Phase equilibria modeling for biofuels production

Abstract

Em consequência de uma série de problemas ambientais, económicos e políticos relacionados com o uso de combustíveis convencionais, vários países estão agora a focar as suas atenções em combustíveis alternativos. O biodiesel está na linha da frente das alternativas ao petróleo no sector dos transportes, sendo considerado uma opção a curto prazo visto que o seu preço é competitivo e não são necessárias mudanças nos motores para implementar o seu uso. De entres os possíveis processos de produzir biodiesel, a reacção de transesterificação com catálise básica é o método preferido. Depois da reacção são sempre necessários processos de purificação de modo ao biodiesel produzido cumprir os standards definidos para os combustíveis alternativos, reduzindo problemas de motor e consequentemente aumentando a sua aceitação por parte dos consumidores. De entre as especificações encontram-se o conteúdo em água, em álcool e em glicerol. Ser-se capaz de descrever correctamente o equilíbrio de fases de sistemas que são de interesse para os processos de purificação de biodieseis numa gama alargada de condições termodinâmicas é uma condição necessária para uma correcta simulação do processo industrial, de modo a se atingir uma elevada produtividade a baixos custos de operação. O uso de moléculas oxigenadas como combustíveis representa uma alteração significativa em termos da termodinâmica de soluções. Para combustíveis baseados em petróleo as equações de estado cúbicas e os modelos clássicos de coeficientes de actividade mostraram ser apropriados, no entanto para combustíveis novos como o biodiesel, sendo mais complexos do ponto de vista das interacções intermoleculares com formação de dipolos e pontes de hidrogénio, são necessários modelos termodinâmicos mais complexos para descrever essas interacções. Neste trabalho a CPA EoS (Cubic-Plus-Association Equation of State) será desenvolvida de modo a permitir uma descrição adequada dos equilíbrios líquido-vapor e líquido-líquido para uma serie de sistemas binários e multicomponentes contendo água, ácidos gordos, ésteres de ácidos gordos, glicerol e álcoois.

As a consequence of a range of environmental, economical and political problems related to the use of conventional petroleum based fuels, several countries are now focusing their attention on alternative fuels. Biodiesel is at the forefront of the alternatives to petroleum based fuels in the transportation sector, being considered an important short-time option since its price can be competitive with conventional diesel and no motor changes are required. Among the various approaches to produce biodiesel, basic catalyzed transesterification is the preferable method. After the transesterification reaction purification steps are always necessary in order to provide the fuel with the quality levels required by the standards for alternative fuels, reducing engine problems and consequently increasing consumers’ acceptance. Among the specifying minimums are the water, the alcohol and the glycerol contents. Being able to correctly describe the phase equilibria of systems of interest for the biodiesel purification processes in a broad range of thermodynamic conditions is a necessary condition for a correct simulation of the industrial process, in order to achieve high productivity and low operating costs. The use of oxygenated molecules as fuels represents a significant change in terms of solution thermodynamics. While for petroleum-based fuels, cubic equations of state and classic activity coefficient models have proved to be appropriate, new fuels, such as biodiesel, are more complex from the point of view of intermolecular interactions with dipoles and hydrogen bonding being important on these systems. To be able to represent such interactions more complex engineering thermodynamics models are required. In this work the CPA EoS (Cubic – Plus – Association Equation of State) will be developed to provide an adequate description of the vapor-liquid and liquidliquid phase equilibria of several binary and multicomponent systems containing water, fatty acids, fatty acid esters, glycerol and alcohols.