Modelagem, simulação e análise técnico-econômica de unidade de pirólise de cana-energia para produção de bio-óleo : comparação entre Aspen Plus e DWSIM

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Oliveira, Thomas Rafael de, 1993-
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: [s.n.]
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Aspen plus
Biomassa
Simulação computacional
Pirólise
Análise econômica
Biomass
Computer simulation
Pyrolysis
Economic analysis
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.12733/24842
Resumo: Orientador: Antonio Carlos Luz Lisbôa
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As frações mássicas dos componentes da matéria prima bem como dos produtos de cada reação foram dados por meio da caracterização de cada biomassa e dos seus produtos reacionais, bem como foram construídos pseudocomponentes (bio-óleo) e não-convencionais (biomassa) para avaliar o melhor conjunto de variáveis para simulação. Para pirólise com reator estequiométrico, 100 kg/h de cada biomassa+água (tratada como não-convencional) à 25 ºC e 1 bar entrou em um reator (RStoic) em temperaturas (450-550 ºC) e pressões manométricas (0 bar-39 bar), gerando biochar (tratado como biomassa torrificada), bio-óleo, e gases: CO/CO2 e H2. Os teores dos produtos foram compatíveis à literatura e a pirólise da Saccharum spontaneum à 450 ºC e 40 bar gerou o maior rendimento de líquidos (entre 50 %-60 %), com teor de água dentro do desejável (~27,80%). Uma análise de sensibilidade foi empregada no Aspen considerando reator cinético (RCSTR) e reação de passo único, no qual 50 L de RCSTR produziu quantidade de bio-óleo similar ao RStoic no Aspen (~60 kg/h). Simulações de pirólise não-catalítica e catalítica da Saccharum spontaneum com ZSM-5 foram construídas no DWSIM considerando Esquema de reações paralelas e independentes (IPRS). Para tanto, monômeros (sacarose, xilose, glucose e álcool coniferílico) representaram os componentes da biomassa (extrativos, hemi-celulose, celulose e lignina, respecivamente) e os coeficientes estequiométricos das frações de bio-óleo foram ajustados conforme balanço estequiométrico. Considerando pirólise não-catalítica e catalítica, os seguintes rendimentos foram alcançados, para sólidos (biochar), bio-óleo e gases à 1 bar: 40,82/47,88/11,30 kg/h e 32,24/55,94/11,82 kg/h, concernentes à literatura, com teor de água no bio-óleo de 11,00% e 8,77%, respectivamente. Os resultados da análise técnico-econômica mostraram, primeiramente, que a pirólise não-catalítica a 40 bar, para payback de 2 anos, indicou preço de bio-óleo (US$ 1,49/L) e taxa interna de retorno de 34%. Visando diminuir seu preço para uma TIR de 16% (>TMA de 15%), o tempo de payback aumentou de 2 para 2,71 anos, reduzindo-lo para US$ 1,15/L. Visando diminuir ainda mais os custos, avaliou-se a pirólise não-catalítica com integração energética, bem como a pirólise catalítica com substituição de catalisador (ZSM-5) após 30 ciclos, para os fatores de correção inferior, médio e superior do CAPEX. Os resultados mostraram que, aplicando o fator de correção inferior para o primeiro cenário, obteve-se um preço de bio-óleo/L de US$ 0,70, competitivo com o preço internacional (~24% superior) e para 15 anos de payback, a TIR (16,26%) é atrativa para futuros investimentos. Dessa forma, para uma vida útil de 20 anos, o valor presente (~$21.450,00) equivale a um valor futuro, ~$350.000,00 maior que o investimento inicial (~$304.000,00). Tais resultados sugerem possibilidade de implementação do projeto em conjunto com programas como Renovabio, contribuindo para diversificar a matriz energética brasileira, angariando mais valor tanto à biomassa de cana-energia quanto a softwares nacionais como o DWSIM para o mapeamento, design e otimização de tais processos.Abstract: The present work aims to simulate the pyrolysis reaction of the energy cane varieties Saccharum spontaneum and Saccharum robustum and the hybrid of energy cane/conventional, IACSP95-5000, in two commercial softwares: Aspen Plus V10 and DWSIM 6.4.9. The mass fractions of the corresponding raw material components were given by each biomass caracterization and their respective product reactions. In additon, the pseudocomponents (bio-oil) and non-conventional (biomass) were built to evaluate the best set of variables for simulation. 100 kg/h of each biomass+water (treated as non-conventional components) at 25 ºC and 1 bar entered a reactor (RStoic) at temperatures (450-550 ºC) and manometric pressures (0-39 bar), generating biochar (considered as a torrefied biomass, bio-oil and gases: CO/CO2 and H2. The products amount were comparaable with the literature and the pyrolysis of Saccharum spontaneum at 450 ºC and 40 bar in a stoichiometric reactor generated the highest liquid yield (between 50-60%), with water content within the desirable range, ~27,80%.. A sensitivity analysis was used in Aspen considering simulation with a kinetic reactor (RCSTR) and using a single-step reaction model, in which 50 L of RCSTR produced an amount of bio-oil similar to the RStoic in Aspen (~60 kg/h). Non-catalytic and catalytic pyrolysis simulations of Saccharum spontaneum with ZSM-5 were built in DWSIM considering Independent-Parallel Reaction Scheme (IPRS). For this intent, monomers (sucrose, xylose, glucose and coniferyl alcohol) were chosen to represent the biomass components (extractives, hemi-cellulose, cellulose and lignin, respectively) and the stoichiometric coefficients of the bio-oil fraction formed in each reaction were adjusted according to the stoichiometric balance. Considering non-catalytic and catalytic pyrolysis, respectively, the following yields were achieved, for solids (biochar), bio-oil and gases at 1 bar: 40,82/47,88/11,30 kg/h and 32,24 /55,94/11,82 kg/h in agreement with the literature and with water content in the bio-oil of 11,00% and 8,77%, respectively. The results of the techno-economic analysis demonstrated, firstly, that non-catalytic pyrolysis at 40 bar, considering a payback of 2 years, obtained a bio-oil price (US$ 1,49/L) and an internal rate of return of 34 %. Secondly, setting an IRR of 16% (>TMA of 15%), the payback time increased from 2 to 2.71 years and the bio-oil price was reduced (US$ 1.15/L). Aiming to reduce even more the costs, non-catalytic pyrolysis with energy integration as well as the catalytic pyrolysis with catalyst (ZSM-5) substitution after 30 cycles were evaluated adopting lower, medium and higher correction factors for CAPEX. The results showed that applying the lower correction factor for the first scenario, the bio-oil/L price was US$ 0,70, being competitive with the international price (~24% higher) and for a payback period of 15 years, the internal rate of return (16,26%) was attractive for future investments. Thus, for a plant life of 20 years, the present value (~$21.450,00) equals to a future value of ~$350.000,00 greater than the initial investment (~$304.000.00), These results suggest the possibility of future implementation of the process in conjunction with programs like Renovabio, contributing to diversifying the Brazilian energy matrix and bringing more value to both energy cane biomass and to free-acess Brazilian softwares such as DWSIM for mapping, design and optimizing those processesAbertoDoutoradoEngenharia QuímicaDoutor em Engenharia QuímicaCAPES001; 88887.517781/2020-00[s.n.]Lisbôa, Antônio Carlos Luz, 1954-Luna, Carlos Manuel RomeroRueda-Ordóñez, Yesid JavierMaciel, Maria Regina WolfFranco, Telma TeixeiraUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASOliveira, Thomas Rafael de, 1993-20242024-09-02T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (165 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/24842OLIVEIRA, Thomas Rafael de. Modelagem, simulação e análise técnico-econômica de unidade de pirólise de cana-energia para produção de bio-óleo: comparação entre Aspen Plus e DWSIM. 2024. 1 recurso online (165 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Química, Campinas, SP. Disponível em: 20.500.12733/24842. Acesso em: 29 set. 2025.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1410730https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1410730Cover: https://repositorio.unicamp.br/capa/capa?codigo=1410730porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2025-08-06T17:47:04Zoai::1410730Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2025-08-06T17:47:04Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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