USINA MÓVEL DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL AUTO-SUSTENTÁVEL EPROCESSO MÓVEL DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL
O presente processo descrito visa proporcionar forma técnica viávelpara produção de biodiesel, combustível de fontes renováveis, em atendimento àsdemandas propostas do Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel, PNPB,lançado e fomentado pelo Governo Federal Brasileiro. Trata-se de uma rota e métrica deprodução que proporciona a segurança demandada para operação dos equipamentosenvolvidos e utilização dos produtos obtidos.
A Usina Móvel de Biodiesel, projetada e desenvolvida com foco naprodução sustentável de energia, tem seus pilares técnicos assegurados por pesquisacientífica própria e em fundamentações na literatura científica internacional.
Tendo como principal objeto a sustentabilidade energética eambiental, o processo hora em questão visa estabelecer uma rota e equipamentos paraprodução de biodiesel a partir de óleos vegetais in natura e/ou residuais, de sementesoleaginosas diversas. Para a produção do biocombustível de interesse é necessário comoinsumo, além do óleo, quimicamente denominado triacilglicerídeo, uma fonte alcoólica,preferencialmente primária de cadeia curta e o uso de um catalisador homogêneo,básico ou ácido.
O caráter móvel do processo produtivo é o principal parâmetroinovador conforme o estado da técnica em nível mundial, aliado à inovação quanto àsustentabilidade e auto-suficiência da unidade, uma vez que a mesma pode ser operadaem áreas remotas, sem sequer fornecimento energético ou de insumos, por umdeterminado período de tempo. Destaca-se ainda, no quesito inovação e sustentabilidadea questão de aplicação de produtos do processo de produção em etapas deprocessamento com o objetivo de reduzir a necessidade de insumos externos, além deproduzir uma menor quantidade de rejeitos e reduzir o consumo de energia.
Estado da Técnica
Existem diversos trabalhos realizados acerca da produção debiodiesel, sendo descritos processos de distintas rotas, utilizando normalmente deprocessos em batelada e eventualmente processos semi-contínuos com a inserção detecnologias caras e de difícil operação como a de energia de microondas ou ultra-sônica.
Um exemplo deste é o pedido de patente US 2004/0074760 Al quedescreve uma rota reacional em que o catalisador é misturado ao óleo e aplicada aenergia de microondas para forçar a mistura quando da adição da fonte de álcool. Diz-seque o processo é capaz de produzir não apenas biodiesel, como também produtos dedestilação fracionada como de gasolina, querosene.
O pedido brasileiro PI 0404243-3 Aprotege um processo de produçãode biodiesel a partir de óleo vegetal semi-refinado, álcool anidro e catalisador alcalinoem meio reacional aquecido que ocorre em duas etapas. Ambas ocorrem emtemperaturas entre 60-80°C quando, após a primeira etapa, os produtos são enviados aum estágio de aquecimento para recuperação do álcool não reagido por evaporaçãoseguido de condensação do mesmo. Tão logo a mistura líquida é resinada e separadaem duas fases, a mais leve uma mistura de ésteres e óleo e a mais densa sendo uma afase rica em glicerina. Em seguida a fase leve é direcionada ao segundo reator, aonde éadicionado mais álcool conforme necessidade de continuidade da reação para atingiruma transformação pretendida. Após, o catalisador é neutralizado com um aditivo ácido,o álcool eventualmente em excesso é recuperado e as fases, produtos da reação,separadas, por decantação ou centrífuga. A fase de interesse, a leve, é lavada com amistura de água ao mesmo e logo, fortemente aquecido para retirar a água incorporadana fase orgânica.
Vale ressaltar que o processo supra descrito possui falhas técnicas noque diz respeito à termodinâmica da reação em questão, devido às etapas descritas depós-tratamento da mistura reacional, além de, devido aos processos utilizados, podercomprometer a economicidade do mesmo e ademais, possuir uma dependênciaexcessiva de insumos externos da rota produtiva.
O trabalho brasileiro patenteado como PI 0503631-3 A descreve umprocesso de produção de biodiesel, especialmente de óleo de mamona, mas aplicável aoutras fontes de óleo, cujo processo catalítico, ácido ou básico, ocorre em duas etapas,sendo a primeira em dois vasos reatores em paralelo e, separadas as fases leves e aoutra, mais densa, a primeira é direcionada a um segundo reator, aonde se misturam aslinhas dos dois primeiros tanques, para uma segunda etapa de reação. O referidoprocesso destaca ainda a reutilização de parte do catalisador disponível na glicerina,parte mais densa comentada, para reduzir a emissão de rejeitos. Outro ponto a serdestacado refere quanto à recuperação do álcool, que deve ser adicionado em excesso nareação para que essa ocorra mais rápida e eficientemente. Essa etapa de recuperação érealizada após a separação das fases e lavagem do combustível produzido, como umaetapa de purificação.
Tal trabalho advém com a idéia, ainda insípida, de reuso de uma desuas linhas de processo num estágio seguinte, para aproveitamento do catalisador emexcesso num segundo estágio de reação, contudo tal ação pode interferirconsideravelmente na cinética reacional tendo em vista a incorporação de um produtode reação como veículo de vim insumo. Em contrapartida inicia com a idéia de nãomisturar a fase densa, produto da reação, com a água de lavagem, justamente para nãocomprometer sua re-aplicação seguinte. Tal organização se mostrou interessante esegura em rotas processuais futuras, testadas por esse grupo e um dos motivosfomentadores da distinção deste trabalho.
Outro trabalho recente, PI 0700781-7 A, diz respeito à produção debiodiesel a partir de gordura animal, em particular a suína, fazendo uso de metanolcomo fonte de álcool. Contudo demonstra ser um processo pouco eficaz quanto àqualidade final assegurada do produto quanto também ao que se refere no tempo doprocesso como um todo. Diferentemente, o processo de interesse do presente trabalho,não se aplica à conversão de gordura animal em biodiesel, o foco aqui pretendido podeser aplicado apenas se a referida gordura estiver misturada, sob aquecimento, à um óleovegetal.
Muito bem descrito pelo recente trabalho registrado sob o códigoPI 0604251-1 A, os óleos vegetais, quando extraídos, seja por uso de solventesorgânicos ou por prensagem, carregam na composição desses óleos não apenas ostriacilglicerídeos, mas também algum teor de acidez orgânica, devido à presença deácidos graxos livres. Outros possíveis componentes desses óleos são substânciascomumente denominadas "matéria não saponificável". Intuitivamente pode-se perceberque tais compostos não são transformados em biodiesel quando da reação detransesterificação, logo se faça necessária a remoção dessa fração, a fim de elevar apureza do produto final, o biodiesel. Um dos processos aplicáveis é denominadodegomagem, por exemplo. Entretanto, alguns desses componentes deveriam sermantidos no óleo, mesmo não sendo transformados, contudo eles conferem algumascaracterísticas interessantes ao óleo e ao combustível, como a estabilidade à oxidação,como é o caso dos tocoferóis e esteróis. Infelizmente, em se retirando um doscomponentes não saponificáveis, retiram-se todos os outros. O referido trabalho nãotrata, entretanto da aplicação da parte sólida, produto inerente da etapa de extração doóleo das sementes oleaginosas e que, em adicional, o presente processo inventivoexplora uma potencial aplicação direta numa etapa de purificação do biodiesel, produtoprincipal de interesse.
Sumário da Invenção
Diante de todo o exposto da técnica e fundamentos já existentes,constitui o objeto da presente solicitação, o desenvolvimento de uma rota produtiva debiodiesel, com ênfase num processo de elevada sustentabilidade técnico-econômico-ambiental, adicionada à característica de mobilidade de todo o processo produtivo.
Adicionalmente assume uma posição de destaque no cenáriomercadológico por fornecer uma unidade de produção de biodiesel adequada àspequenas demandas desse biocombustível. Atrelada à mobilidade do processo industrial,pode tornar acessível às mais remotas comunidades um processo inovador detransformação de óleo vegetal in natura ou de fritura em uma fonte de energia paramáquinas e equipamentos agrícolas.
O processo em questão é apto para transformar diferentes óleosvegetais como soja, girassol, canola, pinhão-manso, nabo forrageiro e crambe, além deóleos residuais, proporcionando a reciclagem do mesmo. Como insumo alcoólico, fazuso de alcoóis primários de baixo peso molecular sob processo de catálise homogêneabásica ou ácida.
Tendo em vista que:
1. O PNPB já destaca a necessidade de processos de produção e consumo local debiodiesel;2. Existem inúmeras sementes oleaginosas que fornecem óleo para transformaçãoem biodiesel;
3. As fontes oleaginosas geram considerável quantidade de resíduos sólidos,quando do processo de extração do óleo. Tais resíduos, para determinadassementes oleaginosas ainda não possuem aplicação comercial segura;
4. Os processos de purificação do biodiesel produtivo demandam, em sua maioria,a adição de vários novos insumos;
5. Que a rota de produção de biodiesel é uma potencial geradora de co-produtos.Em sua maioria com baixa aplicação mercadológica até o presente momento;
6. Existe iam balanço energético favorável para reaplicação de determinados co-produtos antes de um eventual descarte.
A proposta de uma UNIDADE MÓVEL DE PRODUÇÃO DEBIODIESEL AUTO-SUSTENTÁVEL visa proporcionar uma tecnologia inovadora deprocesso, agregando conceitos de reengenharia e aproveitamento energético de resíduos,descreve-se o que segue.
Descrição da Invenção
Como motivação inicial, a questão da mobilidade é o primeiro e maisperceptível fator inventivo em questão. Todo o processo produtivo, deste oprocessamento das sementes, pré-tratamento do óleo, seja ele vegetal in natura ouresidual, como a rota produtiva do biodiesel, tendo agregado a parte de armazenamentoe tancagem foi contemplado. Adicionalmente, agregou-se a estrutura equipamentogerador de energia elétrica e reservatórios de água e de água de processo, como tambéminfra-estrutura necessária de instrumentação e controle dos equipamentos e de análisepreliminar da qualidade do produto foco, o biodiesel. Na parte de processamento ereação do óleo, os tanques e reatores foram dispostos de forma a aproveitar ao máximoo desnível vertical, reduzindo a necessidade de número elevado de bombas paracirculação das fases fluidas.
Conforme as Figuras 01 e 02: respectivamente vista em perspectiva evista explodida da USINA MÓVEL DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL AUTO-SUSTENTÁVEL, a usina foi projetada e construída sobre uma estrutura móvel, comouma carroceria articulada de caminhões, estando nesta figura o caminhão representadode forma apenas ilustrativa. Sobre tal estrutura foram construídos e organizados osequipamentos e utilidades, a saber:
1. 02 contêineres (T01 e T02) de armazenamento, de óleo e álcool, para transportedos mesmos durante os deslocamentos;
2. gerador (EOl) de energia elétrica, motor ciclo diesel, o que possibilita aaplicação do produto gerado na usina como fonte energética para o mesmo;
3. unidade (E02) contínua de extração de óleo vegetal de sementes por prensagemmecânica;
4. unidade (E03) de filtração de óleo, de operação semi-contínua, para remoção desólidos em suspensão e recipiente para eventual correção de pH ou adição deagente secante ou floculante, se necessário;
5. na parte esquerda, (E04 e E05) painéis elétricos de controle dos equipamentos;
6. além de 04 reservatórios, em aço inox, para tancagem e alimentação de óleo,vegetal in natura (T03), residual (T04), tancagem de álcool (T05) e um últimodo biodiesel (T06) já produzido e polido;
7. na parte central direita, os reatores e utilidades de processamento, da frente paraa traseira, todos confeccionados em aço inox, a saber:
7.1. primeiro reator (T07) com aquecimento (AOl) e controle de temperaturaentre a ambiente e 80°C, além de agitação controlada por inversor defreqüência limitada entre 450 e 1000 rpm;
7.2. primeiro decantador (T09);
7.3. segundo reator (T08), igualmente ao item 7.1, com aquecimento (A02) eagitação controlados;
7.4. segundo decantador (TIO);
7.5. reservatório (TI2) da fase densa, glicerina, com aquecimento (A03)limitado à 100°C com saídas para líquidos, na base, e para gases, na partesuperior;
7.6. terceiro decantador (T11);7.7. tanque (Tl3) de purificação da mistura de ésteres, e como o tanquereservatório em 7.5, com aquecimento (A04) controlado e com saídas paralíquidos, na base, e para gases, na parte superior;
7.8. trocador de calor (E06) de tubos operado em contra-corrente;
7.9. caixa de passagem (T14) de água limpa;
7.10. (TI5) reservatório de aquecimento (A05) de água limpa para o processo,com limite de 80°C na elevação da temperatura;
7.11. coluna de extração (TI6) líquido-líquido para remoção de impurezashidrossolúveis do biodiesel;
7.12. coluna de secagem (TI7), com aquecimento (A06) controlado entre atemperatura ambiente e 100°C, além de sistema de vácuo (B08)controlado, desde pressão ambiente até 100 mmHg, para polimento finaldo biodiesel.
8. escritório (ES) para organização e trabalhos laboratoriais;
9. armários e laboratório (LB) de análise químico-fisica preliminar do produto.
Todo o conjunto é equipado com sistema de iluminação, saídas deemergência e extintores de incêndio condizentes com a estrutura em questão.
Do processo de produção de biodiesel, representado na Figura 03:Fluxograma do PROCESSO MÓVEL DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL, projetado econstruído sobre uma unidade móvel.
Em se iniciando o processo de produção desde a semente oleaginosa, amesma é prensada mecanicamente (E02) para extração do óleo vegetal, resultandoneste, com elevado teor de sólidos, e uma torta, parte sólida, com reduzido teor de óleoremanescente.
A seguir o óleo é filtrado (E03) e, se necessário, tem seu pH corrigidoantes mesmo de atingir a bomba - móvel - de alimentação (B07). Desta etapa o óleopode seguir para o tanque (TOl) de armazenamento de óleo vegetal in natura.Alternativamente, quando for processar óleo residual, o mesmo tem o início de seuprocesso com a filtração (E03) e em seguida direcionado para tancagem (T02). Adiante,o óleo é alimentado por bombeamento (BOI) em um dos reatores (T07 ou T08), quefuncionam em paralelo, podendo, se necessário, passar por um processo de pré-tratamento, ou refino, no primeiro reator (T07) para remoção de componentes químicosque não sejam oportunos no produto final. Segue para uma etapa de decantação (T09)das fases, sendo a mais leve, a de interesse. O óleo, eventualmente pré-tratado, seguepara o segundo reator (T08), aonde será adicionado por bombeamento (B02) o álcool,sob aquecimento (A02) e forte agitação para forçar a mistura das duas fases. Tão logo ocatalisador é adicionado e, sob controle de temperatura, a reação é desenvolvida.
Reagidos os insumos, produz-se biodiesel e glicerina, que devem serseparados. Devido à considerável diferença de densidade, o processo pode ser realizadopor decantação (T09, TlO ou Tl 1), com o auxílio da gravidade, buscando umaeconomia de energia e de espaço.
Separam-se as fases em diferentes tanques. A fração leve, ésteresgraxos, é direcionada ao tanque de purificação (TI3), e a fração pesada, rica emglicerina e álcool, direcionada ao reservatório (TI2) da fase densa. Um sistemaindependente de aquecimento (A03 e A04) é acionado para evaporação do álcooladicionado em excesso na etapa de reação, para elevar a eficiência e cinética da reação.Sob aquecimento, o álcool é evaporado nos: reservatório de fase densa (T12) e tanquede purificação (TI3) e, posteriormente condensado em trocador de calor (E06) de tubosparalelos em contracorrente ao líquido de arrefecimento. O álcool retorna para oreservatório (T05) de origem, pronto para nova aplicação em processo seguinte, semgeração de resíduos nessa etapa.
Por efeito de co-solubilidade, uma pequena fração de glicerina foicarreada na fase mais leve devido ao álcool que ali esteve solubilizado e que, outrora,acabou de ser retirado por evaporação. Logo se torna simples a retirada dessa pequenafração de impurezas, num processo de extração líquido-líquido (TI6), tendo óleo comofase estacionária, água aquecida é adicionada à coluna, que percola a fase leve;orgânica.
Por não se misturarem, a fase éster, orgânica, e a água se separam pordecantação (T16), a água separada do biodiesel (ainda sob purificação). Uma vezseparados, a água é estocada (TI 8 e Tl9) para aplicação posterior. O biodiesel, comuma pequena umidade incorporada, é direcionado para uma coluna de secagem (TI7)aonde, com aquecimento e redução da pressão por bomba de vácuo (B08) de operação,a água é retirada e liberada na forma de vapor para o meio ambiente. O biodiesel, seco,está pronto para tancagem (T06) e uso como combustível, aplicado puro ou em fraçõesde mistura com o óleo diesel mineral.
Uma inovação proposta na rota descrita refere-se à aplicação daglicerina (retida em T12) como aditivo no líquido de arrefecimento do trocador de calor(E06). A glicerina que, inicialmente não possui aplicação direta no processo, passa afuncionar como um material de transferência de calor, para condensar o álcoolevaporado em (T12) e (T13), retornando o mesmo para o reservatório de álcool (T05).Como a glicerina é completamente solúvel em água, pode ser solubilizada nesta e trocarcalor do vapor de álcool.
Tal organização e arranjo fornece uma estrutura industrialrelativamente compacta, alcançando um elevado índice de eficiência e performance deoperação. Adicionam-se à segurança, já comentada, e à durabilidade da usina, dados aossistemas de amortecimento e conexões desenvolvidos, reduzindo a rigidez do sistema,prevenindo quanto ao surgimento de trincas e desgastes dos equipamentos provenientesdo transporte da unidade. Uma vez montado, os equipamentos são perfeitamenteintegrados, com os componentes conectados através de flanges e juntas flexíveis. Logo,a usina móvel, apesar de possuir um tamanho diminuto para uma unidade industrial,coloca-se em caráter inventivo vim modelo de produção inovador, possível de alcançardiversas localidades com segurança, durabilidade e qualidade no sistema deprocessamento.
Exemplo 1
Recebe lote sementes oleaginosas que são prensadas a frio (E02) paraextração mecânica de óleo vegetal in natura que é despejado no filtro prensa (E03) deonde segue por bombeamento para tancagem (T03). Direciona por bomba (BOI) 100 kgde óleo para o reator (T07) aonde é aquecido à 55°C e misturado a 31 kg álcool,direcionado por bomba (B02) desde seu tanque (T05), e 4,5 kg de catalisador,adicionado manualmente. Sob forte agitação, a mistura permanece por 45 minutos.Direciona por bomba (B03) para separação das fases (Tll) aonde permanece emrepouso por uma hora e de lá, direciona por gravidade a fase inferior para tancagem deglicerina (T12) e a fase leve para purificação (T13), aonde será evaporado o excesso deálcool por aquecimento (A03 e A04) à 75°C por 40 minutos. Direciona o retido notanque, por bomba (B04), para lavagem (TI6), aonde é pulverizada, por bombeamento(B05), água aquecida (TI 5) à 50°C e permanece para separação das fases por30 minutos. Direciona, por gravidade, a água para tancagem (TI 8) e a fase leve parasecagem (TI7) à IlO0C e à 0,80 atm de pressão por 25 minutos. Direciona porbombeamento (B06) o biocombustível pronto para tancagem (T06).
Exemplo 2
Recebe lote de óleo de fritura que é despejado no filtro prensa (E03)de onde segue por bombeamento (BOI) para tancagem (T04). Direciona por bomba100 kg de óleo para o reator (T07) aonde é aquecido (AOl) à 60°C e misturado a 35 kgálcool, direcionado por bomba (B02) desde seu tanque (T05), e 5 kg de catalisador,adicionado manualmente. Sob forte agitação, a mistura permanece por 50 minutos.Direciona por bomba (B03) para separação das fases (T09) aonde permanece emrepouso por uma hora e de lá, direciona por gravidade a fase inferior para tancagem deglicerina (TI2) e a fase leve para purificação (TI3), aonde será evaporado o excesso deálcool por aquecimento (A03 e A04) à 75°C por 40 minutos. Direciona o retido notanque, por bomba (B04), para lavagem (TI6), aonde é pulverizada, por bombeamento(B05), água aquecida (TI5) à 55°C e permanece para separação das fases por30 minutos. Direciona, por gravidade, a água para tancagem (TI 8) e a fase leve parasecagem (TI 7) à IOO0C e à 0,90 atm de pressão por 30 minutos. Direciona porbombeamento (B06) o biocombustível pronto para tancagem (T06).