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

Abstract

O setor de energia mundial inicia uma transição para um novo cenário no qual as fontes renováveis conquistam mais espaço junto à matriz energética. 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.