USINA DE BIODIESEL DIDÁTICA E SIMULAÇÃO INDUSTRIAL Alex Nogueira Brasil, ENERBIO-UIT, brasil@uit.br Leandro Oliveira Soares, ENERBIO-UFMG, leandro@deq.ufmg.br Diego Luiz Nunes, ENERBIO-UIT, diego@enerbio.ind.br Luiz Eduardo Nogueira Dias, ENERBIO-UIT, dias@enerbio.ind.br André Douglas Pinto Santana, ENERBIO-UIT, andre@enerbio.ind.br Jimmy Soares, ENERBIO-UIT, jimmy@enerbio.ind.br RESUMO: Planejar, projetar e construir materiais didáticos em universidades por grupos de pesquisa reflete uma necessidade do Brasil quanto ao desenvolvimento de tecnologias próprias nos mais diversos setores, podendo assim desenvolver e aprimorar produtos, reduzir custos, além agregar valores financeiros e intelectuais às manufaturas Made In Brazil. 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 didática 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. Palavras chave: Biodiesel; Usina didática; Modelo reduzido; Simulação industrial.
INTRODUÇÃO O Brasil apresenta grande potencial para a geração de energia a partir da biomassa devido seus recursos edafoclimáticos favoráveis ao desenvolvimento de diversas culturas (RESUMOS DO 5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PLANTAS OLEAGINOSAS, ÓLEOS, GORDURAS E BIODIESEL, 2008). As buscas por novas fontes bioenergéticas e posterior escalonamento se fazem necessários para que pesquisas transmutem dos laboratórios para empresas, fechando o ciclo de P&D tecnológico. Biodiesel é um biocombustível derivado de biomassa renovável para uso em motores a combustão interna com ignição por compressão ou, conforme regulamento, para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil. É um combustível alternativo de queima limpa, produzido de recursos domésticos, renováveis. O Biodiesel não contem petróleo, biodegradável, não tóxico e essencialmente livre de compostos sulfurados e aromáticos (MACEDO & NOGUEIRA, 2005). O biodiesel é fabricado através da transesterificação, processo que gera dois produtos, ésteres e glicerina. Essa reação tem como produto preponderante o biodiesel (éster de ácidos graxos). Além da glicerina, a cadeia produtiva do biodiesel gera ainda uma série de coprodutos agrícolas (torta, farelo etc.), que podem agregar valor e se constituir em outras fontes de renda importantes para os produtores agrícolas e industriais. O biodiesel pode ser usado puro ou em mistura com o óleo diesel mineral em qualquer proporção. Tem aplicação singular quando em mistura com o óleo diesel de baixo teor de enxofre, porque confere a este, melhores características de lubricidade. É visto como uma alternativa excelente o uso dos ésteres em adição de 5 a 8% para reconstituir essa lubricidade (MACEDO & NOGUEIRA, 2005). Hoje, no Brasil, existem algumas empresas que detêm tecnologia para construção de usinas de biodiesel com alta tecnologia agregada, comercializando usinas com alta capacidade de produção, partindo de 1000 litros/dia, a preços finais superiores a R$500.000,00 (quinhentos mil reais), o que deixa impraticável aquisição desses equipamentos pelos pequenos produtores rurais, assentamentos e grupos de pesquisas acadêmicos (NASCIMENTO et al., 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 et al., 2002). Fazendo uso do módulo didático de biocombustíveis, torna-se possível a realização de escalonamento 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 usina didática foram construídos dentro do mesmo espírito de se empregar equipamentos que apresentem facilidade de operação, de transporte, instalação e manutenção. Portanto, este trabalho tem como objetivo divulgar informações sobre o projeto, construção e montagem de um modelo didático de usina de biodiesel de baixo custo e de fácil operação, capaz de produzir 6 (seis) litros de biodiesel por batelada, pelo processo de transesterificação usando qualquer tipo de óleo vegetal ou gordura animal através das rotas metílica ou etílica. 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. A proposta de se projetar e construir uma usina de produção de biodiesel em escala reduzida segue a filosofia de dispor para utilização um equipamento de baixo custo, relativo àqueles industriais nacionais ou importados, de fácil utilização e fácil transporte. A mobilidade, facilidade de utilização foram fatores primordiais para o desenvolvimento do projeto. MATERIAIS E MÉTODOS 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 6 (seis) litros de biodiesel por batelada, o que permite sua utilização em estruturas que possam ser montadas em laboratórios de produção e análise de biocombustíveis. A usina didática, Figuras 01 e 02, foi projetada para trabalhar com qualquer tipo de oleaginosa incluindo os óleos oriundos de processos de cocção de alimentos. No caso específico tem-se a proposta inicial de se trabalhar com as seguintes oleaginosas: soja, girassol, pinhão-manso, nabo forrageiro, crambe e suas respectivas misturas (ANAIS DO 2º
CONGRESSO DA REDE BRASILEIRA DE TECNOLOGIA DE BIODIESEL, 2007). 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. Figura 01: Desenho esquemático da usina de biodiesel didática e simulação industrial. No projeto da usina foram considerados diversos fatores 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.
Figura 02: Foto da usina de biodiesel didática e simulação industrial. A Figura 03 apresenta o fluxograma de processo 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) Reator 1 e pré-mixer: ocorre a mistura álcool (etanol ou metanol), catalisador (NaOH, KOH ou Metóxido de Sódio 30%) e óleo vegetal. A reação de transesterificação é realizada com auxílio de um agitador mecânico de haste com hélice naval em temperatura controlada, podendo também ser usado para pré-mistura dos reagentes para transesterificação ultrassônica (reator 2);
(2) Reator 2: realiza a reação de transesterificação por irradiação por ultrassom; (3) Decantadores: 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 da válvula de esfera; (4) Destilador: após a reação de transesterificação, a mistura é encaminhada para o destilador para evaporação do álcool em excesso, processo realizado por aquecimento de óleo térmico através de resistência encapsulada em reservatório encamisado; (5) Colunas 1 e 2: onde é realizada a purificação do biodiesel (retirados resíduos de glicerina, catalisador e sais) com a utilização de resina de troca iônica; (6) Coluna 3: vários tipos de adsorventes serão avaliados para desidratação do álcool recuperado por destilação. Figura 03: Fluxograma do processo de produção de biodiesel da usina didática. Projeto mecânico Utilizou-se aço carbono para confecção da estrutura modular. Devido às características físico-químicas do biodiesel, toda a linha do circuito hidráulico foi projetada e desenvolvida
em aço inoxidável 304 e mangueira flexível para óleo solvente. Pelo fato da usina didática operar em batelada, válvulas esferas foram dimensionadas para o controle do fluxo dos líquidos durante o processo. O transporte de líquidos na usina é realizado por bombas centrífugas dimensionas para tal fim. Projeto químico O reator foi projetado para 6 litros de óleo, tendo volume útil de 8,5 litros e comporta reações com razões molares de até 6:1 (álcool:óleo). Consideram-se como reagentes do processo: óleo, álcool e catalisador. Para facilitar a visualização e proporcionar um melhor acompanhamento do processo os corpos do reator, decantadores 1 e 2 e reservatório de biodiesel foram projetados e construídos em borosilicato Duran 90. A agitação da solução se dá por agitador mecânico para produtos semi-viscosos. O aquecimento é realizado resistência tubular encapsulada e sistema automático de controle de temperatura. O sistema de separação e purificação do biodiesel dá-se inicialmente por gravidade através de decantadores para a separação do éster e glicerina. A retirada do álcool utilizado em excesso nas reações pode ser feita através de destilador com capacidade para 9 litros por batelada. Por fim, a purificação final do éster (biodiesel) e álcool (recuperado) dá-se por sistema de colunas de purificação que podem ser abastecidas com adsorventes comerciais ou elaborados em laboratório. RESULTADOS E DISCUSSÃO Através do conhecimento teórico e prático, concepção e execução foi possível desenvolver o projeto usina didática, ampliando o leque de opções para pesquisas em laboratórios a custo acessíveis e possibilitando resultados que possibilitam o escalonamento de resultado de bancada para processos semi-industriais. Devido sua mobilidade, praticidade e versatilidade a usina didática possibilita estudar variáveis como razões molares, tipos de óleos, destilação, purificações do tipo Dry Wash, cinética das reações etc. CONCLUSÕES 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, o grupo de pesquisa G-Óleo/UFLA e da própria Instituição. 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. AGRADECIMENTOS Os alunos agradecem a empresa Biominas Indústria de Derivados Oleaginosos Ltda. (Itaúna, MG) pelas bolsas de pesquisa concedidas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANAIS DO 2º CONGRESSO DA REDE BRASILEIRA DE TECNOLOGIA DE BIODIESEL. Anais Volumes I e II. Brasília, MCT/ABIPTI, 2007. 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. 01-10. MACEDO, I.C. ; NOGUEIRA, L.A.H. Biocombustíveis. Núcleo de Assuntos Estratégicos da Presidência da República, Cadernos NAE, Brasília, Brasil, Jan. 2005, 235p. MACEDO, I.C. ; NOGUEIRA, L.A.H. Diretrizes de Política de Agroenergia 2006-2011. 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, p. 147-150. RESUMOS DO 5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PLANTAS OLEAGINOSAS, ÓLEOS, GORDURAS E BIODIESEL. 5º Congresso Brasileiro de Plantas oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel. Lavras: UFLA, 2008.