Simulation of a catalytic deoxygenation reaction of fatty acids to produce biohydrocarbons and evaluation of the influence of reaction parameters on the conversion and selectivity of products
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Simulação de uma reação de desoxigenação catalítica de ácidos graxos para produção de bio-hidrocarbonetos e avaliação da influência de parâmetros de reação na conversão e na seletividade dos produtos
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Resumo
Atualmente, nota-se uma urgência na busca de fontes renováveis de energia, como as derivadas de biomassa. Tal busca não se limita apenas à minimização das emissões dos gases de efeito estufa, mas também está relacionada à escassez de combustíveis fósseis. O propósito deste estudo é investigar e analisar a produção de bio-hidrocarbonetos a partir de ácidos graxos, através da simulação da reação de desoxigenação no simulador de processos químicos DWSim. Nesta simulação, selecionou-se um reator de desoxigenação catalítica contínuo do tipo tanque agitado com leito fluidizado, buscando compreender a influência dos parâmetros de operação nessa reação. Os parâmetros avaliados foram temperatura, pressão, alimentação de hidrogênio e razão de catalisador/ácido graxo. Para esta simulação, adotou-se a alimentação de hidrogênio e ácido esteárico como matérias-primas, com foco na produção de heptadecano e octadecano. A lei de velocidade foi escolhida a partir de extensa revisão da literatura, bem como as condições de reação. O modelo cinético utilizado como referência foi desenvolvido a partir de reações do ácido esteárico e hidrogênio, na presença de NiMo/Al2O3 como catalisador. Utilizou-se como base uma alimentação de ácido esteárico de 2,4 x 104 m3 ano-1, valor médio de alimentação de matéria-prima graxa praticado em plantas de biodiesel no estado de Minas Gerais, Brasil. A partir da variação destes parâmetros para uma análise de sensibilidade, tendo a conversão como resposta-chave, definiram- se as seguintes condições ótimas de operação: temperatura de 650 K, pressão de 50 bar, alimentação de hidrogênio molecular de 4,1 x 10-3 m³ s-1 e massa de catalisador de 8 kg. Sob essas novas circunstâncias, a conversão de ácido esteárico atingiu um valor de 99,23 %. A simulação desta reação nos permitiu entender o efeito dos principais parâmetros reacional nos produtos da reação, se mostrando uma ferramenta importante e robusta, a ser utilizada em projetos e análises de viabilidade de plantas e biorrefinarias.
Abstract
Nowadays, there has been an urgency in the search for sustainable energy sources, such as those derived from biomass. This search is not only limited to minimizing greenhouse gas emissions but is also related to the increasing scarcity of fossil fuels. This work aims to investigate and analyze the production of bio-hydrocarbons from fatty acids through the simulation of the deoxygenation reaction by the DWSim software. In this simulation, a continuous catalytic deoxygenation reactor of the stirred tank with fluidized bed type was selected, aiming to understand the influence of operating parameters on this reaction. The parameters evaluated were temperature, pressure, hydrogen feed, and catalyst mass. For this simulation, hydrogen and stearic acid were chosen as feedstocks, focusing on the heptadecane and octadecane production. The rate law was chosen based on an extensive literature review, as well as reaction conditions. The kinetic model used as a reference was based on reactions of stearic acid and hydrogen in the presence of NiMo/Al2O3 as a catalyst. A stearic acid feed of 2.4 x 104 m3 year-1 was used as a base, representing the average feed of fatty raw material practiced in biodiesel plants located in the state of Minas Gerais, Brazil. From the variation of these parameters for a sensitivity analysis, with conversion as the key response, the following optimal operating conditions were defined: temperature of 650 K, pressure of 50 bar, molecular hydrogen feed of 4.1 x 10-3 m³ s-1, and catalyst mass of 8 kg. Under these new circumstances, the conversion of stearic acid reached a value of 99.23 %. The simulation of this reaction allowed us to understand the effect of the main reaction parameters on the reaction products, proved to be an important and robust tool to be used in projects and feasibility analyses of plants and biorefineries.
Assunto
Fontes renováveis de energia, Combustíveis fósseis, Bio-hidrocarboneto, Biorrefinaria, Ácidos graxos, Desoxigenação catalítica
Palavras-chave
Ácido esteárico, Desoxigenação, Simulação, Biorrefinaria, Bio-hidrocarbonetos
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