Computational simulation of deodorization and deacidification of vegetable oils.

Abstract

Resumo: Este trabalho de tese teve como objetivo o estudo por simulação computacional de processos de desacidificação por via física e de desodorização presentes na indústria de óleos vegetais. A modelagem foi desenvolvida tanto para o estudo dos processos em batelada como contínuo em regimes permanente e dinâmico. Para a descrição dos balanços de massa, energia e das relações de equilíbrio, são necessárias equações empíricas e/ou modelos preditivos para o cálculo das propriedades físicas dos componentes da mistura, como a pressão de vapor, calores específicos, entalpias de vaporização, coeficientes de atividade, coeficientes de fugacidade e propriedades críticas. Em vista da grande variedade de dados experimentais de pressão de vapor de compostos graxos disponível na literatura, a primeira etapa deste trabalho foi ajustar uma equação preditiva desta propriedade utilizando o conceito de contribuição de grupos. Em conjunto com o modelo UNIFAC (UNIquac Functional group Activity Coefficients), diversos dados de equilíbrio líquido-vapor de misturas binárias (ácidos graxos, ésteres graxos e triacilgliceróis) e multicomponentes (miscelas de óleo/solvente) foram preditos com sucesso utilizando um programa computacional desenvolvido para o cálculo do ponto de bolha. A segunda etapa foi estudar a desacidificação por via física em batelada, modelando o processo como uma destilação diferencial. O programa computacional desenvolvido foi utilizado na simulação de um trabalho experimental com óleo de coco. O passo seguinte foi a elaboração do programa completo de simulação de uma coluna de dessorção multicomponente, formado por sub-rotinas para o cálculo dos coeficientes de atividade e fugacidade, pressões de vapor, calores específicos e entalpias de vaporização para cada um dos componentes do óleo e do vapor, além do algoritmo de convergência pelo método de Newton-Raphson. Com a implementação do programa e a seleção de alguns óleos vegetais, diversas condições de processamento foram testadas para avaliação da influência das mesmas na composição das correntes de saída (óleo refinado e destilado), em termos da acidez final, perda de óleo neutro e de compostos nutracêuticos. Incorporou-se também ao programa os parâmetros da eficiência de Murphree e arraste mecânico. Reações químicas de degradação ocasionadas pelas altas temperaturas empregadas nestes processos, como a isomerização de ácidos graxos polinsaturados, também foram avaliadas no processo em batelada. Em uma etapa complementar foi modelada a eficiência de vaporização do processo de desodorização de óleos vegetais, associada ao fenômeno da transferência da acidez livre presente no líquido para uma bolha de vapor ascendente, que se expande devido a variação na pressão hidrostática ao longo do leito. Para a conclusão deste trabalho, foi feita uma análise dinâmica do processo de desacidificação por via física. Todos os programas computacionais foram desenvolvidos no software MatLab.Abstract: This work was developed in order to study through simulation, the processes of deacidification by steam refining and deodorization, present in the vegetable oil industry. The modeling was developed for batch and continuous processes in steady-state and dynamic regime. To describe mass and energy balances, and equilibrium relationships, it was necessary to use empirical equations and/or predictive models to calculate physical properties of all compounds of the mixture, as vapor pressure, heat capacities, vaporization enthalpies, activity coefficients, fugacity coefficients and critical properties. Because of the great variety of experimental data for the vapor pressure of fatty compounds available in the literature, the first step of this work was to adjust a predictive equation for this property using the concept of group contribution. In combination with the UNIFAC model (UNIquac Functional group Activity Coefficients), several vapor-liquid equilibrium data for binary (fatty acids, fatty esters and triacylglycerols) and multicomponent (oil/solvent miscellas) mixtures were predicted with success using a computational program developed to calculate the boiling points. The second step was to study the batch steam refining, modeling the process as a differential distillation. The computational program was used in the simulation of an experimental work with coconut oil. In the next step, the elaboration of the complete simulation program for a multicomponent stripping column was carried out through the use of subroutines for calculation of activity and fugacity coefficients, vapor pressures, heat capacities and vaporization enthalpies for each of the oil compounds and of vapor, besides the convergence algorithm using the Newton-Raphson method. Some vegetable oils were selected and their processing conditions were simulated to evaluate their influence on the composition of the product streams (refined oil and distillate), in terms of final oil acidity, neutral oil loss and losses of nutraceutical compounds. Murphree efficiency and entrainment were also included in the program. Degradative chemical reactions, occasioned by the high temperatures of these processes, as polyunsaturated fatty acid isomerization, were also evaluated in the batch process. A complementary task was modeling the vaporization efficiency of the deodorization process of vegetable oils, associated with the transfer of the free acidity present in the liquid phase to an ascending bubble of steam, that expands due to a variation in the hydrostatic pressure throughout the liquid height. To end this work, the steam refining was simulated dynamically. All computational programs were developed using MatLab