Projeto e Construção de Usina Didática para Produção de Biodiesel

Transcrição

1 Projeto e Construção de Usina Didática para Produção de Biodiesel Brasil, Alex Nogueira a, Loregian, Henrique Bernardes a, Nunes, Diego Luiz b a ENERBIO, Grupo de Pesquisa em Energias Renováveis, Universidade de Itaúna, MG b Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento em Café, Departamento de Engenharia Química, UFMG Universidade de Itaúna, Rodovia MG 431 km 45 (Campus Verde), Itaúna, Minas Gerais, brasil@uit.br RESUMO Vários são os projetos de pequenas usinas de Biodiesel existentes nos mercados nacional e internacional, sendo inclusive fácil adquiri-los via processo de importação. O esforço de concepção de um equipamento similar tem como mérito iniciar um processo cultural de desenvolvimento de equipamentos didáticos dentro das universidades. Esta tarefa não se restringe apenas ao projeto do equipamento, mas envolve desde o estudo de equipamentos similares até a adaptação dos processos já existentes de maneira a permitir a sua execução dentro de um ambiente acadêmico e em pequena escala. Este trabalho apresenta o estudo, projeto e procedimento de construção de um modelo de usina de biodiesel, em escala reduzida, constituindo-se em uma colaboração para a solução de obtenção de equipamentos relacionados a treinamentos e estudos de produção de biocombustíveis. Inicialmente faz-se um estudo dos parâmetros do processo, dimensões e capacidade do reator passível de ser instalado em uma usina didática de produção de ésteres metílicos ou etílicos. Após fez-se uma reflexão acerca dos elementos da usina que deveriam ser projetados de modo a permitir uma visualização do equipamento tanto no que diz respeito às características químicas quanto mecânicas. Em seguida são apresentados os critérios utilizados para a seleção dos materiais de construção utilizados no modelo. Mantendo o princípio da reciclagem, os reatores e demais reservatórios foram construídos a partir de tubos (com costura) de aço inoxidável, reciclado, de forma que todos os reservatórios mantiveram o mesmo volume. Tubulações e registros em aço inox e estrutura de fixação construída em aço carbono. Palavras-chave: biodiesel, usina didática, transesterificação, biocombustível. 1. INTRODUÇÃO A exemplo da Alemanha e de outros países, o Brasil tem pesquisado e estudado a produção de biodiesel a partir de óleos e gorduras vegetais in natura e residuais como óleo de soja, azeite de dendê e óleos usados proveniente de frituras (Almeida Neto, 2006). As crescentes preocupações econômicas e com o meio ambiente, além das previsões que as reservas de energia não renováveis esgotem nos próximos 50 anos, têm incentivado à busca de novas fontes de energia tais como energia solar (painéis com células fotovoltaicas), energia eólica e os biocombustíveis (Nascimento, 2006). Biodiesel é um combustível líquido, biodegradável, não tóxico, produzido a partir de diferentes matérias-primas, tais como óleos vegetais diversos (mamona, dendê, soja, girassol, amendoim, algodão, etc.), gorduras animais, óleos e gorduras residuais, por meio de diversos processos. A evolução tecnológica evidencia a adoção da transesterificação como principal processo de produção. Consiste numa reação química em meio alcalino, onde se fazem reagir óleos vegetais (ou gorduras animais) e um álcool (etanol ou metanol) (Macedo, 2005).

2 O biodiesel é caracterizado como combustível alternativo de queima limpa, produzido de recursos domésticos, renováveis. Não contém petróleo, mas pode ser adicionado a ele formando uma mistura. Pode ser usado em motor de ignição a compressão (ciclo diesel) sem necessidade de modificação mecânica ou, conforme regulamento, para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil (Macedo, 2006). Essa reação tem como produto preponderante o biodiesel (éster de ácidos graxos). Como subproduto, tem-se a glicerina, de alto valor agregado e com aplicações diversas na indústria química. Além da glicerina, a cadeia produtiva do biodiesel gera ainda uma série de co-produtos agrícolas (torta, farelo etc.), que podem agregar valor e se constituir em outras fontes de renda importantes para os produtores agrícolas e industriais. Hoje, no Brasil, existem algumas empresas que detêm tecnologia para construção de usinas de biodiesel com alta tecnologia agregada, comercializando usinas com capacidade de produções em torno de 1000 litros/dia, a preços finais superiores a R$ ,00 (quinhentos mil reais), o que deixa impraticável aquisição desses equipamentos pelos pequenos produtores rurais e assentamentos (Nascimento, 2006). O desenvolvimento e utilização de um módulo didático de produção de biodiesel estão inseridos em um esforço direcionado para a melhoria do ensino de disciplinas da área de energias renováveis ministradas nos cursos de graduação em engenharia da UIT (Universidade de Itaúna). A reconhecida importância do estudo experimental, principalmente para biocombustíveis, nos cursos de graduação é reforçada face o atual contexto em termos de geração e aproveitamento de energia (Brasil, 2002). Fazendo uso do módulo didático de biocombustíveis, torna-se possível a realização de estudos experimentais de produção de biodiesel, podendo variar facilmente os tipos de óleos, alcoóis e catalisadores utilizados no processo. O módulo foi concebido e construído tomando como base uma estrutura laboratorial para produção de biodiesel em bancada já existente na Faculdade de Engenharia da Universidade de Itaúna. Tanto o laboratório, como a micro-usina foram construídos dentro do mesmo espírito de se empregar equipamentos que apresentem facilidade de operação, de transporte, instalação e manutenção. O Grupo de Energias Renováveis (ENERBIO) da Universidade de Itaúna vem otimizando os processos de produção de Biodiesel a partir de vários tipos de óleos vegetais (nabo forrageiro, crambe, pinhão-manso, etc.) e gorduras animais in natura e residuais tanto pela rota metílica, quanto etílica com a colaboração dos laboratórios de biocombustíveis da UFMG e da própria Instituição. Portanto, este trabalho tem como objetivo divulgar informações sobre a construção e montagem de uma mini-usina de biodiesel de baixo custo e de fácil operação, capaz de produzir 1 litro de biodiesel por batelada, pelo processo de transesterificação usando

3 qualquer tipo de óleo vegetal ou gordura animal com metanol ou etanol. Esse protótipo visa o ensino de produção de biocombustíveis para alunos de graduação em engenharia mecânica, produção, química e ciências biológicas da Universidade de Itaúna a um baixo custo e com tecnologia nacional. 2. MATERIAIS E MÉTODOS A usina didática em questão foi projetada e construída tendo como parâmetro básico a necessidade de um equipamento versátil e que pudesse ser usado em salas de aulas convencionais. A mobilidade, facilidade de utilização foram fatores primordiais para o desenvolvimento do projeto. A usina de produção de biodiesel em escala reduzida seguiu a filosofia de dispor para utilização um equipamento de baixo custo, relativo àqueles industriais nacionais ou importados, de fácil utilização e fácil transporte. O reator tem capacidade de produzir 1 litro de biodiesel por batelada, o que permite sua utilização em estruturas que possam ser montadas em laboratórios de produção e análise de biocombustíveis. A micro-usina, Figura 1, foi projetada para trabalhar com qualquer tipo de oleaginosa incluindo os óleos oriundos de processos de cocção de alimentos. No caso específico temse a proposta inicial de se trabalhar com as seguintes oleaginosas: soja, girassol, pinhão manso, nabo forrageiro, crambe e suas respectivas misturas. Os alcoóis etílico e metílico serão utilizados como reagentes no processo, dando prioridade ao etanol por ser oriundo de fontes renováveis e porque o Brasil possui grande disponibilidade deste insumo. Como catalisadores, tem-se a proposta de se trabalhar com NaOH e metilato de sódio (30%) como já está sendo utilizado nas sínteses em bancada, não impedindo que outros catalisadores possam ser utilizados. No projeto da mini-usina foram considerados diversos fatores que estão ligados diretamente com a parte técnica e econômica do processo de produção do biodiesel. Pesquisa da compatibilidade dos materiais utilizados nas tubulações, conexões, registros, confecção dos tanques. Foi utilizado tubo de aço inox com costura (reciclado) e diâmetro de 4 para construção dos reservatórios. Para redução dos custos, todos os reservatórios possuem as mesmas dimensões, com volumes de 1,3 litros cada. As tubulações, conexões e registros também em aço inox, estrutura de fixação foi construída em aço carbono. Foram utilizados dois motores de agitação mecânica com hélice trabalhando a 500rpm. Para o reator e evaporador foram utilizadas resistências encapsuladas para aquecimento.

4 Figura 1: Desenho esquemático da micro-usina de biodiesel Legenda: 1 Reservatório de Óleo 2 Reator A 3 Reator B 4 Recuperador 5 Condensador Separador Lavador Secador A Figura 1 apresenta um desenho esquemático do modelo em escala reduzida, identificando seus diversos equipamentos e reservatórios. O módulo didático em questão foi projetado e construído tendo como parâmetro básico a necessidade de um equipamento versátil e que pudesse ser utilizado em salas de aulas convencionais. Assim, observaram-se os seguintes aspectos para o projeto mecânico do equipamento: (1) Reservatório de óleo: armazena o óleo até que se termine a etapa de mistura do catalisador mais álcool; (2) Reator A: ocorre a mistura álcool (etanol ou metanol) mais catalisador (NaOH ou Metóxido de Sódio 30%); (3) Reator B: é o coração da usina onde ocorre a transesterificação (reação do óleo com catalisador mais álcool). A reação é realizada por um agitador mecânico de haste em

5 temperatura controlada, para isto foi utilizado uma resistência encapsulada e um termopar para medição e controle da temperatura; (4) Recuperador: após a reação de transesterificação, a mistura é encaminhada para o recuperador para evaporação do álcool em excesso, processo realizado por aquecimento com resistência encapsulada. (5) Condensador: neste caso foi utilizado um trocador de calor que realizará a condensação do álcool em excesso podendo ser coletado em um Becker; (6) Separador: onde ocorre a separação das fases por decantação (Éster e glicerina Bruta). A glicerina de maior densidade permanecerá no fundo do recipiente e será retirada através do registro de esfera; (7) Lavador: o éster contendo impurezas será então lavado por pulverização de água em temperatura controlada para retirada de impurezas como, por exemplo, resíduos de catalisador e glicerina; (8) Secador: finalmente resíduos de água serão evaporados por aquecimento, e então, o biodiesel será coletado em reservatório próprio para posterior análise de qualidade. Figura 2: Foto da usina didática A Figura 2 apresenta uma foto da mini-usina de biodiesel já em uso no laboratório de Energias Renováveis da Faculdade de Engenharia da Universidade de Itaúna.

6 3. CONCLUSÃO Toda a usina foi construída com tecnologia do Grupo de Energias Renováveis da UIT. A planta foi montada no laboratório de usinagem da própria Instituição com custo total de R$3.500,00 (três mil e quinhentos reais), com volume médio de produção de biodiesel 1 litro por batelada. Este custo ainda pode ser reduzido caso as tubulações, registros e acessórios, atualmente em aço inox sejam trocados por PVC. Testes preliminares com óleo refinado de soja, álcool etílico anidro e metilato de sódio (30%) demonstraram bons resultados no que diz respeito à separação da glicerina e produção de éster. Ainda não foram realizadas análises do biocombustível produzido. Uma correção deverá ser realizada em relação à troca de posição dos reservatórios 6 (separador) e 4 (recuperador) pois, a glicerina deve ser separada antes da recuperação do álcool. Apesar de o equipamento construído ser relativamente simples, o Know-How adquirido abre caminho para novos projetos e permitirá em médio prazo formar uma cultura cooperativa interdisciplinar que pode permitir um efetivo crescimento em termos de conhecimento e desenvolvimento. Além disso, a apresentação da metodologia utilizada para a concepção do equipamento, bem como os passos para a construção física do modelo são contribuições que permitirão a diversas escolas construírem um equipamento semelhante, de baixo custo e adaptado às suas necessidades e potencialidades. 4. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Biominas Biodiesel pelo financiamento das pesquisas. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Almeida Neto, J.A. et al., Produção de Biodiesel em Escala Piloto: Parte 3 Aspectos Ambientais, 1º Congresso da Rede Brasileira de Tecnologia de Biodiesel, Brasília, Brasil, Ago. 2006, pp Brasil, A.B. et al., Projeto e Construção de um Modelo de Turbina Pelton em Escala Reduzida, II Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, João Pessoa, Brasil, Ago. 2002, pp Cruz, R.S. et al., Produção de Biodiesel em Escala Piloto: Parte 1 Aspectos Tecnológicos e Controle da Qualidade, 1º Congresso da Rede Brasileira de Tecnologia de Biodiesel, Brasília, Brasil, Ago. 2006, pp Macedo, I.C. e Nogueira, L.A.H., Biocombustíveis, Núcleo de Assuntos Estratégicos da Presidência da República, Cadernos NAE, Brasília, Brasil, Jan. 2005, 235p. Macedo, I.C. e Nogueira, L.A.H., Diretrizes de Política de Agroenergia , Ministério da Ciência e Tecnologia, Ministério de Minas e Energia, Brasília, Brasil, 2006, 34p. Nascimento, U.M. et al., Montagem e Implantação de Usina Piloto de Baixo Custo para Produção de Biodiesel, 1º Congresso da Rede Brasileira de Tecnologia de Biodiesel, Brasília, Brasil, Ago. 2006, pp Suarez, P.A.Z., Produção de Biodiesel na Fazenda, Centro de Produções Técnicas, Viçosa, Brasil, 2006, 220p.