III Encontro Paranaense de Engenharia e Ciência
Toledo – Paraná, 28 a 30 de Outubro de 2013
Análise da influência de diferentes valores de graduação alcoólica
inicial e pressões de vapor no processo de destilação para a obtenção
de bioetanol.
Lara T. Schneider1*, Joel G. Teleken2, Gabriela Bonassa3, Anderson R. Heydt3, Carlos J. De
Oliveira3
(1)* Curso de Graduação de Tecnologia em Biocombustíveis – UFPR – Universidade Federal do Paraná,
Setor Palotina – PR. Rua Pioneiro, n. 2153 – Jardim Dallas – Palotina – Paraná – CEP: 85950-000 – Brasil – +55
(44) 3211-8500. E mail: [email protected].
(2) Docente do curso de Graduação de Tecnologia em Biocombustíveis – UFPR – Universidade Federal
do Paraná, Setor Palotina – PR.
(3) Curso de Graduação de Tecnologia em Biocombustíveis – UFPR – Universidade Federal do Paraná,
Setor Palotina – PR.
Resumo: A destilação é um processo de separação de líquidos através da diferença do grau de volatilidade dos
componentes da mistura. Realizou-se três processos de destilação com diferentes condições de graduação alcoólica
inicial da mistura (6,21 e 9,79 ºGL) e pressões de vapor (0,5 e 0,9 Kgf/cm2) , mantendo a taxa de refluxo de 0,35
para os três testes, onde objetivou-se a criação de sistemas operacionais a partir da análise da influência das
variáveis reais controladas, visando um processo otimizado e energeticamente maximizado. A partir dos resultados
observou-se que pressões de vapor muito elevadas tem influência direta sobre o tempo de destilação, reduzindo
significativamente o tempo total do processo, como no caso do teste 3. A concentração volumétrica de etanol na
mistura a ser destilada possui efeito positivo sobre o volume final de etanol recuperado, ou seja, aumentando a
concentração de etanol na mistura inicial maior o volume a ser produzido. Durante o teste 2 produziu-se 27 litros de
produto desejado em relação a graduação alcoólica (ºGL), entretanto, em um tempo mais elevado.
Palavras – Chave: Energias Renováveis; Bioetanol; Destilação; Maximização energética; Controle de variáveis.
onde a partir de um sistema de resfriamento
se liquefazem e o produto é obtido
(JUNIOR, 2010).
O processo de separação ocorre
através de fenômenos chamados de
transferência de calor e massa. Há um
escoamento contracorrente onde a fase
líquida percorre a coluna por canais de
descida em direção à base da coluna,
enquanto a fase vapor sobe borbulhando
através do líquido pelas perfurações
existentes nos pratos. O aquecimento da
coluna é feito através dos vapores advindos
do refervedor, contido na base da coluna,
portanto, a transferência de calor acontece
da fase vapor para a fase líquida. Já a
transferência de massa acontece devido à
diferença de concentração entre fases, e se
caracteriza pela transferência de um
INTRODUÇÃO
A separação de compostos é uma
parte essencial na grande maioria dos
processos industriais, agregando valores aos
produtos obtidos, e a destilação é a técnica
de separação mais largamente utilizada para
promover a separação de componentes de
uma mistura que possuam diferentes graus
de volatilidade, através de uma operação de
contato intimo entre as duas fases fluidas
(líquido e vapor) permitindo a difusão
interfacial de seus constituintes e levando a
separação desejada (GOUVÊA, 1999).
As colunas de destilação são
compostas por pratos que formam uma série
de aparelhos de destilação simples, um
destilando ascendentemente seus vapores
para o outro, e ao chegarem à parte superior
da coluna dirigem-se para um condensador,
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componente através de outro presente em
menor escala, de modo que essa
transferência será tanto maior quanto for à
diferença entre o maior e menor ponto de
concentração
(MAYER,
2010).
A
temperatura da coluna diminui da base para
o topo ao mesmo tempo em que a riqueza
alcoólica aumenta na mesma direção
(SOARES, 2000).
A produção de bioetanol em pequena
escala na maioria das vezes é inviabilizada
por fatores econômicos, considerando que
mesmo
com
aspectos
tecnológicos
disponíveis para a obtenção deste
combustível, baixos rendimentos alcançados
pelos equipamentos colocam essa produção
em questão (MAYER, 2010).
A etapa de fornecimento de energia e
aquecimento é decisiva na economia térmica
do processo, portanto, tem-se como objetivo
a criação de sistemas operacionais a partir da
análise da influência das variáveis reais
controladas, visando um processo otimizado
e energeticamente maximizado.
Refluxo
% alcoólica (v/v)
Pressão (Kgf/cm2)
0,35
6,21
0,5
0,35
9,79
0,5
0,35
9,79
0,9
Fração volumétrica de etanol:
Inicialmente prepara-se a mistura a ser
destilada (álcool/água) no alambique, com
um total de aproximadamente 300 Litros.
Mede-se a porcentagem alcoólica da mistura
de acordo com os valores exigidos pelos
testes e apresentados na Tabela 1, 6,21ºGL
(V/V) ou 9,79ºGL (V/V), utilizando um
alcoômetro centesimal de Gay Lussac.
Pressão de vapor (Kgf/cm2): Após
o aquecimento da caldeira, quando esta
atinge aproximadamente 05 Kgf/cm2 de
vapor (valor observado no medidor de
pressão da própria caldeira), abre-se a
válvula que permite a liberação de pressão
para a estrutura de destilação. O objetivo da
alteração destes valores é saber se utilizando
menores
quantidades
de
vapor
e
consequentemente tendo um menor gasto
energético, ha influência no tempo de startup
da coluna, no tempo de retirada do destilado
e no teor alcoólico desejado (92 %).
Refluxo: A taxa de refluxo é definida
como a razão do líquido que retorna a coluna
promovendo uma melhor separação das
frações desejadas, e considerada um fator
determinante no teor alcoólico do destilado.
A válvula de refluxo contida no painel
interno de destilação precisa estar marcada
em posições exatas de acordo com o
planejamento, pois quando um valor é
determinado o mesmo é mantido até o final
do processo. Também são monitoradas ao
longo dos testes as seguintes temperaturas:
condensador, deflegmador, alambique e
destilador, obtidas através do painel interno
do sistema de destilação, monitoradas a cada
2 minutos e posteriormente utilizadas para
gerar perfis de temperatura avaliando o
comportamento do sistema em cada
experimento. Durante os três experimentos a
válvula do condensador permaneceu
completamente aberta, e a do deflegmador
apenas 2/4 aberta.
MATERIAIS E MÉTODOS
As colunas de destilação requerem
sistemas de controles ajustados, e para que
esses
sistemas
operacionais
sejam
executados e mantidos deve-se fazer o
monitoramento de determinados fatores que
influenciam no processo, ajustando-os e
controlando-os (FILETI, 1995). Neste caso,
os fatores controlados nos experimentos
realizados foram: taxa de refluxo, graduação
alcoólica inicial e pressão de vapor, de
acordo com os valores apresentados na
Tabela 1, onde pode-se observar que apenas
a taxa de refluxo manteve-se a mesma nos
três experimentos. Portanto, buscou-se
analisar a influência da pressão de vapor
utilizada e da graduação alcoólica inicial da
mistura a ser destilada, sobre a quantidade
de etanol de topo retirada e o tempo gasto
para isso.
Tabela 1. Planejamento experimental
Fatores
Teste 1 Teste 2 Teste 3
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processo e também a retirada de produto
desejado em relação ao ºGL.
Em relação à graduação alcoólica
inicial da mistura, a concentração
volumétrica de etanol na mistura a ser
destilada possui efeito positivo sobre o
volume final de etanol recuperado, ou seja,
aumentando a concentração de etanol na
mistura inicial, maior o volume a ser
produzido. Como no caso do teste 2 e 3, que
iniciaram-se com uma porcentagem de
9,79ºGL. Entretanto, os resultados obtidos
no teste 3 não foram positivos em virtude da
utilização de maior pressão de vapor, o que
influencia na graduação alcoólica do produto
retirado.
De acordo com a Tabela 2, observase que durante o teste 2 retirou-se 27 litros
de produto com uma graduação acima de 92
ºGL, e no teste 1, somente 10 litros. Ou seja,
em 116 minutos a mais, produziu-se 17
litros.
Observa-se na Figura 1, o
comportamento da graduação alcoólica
(ºGL) do produto retirado durante os testes.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os testes foram realizados de acordo
com os fatores observados na Tabela 1,
objetivando-se determinar melhor processo
dentre estes. Realizou-se o teste 1 com
graduação alcoólica inicial da mistura de
6,21 ºGL, taxa de refluxo de 0,35 e pressão
de vapor de 0,5 Kgf/cm2. O teste 2 foi
realizado com a mesma condição de refluxo
e a mesma pressão de vapor, porém, variouse a graduação alcoólica inicial, que foi de
9,79 ºGL. No teste 3, a graduação alcóolica
inicial também foi de 9,79ºGL, taxa de
refluxo de 0,35 e a pressão de vapor de 0,9
Kgf/cm2. Observa-se na Tabela 2 as
variáveis respostas de cada experimento.
Tabela 2. Variáveis respostas dos experimentos
Teste Tempo Start-up
V
Q
ºGL
(min)
(min)
Etanol (L/h)
(L)
1
216
78
10
3,56
92
2
332
54
27
3,71
92
3
38
*
*
*
*
* Não atingiu graduação alcoólica desejada.
A utilização de uma pressão de vapor
muito elevada provoca o rápido aquecimento
da mistura a ser destilada e o aumento da
velocidade dos vapores, fazendo com que o
fluxo de vapor que ascende pela coluna seja
muito intenso e que haja um menor tempo de
contato entre as fases líquido/vapor,
prejudicando os fenômenos de transferência
de calor e massa, fazendo que não haja a
purificação desejada e que os vapores sejam
condensados com uma baixa graduação
alcoólica. Observa-se que o tempo é
reduzido de forma significativa, como no
caso do teste número 3 que durou apenas 38
minutos, entretanto, quando o objetivo é a
retirada de produto dentro da especificação
de 92 ºGL este não é vantajoso, pois todo
volume produzido atinge cerca de no
máximo 88 ºGL, graduação que tende a
diminuir do início até o final do processo,
além disso, há um gasto energético muito
elevado. Já com a utilização de menores
pressões de vapor, como no teste 1 e 2,
observa-se que conforme a diminuição da
pressão de vapor aumenta-se o tempo do
100
90
80
70
ºGL
60
50
Teste 1
Teste 2
Teste 3
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Tempo (min)
Figura 1. Graduação alcoólica do destilado ao
longo dos testes.
De acordo como o explicado
anteriormente, o teste 3 não atingiu a
graduação
alcoólica
esperada
em
consequência da utilização de elevada
pressão de vapor.
O tempo de start-up, ou seja, tempo
necessário para que o produto de interesse
em relação ao ºGL seja produzido, foi
diferente em cada um dos testes. Esta
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variável
resposta
está
diretamente
relacionada com a pressão de vapor
utilizada, pois quanto maior essa pressão,
mais rápido acontece o aquecimento da
mistura e retira-se o produto em um menor
tempo, como no caso do teste 3, entretanto,
com baixa graduação alcoólica. Nos testes 1
e 2 os tempos e star-up foram maiores
devido a utilização de menor pressão de
vapor, provocando um aquecimento mais
lento da mistura a ser destilada. No teste 2, a
quantidade de álcool na mistura era maior do
que no teste 1, em virtude da graduação
alcoólica inicial ser mais elevada, portanto, o
aquecimento acontece mais rápido em
consequência do menor ponto de bolha da
mistura, o que explica o menor tempo de
start-up.
As condições de operação dos testes
1 e 2 foram favoráveis para que o estado
estacionário de retirada de produto desejado
se mantivesse durante um certo tempo, que
foi maior no teste 2 em virtude da maior
quantidade de álcool adicionada inicialmente
na mistura, influenciando também no
volume final de produto.
no teste 1 foi de 10 em um total de 216
minutos de operação.
Para a determinação do melhor
processo precisa-se levar em consideração se
a quantidade de produto retirada compensa o
gasto energético do tempo a mais de
operação.
Agradecimentos
Agradeço a bolsa de iniciação
cientifica UFPR/TN (2012/2013), a UFPR –
Setor Palotina e ao Laboratório de Produção
de Biocombustíveis, pelo espaço para o
desenvolvimento do projeto.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GOUVÊA, P. E. M. Simulação e análise de
configurações alternativas de colunas de destilação:
meta e para-destilação, 1999. 150 P. Tese (Mestrado
em Engenharia Química) Universidade Estadual de
Campinas, Campinas.
FILETI, A. M. F. Controle em destilação batelada:
controle adaptativo e controle preditivo com modelo
baseado em redes neurais artificiais, 1995. 216 P.
Tese (Doutorado em Engenharia Química)
Universidade Estadual de Campinas, Campinas.
SOARES, C. Avaliação Experimental dos
Coeficientes de Transferência de Massa e Calor em
uma Coluna com Pratos Perfurados. Dissertação.
(Mestrado em Engenharia Química) Faculdade de
Engenharia Química – Universidade Estadual de
Campinas - UNICAMP. Campinas.
CONCLUSÕES
Os resultados apresentados durante o
teste 3 nos mostram que maiores pressões de
vapores além de proporcionar um elevado
gasto energético, não são eficientes para a
retirada de uma maior quantidade de produto
de interesse.
Já as condições de operação dos
testes 1 e 2, indicam resultados
consideráveis quanto a retirada de produto
na especificação em relação ao ºGL, pois o
produto desses dois testes atingiram a
graduação alcoólica desejada, entretanto,
com tempos diferentes. Concluiu-se em um
tempo total de 332 minutos, porem, com um
total de 27 litros de produto, quantidade que
JUNIOR, M. S. J. R. Obtenção de álcool etílico
hidratado, com graduação alcoólica para uso
automotivo: validação de um processo em batelada,
2010. 146 P. Tese (Pós-graduação em Engenharia de
processos). Universidade Federal de Santa Maria.
Santa Maria- RS.
MAYER, F. D. Desenvolvimento da tecnologia de
destilação apropriada à produção de álcool
combustível em pequena escala, 2010. 109 P.
Dissertação (Mestrado em Engenharia de Processos)
– Centro de Tecnologia, Universidade Federal de
Santa Maria- RS.
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