Simulação e otimização de processos para obtenção de biocombustíveis : etanol, bioquerosene de aviação e diesel verde

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: CAVALCANTI, Cláudia Jéssica da Silva
Orientador(a): PIMENTEL, Maria Fernanda, STRAGEVITCH, Luiz
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Pernambuco
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pos Graduacao em Engenharia Quimica
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Brasil
Palavras-chave em Português:
Engenharia química
Biocombustível de aviação
Diesel verde
Energia
Etanol
Hidrogênio
Líquido iônico
Link de acesso: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/48258
Resumo: PIMENTEL, Maria Fernanda, também é conhecida em citações bibliográficas por: AVELAR, Maria Fernanda Pimentel
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O Brasil destaca-se nessa transição graças à implementação da Política Nacional de Biocombustíveis e à produção crescente de biocombustíveis, que constituem uma alternativa ambientalmente mais sustentável que os combustíveis fósseis. Levando em consideração que o país é o segundo maior produtor mundial de biocombustível líquido, este trabalho investigou três novos processos: desidratação de etanol utilizando líquidos iônicos (LI) como solventes, conversão de etanol em biocombustível de aviação e hidrogenação de óleo de soja para produção de diesel verde. Todos os processos foram simulados com o Aspen Plus® com base em dados disponíveis na literatura. A desidratação do etanol foi estudada para os LI cloreto de 1-metilimidazólio ([Mim][Cl]), cloreto de 1-etil-3-metilimidazólio ([Emim][Cl]), cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio ([Bmim][Cl]) e cloreto de 1-hexil-3-metilimidazólio ([Hmim][Cl]) por meio da destilação extrativa. As melhores configurações do processo foram definidas através de planejamentos experimentais e da função desejabilidade, a fim de maximizar a pureza do etanol anidro combustível (EAC) e minimizar o consumo energético. O menor consumo energético entre os LI apresentados foi observado para o LI [Mim][Cl] (1665 kJ/kg de EAC) seguido por [Emim][Cl] < [Hmim][Cl] < [Bmim][Cl]. Em todos os casos, a pureza do EAC foi maior que 99,3 % em massa, apresentando alta recuperação do LI, reduzindo assim sua reposição no processo. O segundo processo investigou a produção de biocombustível de aviação a partir de etanol por meio da integração do processo em uma biorrefinaria. Foram propostas melhorias na planta do processo que resultou em uma economia energética de 22 e 41 %, na safra e entressafra respectivamente, e ainda foram mantidas as especificações de qualidade dos combustíveis produzidos. Além disso, foi proposto um processo de eletrólise microbiana (EM) para produção de hidrogênio a partir de resíduos da biorrefinaria (vinhaça). A simulação da EM resultou em um excedente de 15 % de hidrogênio, que pode ser reaproveitado e integrado nos ciclos de calor e energia do próprio processo. O último processo investigado foi a hidrogenação do óleo de soja brasileiro para produzir diesel verde. As reações de descarboxilação, descarbonilação e hidrodesoxigenação foram realizadas em um reator estequiométrico na presença do catalisador NiMo/Al2O3. Também foram consideradas reações de craqueamento, e o fracionamento produziu diesel verde e também frações de gasolina de aviação e gases leves. Por meio de análises de sensibilidade, foram obtidos os melhores resultados para a coluna de destilação com 22 estágios, alimentação no estágio 12 e razão de refluxo igual a 0,8. A razão hidrogênio/óleo foi de 0,031. A energia utilizada no processo foi de 1181 kW/h e mais de 80 % do óleo de soja foram convertidos, sendo aproximadamente 65 % em diesel verde. Além disso, foi feita uma previsão das propriedades físico-químicas simuladas e comparadas com a legislação vigente para diesel verde obtendo valores dentro das especificações. Desta maneira, esta Tese apresentou a viabilidade de novas tecnologias para fortalecer a produção e o uso de biocombustíveis.CAPESThe world energy sector has entered a new scenario where renewable sources gain more space in the energy matrix. Brazil stands out in this transition due to the implementation of the National Biofuels Policy and the growing production of biofuels, an environmentally more sustainable alternative to fossil fuels. Taking into account that the country is the second largest producer of liquid biofuel in the world, this work investigated three new processes: dehydration of ethanol using ionic liquids (IL) as solvents, conversion of ethanol into aviation biofuel and hydrogenation of soybean oil for production of green diesel. All processes were simulated with Aspen Plus® based on data available in the literature. Ethanol dehydration was studied for IL 1- methylimidazolium chloride ([Mim][Cl]), 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([Emim][Cl]), 1-butyl-3-methylimidazolium ([Bmim][Cl]) and 1-hexyl-3- methylimidazolium chloride ([Hmim][Cl]) by extractive distillation. The best process settings were defined through experimental designs and the desirability function, in order to maximize the purity of anhydrous ethanol fuel (AEF) and minimize energy consumption. The lowest energy consumption among the presented LIs was observed for LI [Mim][Cl] (1665 kJ/kg of AEF) followed by [Emim][Cl] < [Hmim][Cl] < [Bmim][Cl]. In all cases, the AEF purity was greater than 99.3 % by mass, showing a high recovery of LI, thus reducing its replacement in the process. The second process investigated the production of aviation biofuel from ethanol through the integration of the process in a biorefinery. Improvements were proposed in the production process, resulting in energy savings of 22 and 41 %, in the sugarcane harvest season and off-season respectively, maintaining the quality specifications of the fuels produced. In addition, a microbial electrolysis (ME) process was proposed to produce hydrogen from biorefinery residues (vinasse). The ME simulation resulted in a 15 % surplus of hydrogen, which can be reused and integrated into the heat and energy cycles of the process itself. The final process investigated was the hydrogenation of Brazilian soybean oil to produce green diesel. The decarboxylation, decarbonylation and hydrodeoxygenation reactions were carried out in a stoichiometric reactor in the presence of an NiMo/Al2O3 catalyst. Cracking reactions were also considered, and the fractionation produced green diesel and also fractions of aviation gasoline and light gases. Through sensitivity analysis, the best results were obtained for the distillation column with 22 stages, feed in stage 12 and reflux ratio equal to 0.8. The hydrogen/oil ratio was 0.031. The energy used in the process was 1181 kW/h. More than 80 % of the soybean oil was converted, with about 65 % into green diesel. In addition, a prediction of the simulated physical-chemical properties was made and compared with the current legislation for green diesel, obtaining values within the specifications. This thesis presents the feasibility of new technologies to strengthen the production and use of biofuels.porUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em Engenharia QuimicaUFPEBrasilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessEngenharia químicaBiocombustível de aviaçãoDiesel verdeEnergiaEtanolHidrogênioLíquido iônicoSimulação e otimização de processos para obtenção de biocombustíveis : etanol, bioquerosene de aviação e diesel verdeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisdoutoradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPEORIGINALTESE Claudia Jessica da Silva Cavalcanti.pdfTESE Claudia Jessica da Silva Cavalcanti.pdfapplication/pdf1432853https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/48258/1/TESE%20Claudia%20Jessica%20da%20Silva%20Cavalcanti.pdf0aa91cac8de7862d053ce624c92dce8fMD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; 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