Produção de biodiesel em reator de atomização

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Deus, Marcell Santana de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil
UFRN
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58343
Resumo: Biodiesel is an alternative fuel widely used for partial or total replacement of fossil fuels. Although biodiesel production is undoubtedly a mature technology, there are still ways to improve it, especially through the process intensification. So, the present study investigated the esterification of oleic acid with ethanol and the transesterification of sunflower oil with ethanol for biodiesel production in a non-conventional atomization reactor. The effects of the oleic acid and sunflower oil flow rates, atomization pressure, temperature and catalyst concentration were evaluated. A mathematical model was also developed to describe the conversion of oleic acid to ethyl ester as a function of molar concentration of components and operating conditions of the reactor. A hybrid estimation of parameters (activation energy, pre-exponential factor, equilibrium constants, and solubility) was performed. In the esterification, the Pareto analysis has shown that the increase of temperature in the reactor and the increase of atomization pressure have improved the conversion of oleic acid. Higher pressure values in the atomization vessel led to the generation of small oleic acid and sunflower oil droplets, which accelerated reagent consumption during the reaction. On the other hand, conversion values are reduced by increasing oleic acid flow rate. In the transesterification, it was observed that the flow rate had a negative effect and, the pressure had a positive effect on the conversion of sunflower oil. Droplet size distribution analysis showed that increasing pressure in the atomization chamber led to a reduction in droplet size, which explains the effects on ethyl ester conversion. The highest conversion of oleic acid was obtained under the following reaction conditions: 70 ◦C, 1.5 bar, oleic acid flow rate equal to 1.3 g/min using 0.6% catalyst, and 2 h of reaction time. In the transesterification, conversions of 98.3% were obtained with a flow rate of 3 g/min of sunflower oil at 50 ◦C, 1.5 bar and 1.0% of catalyst in 1 h. The mathematical model achieved good fit with independent experimental data and the parameters obtained from the hybrid estimation strategy were in accordance with the literature.
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A hybrid estimation of parameters (activation energy, pre-exponential factor, equilibrium constants, and solubility) was performed. In the esterification, the Pareto analysis has shown that the increase of temperature in the reactor and the increase of atomization pressure have improved the conversion of oleic acid. Higher pressure values in the atomization vessel led to the generation of small oleic acid and sunflower oil droplets, which accelerated reagent consumption during the reaction. On the other hand, conversion values are reduced by increasing oleic acid flow rate. In the transesterification, it was observed that the flow rate had a negative effect and, the pressure had a positive effect on the conversion of sunflower oil. Droplet size distribution analysis showed that increasing pressure in the atomization chamber led to a reduction in droplet size, which explains the effects on ethyl ester conversion. The highest conversion of oleic acid was obtained under the following reaction conditions: 70 ◦C, 1.5 bar, oleic acid flow rate equal to 1.3 g/min using 0.6% catalyst, and 2 h of reaction time. In the transesterification, conversions of 98.3% were obtained with a flow rate of 3 g/min of sunflower oil at 50 ◦C, 1.5 bar and 1.0% of catalyst in 1 h. The mathematical model achieved good fit with independent experimental data and the parameters obtained from the hybrid estimation strategy were in accordance with the literature.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqO biodiesel é uma alternativa bastante utilizada em substituição parcial ou total dos combustíveis fósseis. Nesse sentido, vários métodos de intensificação vêm sendo estudados com o intuito de consolidar a produção de biodiesel. Os reatores de atomização são amplamente utilizados na indústria e podem intensificar diversos tipos de processos. Além disso, a modificação de reatores batelada para semibatelada por atomização é de fácil execução. Assim, o presente estudo investigou a produção de biodiesel pela esterificação de ácido oleico com etanol e pela transesterificação de óleo de girassol com etanol em um reator não convencional do tipo spray. Foi construído um sistema de atomização para avaliação dos efeitos da vazão de ácido oleico e óleo de girassol, pressão, temperatura e concentração de catalisador. Um modelo matemático foi desenvolvido para descrever a transformação do ácido oleico em éster etílico como função da concentração molar dos componentes e das condições operacionais do reator e do bico atomizador. Foi realizada a estimação dos parâmetros do modelo (energia de ativação, fator pré-exponencial, constantes de equilíbrio e dissolução). Na esterificação, a análise de Pareto mostrou que o aumento da temperatura no reator e da pressão de atomização melhoraram os valores de conversão. Por outro lado, o aumento da vazão de ácido oleico limitou os valores de conversão. Na transesterificação, foi observado que a vazão teve efeito negativo e a pressão efeito positivo na conversão do óleo de girassol. A análise de distribuição de tamanho das gotículas mostrou que o aumento de pressão na câmara de atomização levou a uma redução no tamanho das gotículas, o que explica os efeitos sobre a conversão em éster etílico. As condições reacionais que obtiveram a maior conversão de ácido oleico em éster etílico (86,7%) foram: 70 ◦C, 1,5 bar e 1,3 g/min utilizando 0,6% de catalisador e 2 h de tempo reacional. Na transesterificação, obteve-se conversões de 98,3% com vazão de 3 g/min de óleo de girassol a 50 ◦C, 1,5 bar e 1,0% de catalisador em 1 h. O modelo matemático apresentou bom ajuste aos resultados de experimentos independentes e os parâmetros obtidos pela estimação foram comparáveis àqueles da literatura. Assim, os resultados mostraram que a produção de biodiesel em reator de atomização é uma boa alternativa para intensificação desse processo.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICASouza, Domingos Fabiano de Santanahttp://lattes.cnpq.br/0836742195451577https://orcid.org/0000-0002-1594-6814http://lattes.cnpq.br/7400460833577257Oliveira, Jackson Araújo dehttp://lattes.cnpq.br/5058617634570704Jesus, Anderson Alles dePadilha, Carlos Eduardo de AraújoRuiz, Juan Alberto ChavezDeus, Marcell Santana de2024-05-16T11:47:04Z2024-05-16T11:47:04Z2023-10-27info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfDEUS, Marcell Santana de. Produção de biodiesel em reator de atomização. Orientador: Dr. Domingos Fabiano de Santana Souza. 2023. 98f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58343info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2024-05-16T11:47:41Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/58343Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2024-05-16T11:47:41Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false
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