Produção de biodiesel a partir de matéria-prima com alto teor de acidez: modelagem cinética e termodinâmica, simulação e otimização
| Ano de defesa: | 2022 |
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| Orientador(a): | |
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| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil Engenharia Química UFSM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química Centro de Tecnologia |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/27534 |
Resumo: | This work proposes to investigate the methyl esters production through the transesterification reaction of oleic acid with methyl acetate catalyzed by niobium phosphate. For the autogenous batch reaction system, at high temperatures and pressures, a mathematical model was proposed considering simultaneously the influences of the compounds volatilization, reaction kinetics, phase equilibrium and chemical equilibrium. Different kinetic and thermodynamic modeling approaches were applied, tested and had their parameters estimated. Experimental data under conditions of coexistence of vapor-liquid phases were obtained by varying the temperature, molar ratio and initial reaction volume. The hypotheses adopted by the model were statistically evaluated, moreover, the main hypothesis about the influence of volatilization being very relevant to guarantee the adjustment of the model, whose use proved to be necessary mainly in experimental conditions with different initial ratios of reaction volume/headspace. The first order reversible pseudo-homogeneous model concomitantly with the thermodynamic model of the “φ-φ” type using the Peng-Robinson equation of state and the van der Waals mixing rule with two binary interaction parameters was able to represent the experimental data. Afterwards, to overcome the chemical equilibrium limitation to the system, a two-step sequential process (reaction and separation) was proposed, studied and had its operational conditions optimized. The optimization procedure was carried out using the proposed mathematical model and aiming at the highest productivity of the intensification process, so that, at the end, it was obtained the requirement of a biodiesel standard content of free fatty methyl esters (96.5% m/m). In the end, the optimal productivity values and their optimal operating conditions were presented and had experimental data to validate them. In this way, the proposed intensification process proved to be a viable and effective alternative for the production of biodiesel with the minimum specification of esters from the heterogeneous transesterification of oleic acid and methyl acetate. |
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Produção de biodiesel a partir de matéria-prima com alto teor de acidez: modelagem cinética e termodinâmica, simulação e otimizaçãoBiodiesel production from high acidity feedstocks: kinetic and thermodynamic modeling, simulation and optimizationEstimação de parâmetrosAcetato de metilaÁcido graxoFosfato de nióbioIntensificação de processoParameter estimationMethyl acetateFree fatty acidNiobium phosphateProcess intensificationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAThis work proposes to investigate the methyl esters production through the transesterification reaction of oleic acid with methyl acetate catalyzed by niobium phosphate. For the autogenous batch reaction system, at high temperatures and pressures, a mathematical model was proposed considering simultaneously the influences of the compounds volatilization, reaction kinetics, phase equilibrium and chemical equilibrium. Different kinetic and thermodynamic modeling approaches were applied, tested and had their parameters estimated. Experimental data under conditions of coexistence of vapor-liquid phases were obtained by varying the temperature, molar ratio and initial reaction volume. The hypotheses adopted by the model were statistically evaluated, moreover, the main hypothesis about the influence of volatilization being very relevant to guarantee the adjustment of the model, whose use proved to be necessary mainly in experimental conditions with different initial ratios of reaction volume/headspace. The first order reversible pseudo-homogeneous model concomitantly with the thermodynamic model of the “φ-φ” type using the Peng-Robinson equation of state and the van der Waals mixing rule with two binary interaction parameters was able to represent the experimental data. Afterwards, to overcome the chemical equilibrium limitation to the system, a two-step sequential process (reaction and separation) was proposed, studied and had its operational conditions optimized. The optimization procedure was carried out using the proposed mathematical model and aiming at the highest productivity of the intensification process, so that, at the end, it was obtained the requirement of a biodiesel standard content of free fatty methyl esters (96.5% m/m). In the end, the optimal productivity values and their optimal operating conditions were presented and had experimental data to validate them. In this way, the proposed intensification process proved to be a viable and effective alternative for the production of biodiesel with the minimum specification of esters from the heterogeneous transesterification of oleic acid and methyl acetate.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESEste trabalho propõe investigar a produção de ésteres metílicos através da reação de transesterificação de ácido oleico com acetato de metila catalisada por fosfato de nióbio. Para o sistema reacional batelada autógeno, sob altas temperaturas e pressões autógenas, foi proposto um modelo matemático considerando simultaneamente as influências da volatilização dos compostos, da cinética de reação, do equilíbrio de fases e do equilíbrio químico. Diferentes abordagens de modelagem cinética e termodinâmica foram aplicadas, testadas e tiveram seus parâmetros estimados. Os dados experimentais nas condições de coexistência de fases líquido-vapor foram obtidos variando a temperatura, razão molar e volume de reação inicial. As hipóteses adotadas pelo modelo foram estatisticamente avaliadas, sendo a principal hipótese acerca da influência da volatilização muito relevante para garantir o ajuste do modelo, cujo uso se mostrou necessário principalmente em condições experimentais com diferentes razões iniciais de volume de reação/headspace. O modelo pseudo-homogêneo reversível de primeira ordem concomitantemente com o modelo termodinâmico do tipo “φ-φ” utilizando a equação de estado de Peng-Robinson e regra de mistura a dois parâmetros de van der Waals foi capaz de representar bem os dados experimentais. Após, objetivando sobrepor a forte limitação do equilíbrio químico ao sistema, um processo sequencial de duas etapas (reação e separação) foi proposto, estudado e teve suas condições operacionais otimizadas. O procedimento de otimização foi realizado utilizando o modelo matemático proposto e objetivando a maior produtividade do processo de intensificação, de forma que ao final se obtivesse o teor mínimo padrão do biodiesel de 96,5% m/m de ésteres metílicos de ácidos graxos. Ao final, os valores ótimos de produtividade e suas condições operacionais ótimas foram apresentadas e tiveram dados experimentais que as validassem. Desta maneira, o processo de intensificação proposto se mostrou como alternativa viável e eficaz para a produção de biodiesel com a especificação mínima de ésteres a partir da transesterificação heterogênea de ácido oleico e acetato de metila.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia QuímicaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaCentro de TecnologiaCastilhos, Fernanda dehttp://lattes.cnpq.br/4590978604104577Visioli, Luiz JardelCancelier, AdrianoSilveira, Christian Luiz daPontes, Karen ValverdeSilveira Junior, Nauro daBrondani, Leoni Nogueira2023-01-10T11:57:30Z2023-01-10T11:57:30Z2022-08-25info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/27534ark:/26339/001300000kbmhporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2023-01-10T11:57:30Zoai:repositorio.ufsm.br:1/27534Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2023-01-10T11:57:30Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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This work proposes to investigate the methyl esters production through the transesterification reaction of oleic acid with methyl acetate catalyzed by niobium phosphate. For the autogenous batch reaction system, at high temperatures and pressures, a mathematical model was proposed considering simultaneously the influences of the compounds volatilization, reaction kinetics, phase equilibrium and chemical equilibrium. Different kinetic and thermodynamic modeling approaches were applied, tested and had their parameters estimated. Experimental data under conditions of coexistence of vapor-liquid phases were obtained by varying the temperature, molar ratio and initial reaction volume. The hypotheses adopted by the model were statistically evaluated, moreover, the main hypothesis about the influence of volatilization being very relevant to guarantee the adjustment of the model, whose use proved to be necessary mainly in experimental conditions with different initial ratios of reaction volume/headspace. The first order reversible pseudo-homogeneous model concomitantly with the thermodynamic model of the “φ-φ” type using the Peng-Robinson equation of state and the van der Waals mixing rule with two binary interaction parameters was able to represent the experimental data. Afterwards, to overcome the chemical equilibrium limitation to the system, a two-step sequential process (reaction and separation) was proposed, studied and had its operational conditions optimized. The optimization procedure was carried out using the proposed mathematical model and aiming at the highest productivity of the intensification process, so that, at the end, it was obtained the requirement of a biodiesel standard content of free fatty methyl esters (96.5% m/m). In the end, the optimal productivity values and their optimal operating conditions were presented and had experimental data to validate them. In this way, the proposed intensification process proved to be a viable and effective alternative for the production of biodiesel with the minimum specification of esters from the heterogeneous transesterification of oleic acid and methyl acetate. |
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