Modeling of liquid-liquid, liquid-vapor and liquid-liquid-vapor equilibria for binary, ternary, quarternay and pseudo-quaternary systems involving biodiesel production

Orientador: Reginaldo GuirardelloDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: A demanda mundial por energia cresce a cada ano. Essa demanda pode atingir níveis que os recursos atuais de combustíveis fósseis não podem sustentar. Neste contexto, os biocombustíveis surgem como uma fonte crescente de energia primária, aumentando a oportunidade de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia a níveis animadores. Uma importante questão relacionada com o desenvolvimento destes biocombustíveis é o equilíbrio de fases entre seus componentes. Este trabalho investiga o equilíbrio líquido-vapor (ELV) de sistemas binários e o equilíbrio líquido-líquido (ELL) de sistemas ternários e quaternários, além do equilíbrio líquido-líquido-vapor (ELLV) de sistemas ternários, compostos por óleo vegetal, álcool, glicerina e éster, envolvidos na produção do biodiesel. O modelo desenvolvido também é capaz de predizer o equilíbrio químico e de fases para vários tipos de óleos vegetais na produção de biodiesel. Para tanto houve a necessidade da estimativa das propriedades físicas destes vários componentes e uma busca por métodos de predição através de contribuição de grupos foi realizada para as propriedades físicas não encontradas na literatura. A minimização da energia de Gibbs foi utilizada para calcular cada fase presente em uma determinada condição de pressão e temperatura, assim como a composição de cada fase prevista. A equação de estado de Soave-Redlich-Kwong (SRK-EOS) com a regra de mistura de van der Waals de dois parâmetros ajustáveis (VdW-2) foi empregada. O software GAMS® 23.1.3 (General Algebraic System Model) combinado com o solver CPLEX foi utilizado para resolver numericamente o modelo matemático. Através de discretização das frações molares, a modelagem do problema pode ser desenvolvida na forma de uma programação linear. Os dados experimentais foram representados de forma satisfatória por estes modelos e utilizando SRK-EOS obteve-se desvio absoluto médio e tempo computacional para sistemas binários, ternários e quaternários respectivamente de 1,03%, 1,39% e 1,30% e 0,17s, 27s e 6s, para os sistemas utilizando metanol. Já para os sistemas que utilizam etanol, o desvio absoluto médio e tempo computacional para sistemas binários e ternários são respectivamente de 0,64% e 2,10% e 0,14s e 26sAbstract: The worldwide energy demand increases every year. This demand will reach levels that cannot be supplied by current conventional fossil fuel resources. In this context, biofuels arise as a growing primary source of energy, raising research opportunities and encouraging technology development. An important technical issue related to biofuels development is the phase equilibrium among their components. This work investigates the vapor-liquid equilibrium (VLE) and liquid-liquid equilibrium (LLE) of binary, ternary and quaternary systems composed by vegetable oil, alcohol, glycerol and ester, involved in biodiesel production. The Gibbs energy minimization was used to calculate the amount of each phase present in a particular condition of pressure and temperature, as well as the composition of each phase predicted. The Soave-Redlich-Kwong (SRK) equation of state with van der Waals mixing rule, with two adjustable parameters (vdW-2) was employed. The GAMS® 23.2.1 (General Algebraic Model System) in combination with the solver CPLEX was used to tackle the large and complex mathematical models. The minimization of the Gibbs energy was done using a discretized procedure, so that the problem could be solved as a linear programming approach. The proposed model is also used to predict the chemical and phase equilibrium for eight types of vegetable oils in biodiesel production. For this purpose it was necessary to estimate the physical properties of these various components and a search for methods of prediction by group contribution was made to physical properties not found in the literature. The experimental data were correlated quite well by the Soave-Redlich-Kwong (SRK) equation of state, with absolute medium deviations and computational time for binary, ternary and quaternary systems using methanol as a compound of: 0.83% and 0.17s, 1.39% and 27s and 1.30% and 6s, respectively. Using ethanol as a compound, the absolute medium deviations and computational time for binary and ternary systems of: 0,64%, 2,10% , 0,14s and 26sMestradoDesenvolvimento de Processos QuímicosMestre em Engenharia Químic