes tipos de biomassa, por exemplo os resíduos agrícolas. Tais resíduos representam uma matéria-prima viável para a produção de DME, afinal, são a parte da colheita que não satisfaz os requisitos de qualidade mínima para serem comercializados ou utilizados na pecuária e muitas vezes, acabam sendo incinerados, liberando partículas e gases poluidores para a atmosfera. O objetivo deste trabalho foi realizar a análise da viabilidade técnica, econômica e ambiental para a implantação de uma unidade de produção de dimetil- éter a partir de resíduos agrícolas no estado do Rio Grande do Sul, através do uso da metodologia de projeto conceitual de plantas químicas, pela proposição de um fluxograma de processo, realização de balanços materiais e simulação em estado estacionário do processo proposto, usando o software Hysys.
MATERIAL E MÉTODOS
Foi feita uma avaliação sobre a disponibilidade de matérias-primas pós-colheita no RS, para a produção do DME, através de dados dos anos de 2005 a 2010 fornecidos pelo IBGE(2010). Em seguida avaliou-se a melhor localização para a planta da unidade. Nessa etapa consideraram-se itens como existência de transporte para a biomassa, mão de obra, terreno e disponibilidade de água, conforme Peters(2002). Após, estudou-se as alternativas de rotas químicas para produção do combustível. Dentre as rotas analisadas, comparou-se a rota direta onde o DME é produzido a partir do gás de síntese obtido pela gaseificação da biomassa e a rota indireta em que o metanol é produzido a partir do gás de síntese para, posteriormente, DME ser obtido, conforme Endo(2009). Através de uma análise de projetos realizados em todo mundo, fez-se uma avaliação técnica e econômica sobre a rota química mais vantajosa. Então, aplicando as metodologias da literatura clássica de processos químicos, de Douglas (1988) e Peters(2002) foi proposto um fluxograma
qualitativo para a produção do DME o qual foi dividido em duas etapas: a primeira formada pelo sistema de gaseificação onde a biomassa é convertida a gás de síntese e a segunda formada pela síntese e purificação do metanol e do DME. Para a realização da simulação do processo utilizou-se a planilha eletrônica Microsoft Excel 2010 e o simulador de processos químicos Aspen HYSYS versão 3.0.1. Usando o Excel foi construída uma base de informações, contendo propriedades físico-químicas (NIST-2012). Com o auxílio do Aspen Hysys, foram construídos cenários de simulação para as configurações de unidade propostas, com o intuito de avaliar os efeitos das condições operacionais da planta.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Após a avaliação teórica da composição dos resíduos agrícolas, decidiu-se supor, para fins conceituais (DOUGLAS, 1988) o uso de resíduos das culturas de milho, trigo, soja e arroz, da microrregião da campanha ocidental no RS (IBGE, 2012) e que devem ser transportados até Capão do Leão. O DME produzido seria destinado à mistura DME/GLP, já em uso em alguns países com até 30% do biocombustível (ENDO, 2009). A rota química esmais vantajosa para a produção é a indireta, pois possui tecnologia mais madura e maiores conversões a custos mais baixos que a rota direta, conforme Kim(2010). No sistema de gaseificação, o gaseificador do tipo co-corrente é alimentado com O2 purificado, através de uma membrana, e com os resíduos agrícolas, em forma de briquetes, em fluxo descendente a uma taxa de 0,55 kg de O2/kg de resíduos. Após a conversão dos resíduos a gás de síntese, de composição molar 0,0312 CH4, 0,4062 CO, 0,1875 CO2, 0,2812 H2 e 0,0939 H2O, os sólidos em suspensão são removidos através de um ciclone. A composição do gás de síntese resultante dos estudos de simulação computacional no Hysys é compatível com as necessidades para o processo de síntese de DME, conforme Kim(2010). Na etapa de síntese do intermediário, o
metanol, um reator multitubular é alimentado com o gás de síntese e a
reação,CO(g)+2H2(g)↔CH3OH(g), ocorre em condições mais favoráveis à conversão e ao catalisador Cu/ZnO/Al2O3, a 220°C e 9 MPa. A síntese do DME ocorre pela reação 2CH3OH(g)↔CH3OCH3(g)+ H2O(g)em reator de leito fixo adiabático que, segundo Cordeiro (2007), possui conversão por passe de 80% para a reação fortemente exotérmica. A planta industrial produzirá 0,14 kg de DME/kg de resíduo a uma pureza 99,7% molar, operando a 250 ºC e 1,5 MPa, condições determinadas nos ensaios de simulação.
Balanço material do sistema de gaseificação
Balanço material, desenvolvido em Excel, para o processo de obtenção do gás de síntese a partir da gaseificação dos resíduos agrícolas.
Fluxograma detalhado da simulação, no Hysys, do processo de obtenção do dimetil éter a partir do gás de síntese oriundo da gaseificação.
CONCLUSÕES
Foi avaliada a produção de DME, em uma unidade em Capão do Leão-RS, a qual compreende a gaseificação de resíduos agrícolas a de gás de síntese e posterior síntese de DME. Para a gaseificação, é utilizado um gaseificador co-corrente alimentado com resíduos e oxigênio a uma taxa de 0,55 kg de O2/kg de resíduo e com conversão de gaseificador de 99% . A segunda etapa do processo apresenta sistemas de separação composto de separadores flash para recuperação dos gases e colunas de refino do DME e recuperação do metanol não reagido, obteve-se purezas de 88,8% para o metanol e 94,5% para o DME.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA
CORDEIRO, F. A.; Diseño de la Unidad de Separación de la Corriente Dimetil Éter, Metanol y Água Proveniente de una Planta Productora de DME Mediante la Deshidratación Catalítica de Metanol, Univ. de Cadiz, 2007.
DOUGLAS, J. M.; Conceptual Design of Chemical Process. McGraw-Hill, 1988. IBGE, Levantamento Sistemático da Produção Agrícola, disponível em http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/indicadores/agropecuaria/lspa/
KIM, I. H.; KIM, S., CHO, W.; YOON, E. S.; Simulation of Commercial Dimethyl Ether Production Plant,Computer Aided Chemical Engineering, 28, pp. 799-804, 2010.
NIST, Base de dados de Referência padrão do NIST número 69, disponível em http://webbook.nist.gov/chemistry/
PETERS, M.; TIMMERHAUS, K., Plant Design and Economics for Chemical Engineers. Mc graw Hill International Editions, 2002.
