Orientador: Osvaldir Pereira Taranto

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Uma aplicação importante na micro fluídica é a síntese de biodiesel em micro reatores. Estes micro dispositivos garantem vantagens em tal processo, uma vez que, por meio deles, pode-se produzir o biocombustível continuamente, a altas taxas de conversão, já que permitem o alto nível de...

Resumo: Uma aplicação importante na micro fluídica é a síntese de biodiesel em micro reatores. Estes micro dispositivos garantem vantagens em tal processo, uma vez que, por meio deles, pode-se produzir o biocombustível continuamente, a altas taxas de conversão, já que permitem o alto nível de contato entre as duas fases reagentes. Neste contexto, este trabalho consiste da aplicação de um modelo numérico baseado no método volume de fluido (VOF), implementado no software OpenFOAM® para simular a síntese de biodiesel em micro reatores com elementos estáticos. Foram avaliados os micro reatores de geometria em chicanas – micromixer with static elements – (MSE), e os micro reatores com obstáculos circulares – micromixer with circular obstructions – (MCO). Foram desenvolvidas simulações numéricas para investigar a transesterificação do óleo de girassol com etanol e catalisador alcalino. As simulações de mistura de fluidos, transferência de massa sem reação química, foi desenvolvida variando-se o número de Reynolds de 0,01 a 100, para o MSE. Também foi aplicado um planejamento experimental Box-Behnken para investigar a conversão de óleo para as condições operacionais: temperatura (25°C - 75°C); razão molar etanol/óleo (6:1 – 12:1) e concentração mássica de catalisador (0,75% - 1,25%), todos os experimentos para o micro reator MSE. Com os resultados obtidos foi desenvolvida uma análise estatística a fim de obter um modelo de regressão que ajustasse superfícies de resposta para a conversão de óleo no processo. Os resultados apontaram para um índice de mistura máximo de 0,865 empregando uma razão molar de alimentação etanol/óleo no micro reator de 9:1 a Re = 100 para o óleo de girassol. Os resultados numéricos da síntese de biodiesel mostraram que este modelo foi eficaz em predizer as condições operacionais para a máxima conversão de óleo tendo como referência de verificação trabalhos anteriores. A máxima conversão de óleo obtida foi de 97,25% a 50°C, razão molar de etanol/óleo de 9:1 e concentração mássica de catalisador de 1,00% para um tempo de residência do óleo de 12 s. O modelo de regressão obtido por meio do STATISTICA® apresentou alto nível de correlação com os resultados obtidos das simulações numéricas, com coeficiente de determinação estimado em R² = 0,99, para um índice de confiança de 95%. As superfícies de resposta ajustadas para a conversão do óleo apresentaram em relação à conversão do óleo em função da temperatura e concentração mássica de catalisador, boa concordância com as observações de trabalhos anteriores. Desta forma, o modelo proposto para simular a produção de biodiesel em micro reatores com elementos estáticos mostrou-se uma ferramenta promissora para futuras investigações numéricas

Abstract: Biodiesel synthesis can be performed in microreactors for process intensification. These microdevices provide conversion enhancement in biodiesel production since microchannel geometry causes changes in flow direction that propitiates phases contact and, consequently, increasing mass...

Abstract: Biodiesel synthesis can be performed in microreactors for process intensification. These microdevices provide conversion enhancement in biodiesel production since microchannel geometry causes changes in flow direction that propitiates phases contact and, consequently, increasing mass transfer and reaction rates. In this context, we present the application of a volume-of-fluid (VOF) model based implemented in OpenFOAM to simulate biodiesel synthesis in a structured microreactor. We applied the micromixer with static elements (MSE) design in numerical simulations, to investigate transesterification of sunflower oil with ethanol and sodium hydroxide catalyst. The mixing of fluids was analyzed for Reynolds number of 0.01-100. We also applied a Box-Behnken experimental design to investigate oil conversion for a range of operating conditions: temperature (25-75°C), ethanol/oil molar ratio (6:1-12:1) and catalyst concentration (0.75-1.25%). Statistical analyses were performed on numerical results in order to obtain a regression model to fit response surfaces for oil conversion. We obtained a maximum mixing index around 0.9 applying 9:1 ethanol/oil molar ratio at Re = 100. Numerical results accurately predicted the highest oil conversion conditions in comparison with experimental studies. The optimum oil conversion noticed was 97.25% at 50°C, 9:1 ethanol/oil molar ratio and 1.00% catalyst mass concentration for a residence time of 12 s. Regression model obtained by analysis on STATISTICA® presented high correlation with obtained numerical results (R² = 0.99). Fitted response surfaces for oil conversion are in good agreement with observations for experimental studies. The proposed model to simulate biodiesel synthesis in structured microreactor denotes to be a promising tool for future numerical investigations

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