Programa de Pós-Graduação de Mestrado e Doutorado em Engenharia Química

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Acoplamento da desoxigenação de óleos vegetais com a reforma de glicerol em reator multifuncional
(2023) Conca, Lucas Rodrigues
Um dos equipamentos estudados na intensificação de processos é o reator multifuncional. Nele, é possível acoplar em um único equipamento uma reação exotérmica, que cede calor, e uma endotérmica, reação que recebe energia, reduzindo ou eventualmente dispensando a necessidade de utilidades. Neste trabalho foram estudadas as reações de desoxigenação de óleos vegetais, de caráter exotérmico, e a reforma do glicerol em fase aquosa, de caráter endotérmico. Ambas as reações individualmente são capazes de produzir combustíveis renováveis, que devem ocupar cada vez mais espaço na matriz energética brasileira e mundial. No caso da desoxigenação, a produção de um biodiesel de alta qualidade pode permitir um aumento da sua composição no diesel comercializado. Já a reação de reforma do glicerol permite a produção do hidrogênio, que pode ser consumido como combustível diretamente em células a combustível e também ser usado como matéria prima na reação de desoxigenação, além de utilizar o glicerol, que é um subproduto excedente no mercado nacional e internacional. O estudo foi realizado por meio da simulação do reator multifuncional, considerando os balanços materiais e de energia. A cinética de cada um dos meios reacionais foi tomada da literatura. As equações diferenciais ordinárias resultantes dos balanços foram resolvidas com o software Matlab. Foram simuladas diferentes condições operacionais, considerando um reator duplo tubo em escoamento cocorrente. Fez-se também uma análise para a compatibilização dos dois meios reacionais e, definindo-se uma função objetivo de natureza econômica, foi realizada a otimização das condições de projeto e de operação. A partir desta análise, foi possível obter altas conversões tanto no meio endotérmico quanto no exotérmico, acima de 95%. Os resultados da otimização demostraram que existe a possibilidade de se aumentar em mais de 2,7 vezes o lucro potencial da operação
Avaliação da transferência de calor em tubo disposto em formato helicoidal para aplicação em reforma de etanol embarcada em veículos automotores
(2024) Guain, Aymê Utimati
A busca por combustíveis renováveis se torna cada vez mais importante devido à preocupação em relação aos impactos ambientais. Tratando-se do motor de combustão interna, no cenário atual, uma das melhores opções de combustível é o etanol; porém, este tem baixo poder calorífico se comparado à gasolina. Esta limitação pode ser contornada promovendo-se a reforma a vapor de etanol para obtenção de hidrogênio, que misturado ao etanol e alimentado ao motor, tem potencial para melhorar o desempenho deste. A reforma a vapor de etanol é conduzida em fase gasosa com alta temperatura, portanto a mistura água-etanol precisa ser vaporizada antes de ser alimentada ao reformador. A ideia é que a reforma aconteça dentro do escapamento do automóvel, utilizando como fonte quente os fumos exauridos da combustão; entretanto, o baixo coeficiente convectivo dos fumos limita a transferência de calor. Dentre as diversas formas de se intensificar a transferência de calor em sistemas tubulares, há a disposição de tubos em formato helicoidal. Neste contexto, a proposta deste trabalho é estimar os coeficientes convectivos externo e interno e analisar a transferência de calor no tubo helicoidal. A estimativa dos coeficientes convectivos foi feita a partir de correlações empíricas e por fluidodinâmica computacional (CFD) utilizando-se o software Ansys Fluent. Nas simulações foram avaliados os efeitos do passo entre as hélices formadas pelo tubo helicoidal, do diâmetro do tubo helicoidal, do ângulo de estreitamento das hélices, do diâmetro das hélices e do diâmetro do escapamento. Os resultados mostram que os coeficientes convectivos previstos pelas correlações empíricas e por CFD são compatíveis entre si. O tubo helicoidal pode aumentar o coeficiente convectivo interno médio em até 40% em comparação ao tubo reto. O passo entre as hélices afeta significativamente o coeficiente convectivo externo; entretanto, não apresenta influência no coeficiente convectivo interno. O estrangulamento do diâmetro do tubo helicoidal pode proporcionar aumento superior a 29% no coeficiente convectivo externo médio. O ângulo de estreitamento das hélices tem potencial para aumentar o coeficiente convectivo externo médio em mais de 27%. O diâmetro das hélices tem impacto significativo em ambos os coeficientes convectivos, sendo os maiores diâmetros capazes de proporcionar coeficientes convectivos externos médios 12% maiores; em contrapartida, menores diâmetros resultam em coeficientes convectivos internos médios 30% maiores. Os resultados experimentais mostram que o ângulo de estreitamento pode intensificar o fluxo de calor em 150% na faixa estudada
Estudo da separação de fases na síntese de ésteres etílicos de ácidos graxos
(2020) Bergamo, Y. C.
Os ésteres de ácidos graxos possuem diversas aplicações interessantes, tais como biocombustíveis, aditivos em pavimentos de concreto e agentes de cura de revestimentos. Para sua síntese, pode ser utilizada a reação de transesterificação de um triacilglicerol e um álcool, obtendo-se o glicerol como subproduto. Atualmente, este procedimento é realizado em grande escala utilizando-se óleo de soja, como fonte de triglicerídeo, e metanol. Porém, o etanol é um álcool bastante promissor como substituinte do metanol, pois é proveniente de fontes renováveis, além de ser mais seguro e menos tóxico. Tais pontos são bastante positivos tratando-se do Brasil, que é um dos maiores produtores de etanol do mundo. Por este motivo, o estudo da viabilidade desta reação vem sendo bastante explorado nos últimos tempos. O grande problema desta reação é a separação de fases dos ésteres etílicos de ácidos graxos (FAEE) e do glicerol, depois do fim da reação. O presente trabalho visou o estudo da separação de fases após da reação de síntese. Esta foi conduzida com catálise homogênea alcalina (KOH), obtendo-se um grau de conversão médio de 84 %. Foram gerados, por simulação, diagramas ternários de equilíbrio de fases entre glicerol, etanol e FAEE com a finalidade de nortear os ensaios realizados. Na previsão desses equilíbrios foram utilizados os modelos termodinâmicos UNIFAC e NRTL-HOC, dentro do simulador Aspen Plus® V10. Esses diagramas indicaram que a separação de fases é facilitada em temperaturas mais baixas. Foram, então, realizados quatro procedimentos diferentes para se promover essa separação. No primeiro foi feito o resfriamento da mistura a ser separada até 20 ºC, mas não se conseguiu a separação entre as fases. No segundo foram retirados 4 % de etanol por destilação, seguido por resfriamento até 20 ºC. No terceiro se promoveu a retirada de 4 % de etanol, adição de 10 % de glicerol e resfriamento até 20 ºC. No quarto ensaio foram retirados 4 % de etanol e depois se fez lavagem com 30 % de água. Nesses três últimos ensaios houve a separação de fases, com tempos de 180, 35 e 5 minutos, respectivamente, para haver a decantação. Os resultados experimentais também mostraram que as estimativas previstas pelo modelo de coeficiente de atividade UNIFAC foram mais precisas do que as estimadas pelo modelo NRTL-HOC.
Modelagem e simulação do processo de epoxidação de óleo vegetal
(2021) Luis, Daniela Denleschi Fernandes
Atualmente, a epoxidação do óleos vegetais é um tema discutido e estudado, por ser uma alternativa verde em substituição aos epóxidos à base de petróleo, como o ftalato de dioctil (DOP), plastificante de maior consumo na produção de PVC. A reação de epoxidação é realizada na presença de ácido peracético, previamente formado através da reação de ácido acético, peróxido de hidrogênio e um catalisador sólido, como a resina de troca iônica. Industrialmente, o processo é realizado em batelada com controle de temperatura do sistema, pois a reação exotérmica pode oferecer riscos a operação. Estudos anteriores não abordaram o equilíbrio de fases do sistema. Sendo assim, este trabalho avalia e propõe uma modelagem para estudo do equilíbrio de fases na reação de epoxidação do óleo de soja. As leis cinéticas foram tomadas da literatura e escritos balanços materiais para cada um dos componentes, num sistema batelada, resolvendo-se em seguida o sistema de equações diferenciais resultante. As simulações mostraram que o uso de uma razão molar maior de ácido acético na reação de epoxidação reduziu o rendimento de grupos epóxi. Contudo, um aumento na quantidade de peróxido levou a uma melhora tanto no índice oxirânico como no índice de iodo. Portanto, a proporção de reagentes sugerida nesse trabalho foi de 1,0 : 0,5 : 2,0 em relação ao óleo de soja, ácido acético e peróxido de hidrogênio. O equilíbrio de fases foi analisado por meio do modelo termodinâmico UNIFAC e validado por meio de dados experimentais provenientes de literatura. Nesse equilíbrio, verificou-se que o ácido acético tem mais afinidade pela fase aquosa do que a orgânica e que o efeito da temperatura foi muito pequeno sobre o coeficiente de partição, praticamente constante e igual a 0,1. Ao se estudar a reação de epoxidação simultaneamente com o equilíbrio de fases, viu-se que realmente há a formação de duas fases, o que tem potencial influência sobre a conversão da reação.
Otimização das condições de operação de um reator de polimerização de metacrilato de metila
(2021) Biaggi, P. N.
O Brasil se enquadra entre os 5 maiores mercados mundiais para tintas e vernizes. A produção brasileira já alcançou valores de faturamento de dezenas de bilhões de reais. Portanto, são fundamentais ferramentas que forneçam informações confiáveis de operação e otimizem as variáveis para o processo de polimerização, que é a reação principal para fabricação das resinas utilizadas na confecção destes revestimentos. Nesse trabalho foi aplicado um modelo matemático de um reator de polimerização de metacrilato de metila para estudo de condições operacionais e a otimização do equipamento em questão. Esse modelo foi adaptado da literatura e o meio reacional foi considerado isotérmico. Para este estudo, a polimerização foi conduzida em solução e semi-batelada para o metacrilato de metila, com iniciador de peróxido de benzoíla e xilol como solvente, contemplando-se as reações de iniciação, propagação e terminação. O ciclo da semi-batelada durou 5 horas, sendo 3 horas para a adição contínua da mistura monômero / iniciador e mais 2 horas para se aumentar o grau de conversão. O sistema de equações diferenciais que rege o modelo foi resolvido por meio do método de Runge Kutta, em Matlab. Os resultados previstos pelo modelo foram validados ajustando um dos parâmetros cinéticos da reação de decomposição do iniciador. O modelo foi submetido à otimização pelo método IPM, em Matlab, com diversas estimativas iniciais para evitar problemas de mínimos locais. Com isso, obteve-se temperatura ótima de reação compreendida entre 114 °C e 118 °C e tempos de adição ótimos limitados à um intervalo de 3,0 h a 3,3 h, afirmando que o reator já opera em condição ótima. Para melhorar as condições de operação, empregou-se uma rampa de aquecimento após 0,33 h do término da adição devido a questões de segurança. A temperatura e a velocidade de aquecimento foram manipuladas de forma a enquadrar a massa molar dentro das especificações obtendo-se conversão acima do especificado, mas de forma mais rápida. Obteve-se uma diminuição de 0,4 h no tempo total de batelada em relação às condições atualmente utilizadas na planta. O resultado representa uma redução de quase 10% do tempo de ciclo, para uma mudança operacional que não requer investimentos no processo.

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