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Estudos Os Estudos Biodiesel de Gordura Animal
Estudos Os Estudos Biodiesel de Gordura Animal Todas as usinas de biodiesel do Brasil
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Biodiesel de Gordura Animal |
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| sábado, 29 julho 2006 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
O biodiesel foi preparado por via química utilizando NaOH como catalizador, foi purificado através da percolação em bentonita e caracterizado através de análises químicas e físicas (acidez, viscosidade, teor de água, ponto de fulgor, etc), sendo que a porcentagem de conversão foi determinada por RMN1H. Foram feitas as análises funcionais em bancada dinamométrica, demonstrando detalhadamente toda a performance das misturas: 2%, 5% e 20% de biodiesel metílico de gordura animal adicionado ao diesel comum. As avaliações foram realizadas no laboratório de ciências térmicas da PUC-PR. Objetivos específicos 1. Utilizar rejeitos gordurosos de abatedouros de bovinos, sem refino, como matéria-prima para a preparação dos ésteres. 2. Realizar a reação de transesterificação para obtenção de Biodiesel através de método químico, utilizando-se de catalisador alcalino, para um melhor rendimento. 3. Purificar os ésteres obtidos na reação dos experimentos laboratoriais pelo uso de argilas (Bentonita). 4. Avaliar as características dos ésteres obtidos através de análises físicas e químicas como: viscosidade, densidade ponto de fulgor etc, bem como a porcentagem de conversão. 5. Avaliar em dinamômetro a performance dos ésteres obtidos, misturados com diesel nas proporções de 2%, 5% e 20% (biodiesel tipo B2, B5 e B20 respectivamente). 6. Avaliar e quantificar as emissões dos principais poluentes resultantes da queima dos ésteres obtido misturado ao diesel comum em proporção de 20%. {viewonly=registered,special} AutoresAndré Julião Monteiro GarciaJoão Paulo Minuzzi Tookuni ResumoEsse trabalho apresenta o desenvolvimento de uma fonte de matéria prima a base de gordura animal, reaproveitando resíduos de graxa industrial. Nele encontram-se: forma de produção, caracterização e resultados da avaliação em bancada dinamométrica do biodiesel metílico de gordura animal.O biodiesel foi preparado por via química utilizando NaOH como catalizador, foi purificado através da percolação em bentonita e caracterizado através de análises químicas e físicas (acidez, viscosidade, teor de água, ponto de fulgor, etc), sendo que a porcentagem de conversão foi determinada por RMN1H. Foram feitas as análises funcionais em bancada dinamométrica, demonstrando detalhadamente toda a performance das misturas: 2%, 5% e 20% de biodiesel metílico de gordura animal adicionado ao diesel comum. As avaliações foram realizadas no laboratório de ciências térmicas da PUC-PR, sendo que para os testes de emissões fez-se necessário a presença de um técnico e equipamentos de medições do LACTE. A porcentagem de conversão dos ésteres foi de 88%, porém o processo de purificação com bentonita, aumentou significativamente a qualidade do biodiesel produzido. Na avaliação de performance das misturas B2, B5, B20, os resultados das curvas de potência, torque, consumo de combustível, rendimento térmico e outras, mostram que não há diferença significativa de funcionamento e performance quando comparado ao diesel puro. Com os resultados das emissões de poluentes utilizando-se da mistura de 20% de biodiesel metílico de gordura animal e comparado ao diesel puro e a uma mistura de 20% de biodiesel de óleo de soja(padrão comercial), verifica-se uma significativa diminuição da emissão de poluentes como: Nox ( NO, NO2 e N2O) e CO. Com os resultados alcançados demonstrou-se que o reaproveitamento da graxa industrial para a produção de biodiesel é tecnicamente viável e de satisfatória qualidade. Palavras-chave Biodiesel, Ésteres, Bancada dinamométrica, Emissão de poluentes Siglas e Abreviaturas ANP – Agência Nacional do Petróleo RMN1H – Espectropia de Ressonância Magnética Nuclear de Hidroênio IR – Índice de Refração MP – Medida Provisória Agradecimentos FRIGORÍFICO ARGUS, UTFPR, FILTROIL, PUC-PR, URBS, TECPAR, LAC-TEC e UFSC . Aos professores: Dr José Velásquez Alegre e Dr Luciano F. dos Santos Rossi, do departamento de Mecânica, UTFPR. Aos funcionários da empresa Filtroil: Mariane Kawano- Analista Química e ao sr Marlus Krugel – Químico Responsável, pelo auxílio nas etapas de produção do biodiesel. Ao sr Jair, técnico responsável pelo equipamento de medição do LACATEC, utilizado para os teses de emissões de poluentes. E em especial ao professor Dr Pedro Ramos da costa Neto que foi orientador e grande motivador da equipe, para que se concluísse o projeto Biodiesel de Gordura Animal.
Ressalta-se que as montadoras de veículos e as fornecedoras de peças e equipamentos mantêm a garantia para veículos que utilizarem biodiesel. Mesmo considerando a geração de motores em uso na Europa mais avançada do que a brasileira, esta será nossa realidade tecnológica futura, o que possibilita aguardar tal evolução, caso não se deseje fazer testes para viabilização. Já o governo argentino, cuja frota é bastante similar à nossa, autorizou o uso de biodiesel no final de 2001, especificando as características desejadas para o produto. [1] No Brasil há diversas experiências sobre o uso de biodiesel, oriundo de óleos novos e usados, puros ou misturados ao diesel. Entretanto, apenas em 1998 o órgão regulador do setor, a Agência Nacional de Petróleo (ANP), publicou a Resolução no180, sobre a necessidade de realização de testes pré-aprovados para a homologação de combustíveis não especificados. [2] Testes realizados comprovaram o potencial de mistura do biodiesel ao diesel, sendo sugerida uma proporção de até 1:5. Mesmo considerando o aumento no consumo decorrente do balanço desfavorável entre o maior número de cetano e menor Poder Calorífico Inferior, o biodiesel demonstra-se viável tecnicamente.[3] A implementação de um programa energético com biodiesel no Brasil abre oportunidades para grandes benefícios sociais decorrentes do alto índice de geração de emprego por capital investido, culminando com a promoção do trabalhador rural, além de demanda qualificada para o processamento. A pouco tempo foi inaugurada a primeira refinadora de biodiesel do país com a presença do presidente da república federativa do Brasil, Luis Inácio Lula da Silva. A Tabela 2 apresenta as emissões dos principais poluentes para o biodiesel puro (B100) , e misturado ao diesel nas proporções,5, 10, e 20%.[6] Tabela 2 Emissão dos principais poluentes[6]
A Agência Nacional do Petróleo (ANP) regulamentou e estabeleceu a especificação do biodiesel e a estrutura da cadeia de produção, distribuição e comercialização do combustível para uso comercial em todo o país, por meio de adição de 2% ao diesel derivado de petróleo (B2). A partir de 2008 torna-se obrigatória a utilização desta mistura. E no ano de 2013 será obrigatória a utilização de 5% de biodiesel adicionado ao diesel comercial.[2] Além da resolução da ANP com a especificação do produto e da resolução que dispõe sobre o exercício da atividade de produtor de biodiesel, também foram revistas 18 resoluções da ANP sobre o abastecimento nacional de combustíveis, em função da inclusão do biodiesel, entre os produtos regulados pela Agência com a edição da MP nº 214/2004.[2] A mistura do biodiesel ao diesel de petróleo será feita pelas distribuidoras de combustíveis, a exemplo do modelo adotado para a adição de álcool anidro à gasolina comercializada pelos postos revendedores. As refinarias também poderão fazer a mistura e, posteriormente, fornecerão o B2 às distribuidoras de combustíveis automotivos. A regulamentação também permite usos específicos do biodiesel, com misturas superiores ao teor de adição estabelecido pelo marco regulatório, desde que autorizadas pela ANP. [2] A ANP integrou a comissão interministerial encarregada de desenvolver o plano de trabalho para o lançamento do biodiesel, ficando responsável pela adequação do arcabouço regulatório, além de prestar a sua colaboração em mais de dez grupos de trabalhos temáticos sobre o Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel, tendo maior efetividade de participação no grupo coordenado pelo Ministério de Ciência e Tecnologia que tratou do desenvolvimento tecnológico do biodiesel. [2] ObjetivosObjetivo GeralO objetivo principal deste trabalho foi avaliar em bancada dinamométrica o desempenho funcional do biodiesel de gordura animal em relação ao diesel comum (eficiência, curvas de potência, torque, rendimento etc) bem como a análise da emissão dos principais poluentes. Objetivos específicos 1. Utilizar rejeitos gordurosos de abatedouros de bovinos, sem refino, como matéria-prima para a preparação dos ésteres. 2. Realizar a reação de transesterificação para obtenção de Biodiesel através de método químico, utilizando-se de catalisador alcalino, para um melhor rendimento. 3. Purificar os ésteres obtidos na reação dos experimentos laboratoriais pelo uso de argilas (Bentonita). 4. Avaliar as características dos ésteres obtidos através de análises físicas e químicas como: viscosidade, densidade ponto de fulgor etc, bem como a porcentagem de conversão. 5. Avaliar em dinamômetro a performance dos ésteres obtidos, misturados com diesel nas proporções de 2%, 5% e 20% (biodiesel tipo B2, B5 e B20 respectivamente). 6. Avaliar e quantificar as emissões dos principais poluentes resultantes da queima dos ésteres obtido misturado ao diesel comum em proporção de 20%. 7. Utilizar os resultados obtidos para a elaboração de um artigo a ser publicado em revista científica ou apresentação em congresso científico. JustificativaO biodiesel se torna de extrema importância, pois verifica-se o interesse com que o assunto vem sendo colocado em pauta não só nacionalmente, mas globalmente. Principalmente, pela dependência do diesel bastante intensa, já que o transporte de materiais pelo país se faz quase que predominantemente por rodovias.Para a realização do trabalho foi necessário sintetizar o biodiesel, fazendo se de grande importância um suporte do departamento de química da UTFPR, suas instalações e laboratórios. A engenharia mecânica, necessária para o estudo das propriedades físicas do combustível, emissão de poluentes e rendimento comparativo em relação ao diesel. Esta interação departamental (Química e Mecânica), para a realização deste trabalho contribui com nossas formações de Engenheiros Mecânicos. O subsídio do projeto foi de responsabilidade dos alunos que tiveram como objetivos demonstrar a possibilidade de se produzir biodiesel a partir de rejeitos de abatedouros e demonstrar também, vantagens sociais, contribuindo com o avanço tecnológico nacional. O tema é de relevante importância para a situação econômica, social e ambiental em que se encontra o Brasil e o mundo. Trata-se de um tema de relevância global para um desenvolvimento auto-sustentável de recursos naturais reaproveitando potenciais poluentes, minimizando desperdícios. Trata-se de um projeto inserido na realidade atual do país, pois tem-se autorizado a utilização de biodiesel misturado ao diesel comercial. A partir de 2008 torna-se obrigatório o uso de biodiesel adicionado ao diesel. Desejou-se avaliar o biodiesel sintetizado a partir de gordura sem beneficiamento como matéria prima e compará-lo ao desempenho do diesel comum. Foram analisadas suas características, para uma conclusão científica mais completa e de maior qualidade. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA2.1 BiodieselDe um modo geral, biodiesel foi definido pela "National Biodiesel Board" dos Estados Unidos como o derivado mono-alquil éster de ácidos graxos de cadeia longa, proveniente de fontes renováveis como óleos vegetais ou gordura animal, cuja utilização está associada à substituição de combustíveis fósseis em motores de ignição por compressão (motores do ciclo Diesel).[7]Enquanto produto pode-se dizer que o biodiesel tem as seguintes características:é virtualmente livre de enxofre e aromáticos, tem alto número de cetanos (superior a 50), possui teor médio de oxigênio em torno de 11%, possui maior viscosidade e ponto de fulgor, comparado ao óleo diesel convencional, apresenta excelente lubricidade e é perfeitamente miscível em óleo diesel, possui atualmente nicho de mercado específico, diretamente associado à atividades agroindustriais, caracteriza-se por um grande apelo ambiental, embora tenha preço de mercado relativamente superior ao óleo diesel. A reação de transesterificação deve ser completa, acarretando ausência de ácidos graxos remanescentes, O biocombustível deve ser de alta pureza, livre de glicerina (livre ou ligada) e de qualquer catalisador residual.[7] A Agência Nacional do Petróleo – ANP, lançou, no começo do ano de 2003, uma proposta de especificação do Biodiesel puro para ser utilizado misturado a até 20%. Tal proposta foi baseada nas normas européias (DIN 14214) e americanas (ASTM D-6751), como mostra a Tabela A1 do apêndice A: [1] Quando comparado ao Diesel, espera se que o Biodiesel tenha como vantagens: a reduções na emissão de monóxido de carbono CO, reduções na emissão hidrocarbonetos, aromáticos e policíclicos, reduções na emissão de fumaça emitida pelo escapamento do motor diesel, teor de enxofre e de aromáticos nulos, permitindo ampliar a vida útil do catalisador do sistema de escapamento de automóveis. Melhora na lubricidade do motor, número de cetano mais elevado que o Diesel ( (maior 50), seja biodegradável, cause diversificação da matriz energética, tenda a melhorar a logística de transporte, possua pontos de combustão e fulgor mais seguros para manipulação fabril e não seja tão tóxico quando comparado ao Diesel fóssil. [8] Quanto ao processo de produção, o biodiesel pode ser bem exemplificado pela Figura A1 constante no anexo A. O biodiesel pode ser obtido através da reação entre óleos vegetais ou gordura animal, com um álcool e um catalisador, processo este conhecido como transesterificação. Os produtos da reação química são: ésteres (o biodiesel) e o glicerol.[8] A reação de transesterificação pode empregar diversos tipos de álcoois, preferencialmente os de baixo peso molecular, sendo os mais estudados os álcoois metílico e etílico. A reação com metanol, de cadeia mais curta e mais polar que o etanol, é tecnicamente mais viável. O etanol deve ser utilizado anidro, visto que a água atuaria como inibidor da reação. O etanol vem se tornando popular por também ser renovável e menos tóxico que o metanol. O hidróxido de sódio é o catalisador mais utilizado, tanto por razões econômicas quanto por sua disponibilidade no mercado. O tipo de catalisador, as condições da reação e a concentração de impurezas numa reação de transesterificação determinam o caminho que a reação segue.[8] A separação da glicerina formada no processo é resolvida mediante a simples decantação. Quanto ao catalisador, a reação pode utilizar o tipo ácido ou alcalino, ou ainda, enzimática. Geralmente a reação feita na indústria é a reação em meio alcalino, uma vez que este meio apresenta melhor rendimento e menor tempo de reação que o meio ácido, além de apresentar menores problemas relacionados a corrosão de equipamentos. Por outro lado, os triglicerídeos precisam ter acidez máxima de 2%, o que eleva os custos e pode inviabilizar o processo produtivo. A separação do glicerol é feita mediante a decantação, como já comentado, ou ainda utilizando-se de centrifugação para acelerar o processo. [9] Em seguida faz-se necessário o processo de purificação da mistura de ésteres com excedente de álcool e material não convertido. Antes da transesterificação é sempre aconselhável uma pré-purificação e secagem dos óleos para melhorar a qualidade do processo, Figura1.  Figura 1: Esquema da Reação de Transesterificação para obtenção de biodiesel[8] O processo de refino dos produtos decorrentes do processo de transesterificação é difícil e pode elevar substancialmente os custos de produção. A pureza do biodiesel deve ser elevada e de acordo com especificações técnicas a cima de 96,5%.[8] A mistura típica de uma reação de trasesterificação contém ésteres, monoglicerídios, glicerol, álcool, e catalisador, em várias concentrações. Na separação o principal objetivo é remover os ésteres desta mistura, a baixo custo assegurando um produto de alta pureza. [9] A glicerina formada deve ser decantada, podendo ainda ser purificada para fins comerciais. A purificação da glicerina bruta pode ser feita por destilação a vácuo, gerando um produto límpido e transparente. [8] Caso a reação de transesterificaçao seja incompleta ou caso a purificação seja insuficiente, o biodiesel produzido pode ficar contaminado com glicerol livre e retido, triglicerídeos, álcool e resíduos do catalisador. [8] A presença de contaminantes pode ser prejudicial para os motores e para o meio ambiente. Para isto será utilizada, neste caso, a purificação pela adição de Bentonita e posterior filtragem do biodiesel produzido a partir de gordura animal. As amostras para produção de biodiesel devem ser caracterizadas através de procedimentos que determinem quantitativamente e qualitativamente as propriedades físicas e químicas de um combustível. Tais características são citadas no apêndice B. Também no apêndice B encontram-se algumas especificações das normas DIN 14214 e ASTM D-6751.[10] Outras especificações e procedimentos para a realização das analises podem ser encontradas na referencia bibliográfica[11]. 3 MATERIAIS E MÉTODOS.O biodiesel metílico foi sintetizado a partir de gordura animal, proveniente da graxaria de frigoríficos e resíduos industriais que continham predominantemente gordura bovina, respeitando as exigências da ANP e seguindo normas da AOCS Official Method. Assim realizou-se a preparação dos ésteres metílicos que não são especificadas no site da ANP. Testes laboratoriais foram realizados nas instalações do departamento de Química da UTFPR segundo procedimentos conhecidos na literatura específica. O biodiesel sintetizado foi avaliado através de análies físicas e quimicas, e através de RMN1H. Este foi realizado no departamento de Química da UFSC, demonstrando o percentual de conversão do biocombustível obtido. A avaliação em bancada dinamométrica foi realizada nas instalações da PUC-Pr e as análises de emissões de poluentes foram realizada, na mesma bancada, com instrumentos de medição concedidos pelo LAC TEC. O funcionamento e a performance do biodiesel obtido gerou tabelas comparativas de rendimento, curvas de potência das proporções de biodiesel / diesel, gráficos etc.As etapas do projeto estão simplificadas e demonstradas conforme o diagrama da Figura 2. Outras informações organizacionais e de cronograma, explicitam-se a seguir. Síntese do Biodiesel: |
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Item |
Valor estimado |
Unidade |
Custo unitário (R$) |
Custo total (R$) |
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Trabalho da equipe |
900 |
h |
10,00 |
9000,00 |
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Orientação |
60 |
h |
45,00 |
2700,00 |
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Matéria prima sem refino |
20 |
kg |
0,80 |
16,00 |
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Outros reagentes |
-x- |
-x- |
-x- |
100,00 |
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Análises químicas e físicas |
-x- |
-x- |
-x- |
200,00 |
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Óleo diesel |
50 |
Litros |
1,60 |
80,00 |
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Total |
-x- |
-x- |
-x- |
12096,00 |
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Total a ser financiado pelo aluno ou equipe |
-x- |
-x- |
-x- |
12096,00 |
Riscos previstos
A Tabela 6 contém os riscos e suas pontuações respectivas, mostrando a medida de contingência a ser tomada em cada situação.
Tabela 6 – Mapeamento dos Riscos do Projeto
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Risco |
Gravidade (G) |
Probabili-dade de ocorrência (O) |
Índice de risco (IR = G x O) |
Medida de contingência (para G ou O maior ou igual a 5 e para G x O maior ou igual a 30) |
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Aluno ou equipe sem acesso a informações importantes para realizar o trabalho |
8 |
3 |
24 |
Informar o orientador e o professor titular da disciplina. |
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Um ou mais componentes da equipe não se dedica ao projeto |
9 |
5 |
45 |
Tentar entendimento entre equipe. Informar ao professor titular da disciplina. |
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Conflito entre componentes da equipe |
9 |
2 |
18 |
Tentar entendimento entre equipe. Comunicar professores orientadores e titular da disciplina. |
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Um componente da equipe abandona o projeto |
8 |
2 |
16 |
Continua o projeto com os integrantes restantes. |
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Dois componentes da equipe abandonam o projeto |
10 |
1 |
10 |
Comunicar os professores orientadores e Titular da disciplina. |
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Parceiro externo desiste de colaborar com o projeto |
9 |
7 |
63 |
Desenvolvimento de segundo parceiro e correção de cronograma. |
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Financiamento é cancelado |
8 |
5 |
40 |
Equipe arca com custos até obtenção de novo financiamento. |
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Problema formulado não pode ser resolvido |
8 |
4 |
32 |
Relata em monografia eventuais problemas. |
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Risco |
Gravidade (G) |
Probabili-dade de ocorrência (O) |
Índice de risco (IR = G x O) |
Medida de contingência (para G ou O maior ou igual a 5 e para G x O maior ou igual a 30) |
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Orientador abandona o projeto |
10 |
3 |
30 |
Informar professor titular da disciplina, buscar nova orientação e ajustar cronograma. |
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Orientador não orienta |
10 |
1 |
10 |
Conversar com Orientador. Comunicar ao professor Titular da disciplina. |
4 SÍNTESE DO BIODIESEL - TRANSESTERIFICAÇÃO
A síntese do biodiesel foi realizada com resíduos de gordura animal e álcool metílico, usando a proporção 1 : 6 e 1,5% de NaOH, segundo referência [7] .Utilizou-se o reator da Figura 3.
Foi instalado um reator na Filtroil (Figura3), empresa que tem por atividade reciclar água e solventes oriundos de outras empresas. O reator é o recipiente utilizado para fazer a reação de transesterificação e é equipado com um sistema de aquecimento a vapor e um motor responsável pelo sistema de agitação (Figura 4), a reação ocorre a aproximadamente 60oC.
5 Purificação
A purificação do biodiesel foi realizada usando 3% de bentonita e aquecendo a mistura até 120°C. Na seqüência o biodiesel foi separado por filtragem simples conforme aparato mostrado na Figura 5.
6 ANÁLISES QUÍMICAS E FÍSICAS
6.1 Acidez em ácido oléico (%)
Para a determinação da acidez em ácido oléico (%)8, foi preparada uma solução neutralizada de álcool etílico – éter etílico (partes iguais de álcool etílico com éter etílico e gotas de fenolftaleína) acrescido de uma solução de hidróxido de sódio a 0,1 mol/L até a coloração levemente rósea.Pesou-se 10g de amostra, e adicionou-se 50 ml da solução neutralizada (álcool etílico – éter etílico), acrescentou-se gotas de indicador fenolftaleína e titulou-se com solução de hidróxido de sódio na concentração de 0,1mol/L até a coloração rósea. O cálculo da acidez em ácido oléico foi realizado da seguinte maneira:
Acidez em acido oléico, % = A x f x 2,82 / P [11]
Onde; A = número de ml de sol. de NaOH 0,1mol/l gastos na titulação
f = fator da solução de NaOH 0,1 mol/l (f da solução usada na determinação foi de 0,9998)
P = peso da amostra
6.2 Viscosidade
A viscosidade dos materiais foi determinada através de viscosímetro do tipo HOPPLER® KF 3.2. A amostra foi colocada no tubo interno do viscosímetro juntamente com a esfera referente ao tipo de fluido especificado pelo fabricante e este tubo foi fechado. No tubo externo do aparelho circulava uma corrente de água para manter constante a temperatura do tubo da análise. A esfera escoou através da amostra e o tempo de escoamento entre as marcas do tubo foi anotado. Com os valores do tempo, temperatura, densidade da amostra, densidade da esfera e com o auxílio da equação fornecida pelo fabricante do aparelho foram calculados os valores referentes à viscosidade.6.3 Densidade
A densidade dos materiais foi obtida através do método com o picnômetro8, da seguinte maneira: Pesou-se o picnômetro vazio e com água, devidamente seco, a operação foi repetida com as amostras.O cálculo da densidade foi realizado da seguinte maneira:
Densidade = P2 – P / P1 – P [11]
Onde; P = peso do picnômetro vazio
P1= peso do picnômetro com água
P2= peso do picnômetro com a amostra
6.4 Teor de Água
O método baseia-se na reação do iodo com a água que ocorre na célula de reação. Uma toma de massa conhecida de biodiesel, ou de óleo, é injetada na célula de reação do coulometro (684 KF Coulometer da Metrohm), na qual o iodo para a reação de Karl-Fischer é gerado no ânodo. Quando toda a água for titulada, o excesso de iodo é detectado pelo aparelho e a titulação termina. A quantidade de água é determinada com base na estequeometria de reação, um mol de iodo reage com um mol de água, sendo a quantidade de água proporcional a corrente total integrada de acordo com a Lei de Faraday (efetuada automaticamente pelo aparelho). O aparelho devolve o valor de água na toma de ensaio injetada na célula de reação. Para calcular a percentagem de água no biodiesel é preciso aplicar a equação que se segue.W água = 1000 m2 / (m1 x106)
onde:
m2 – massa de água na toma de ensaio, em mg;
m1 – massa de toma de ensaio, em g.
6.5 Determinação do conteúdo de ésteres metílicos por RMN H1
A porcentagem de conversão do óleo em ésteres metílicos foi determinada por RMN 1H. Para a quantificação dos ésteres, o método consistiu em relacionar diretamente as áreas (a1 e a2), dos sinais selecionados em 2,3 e 3,7 ppm (hidrogênios metilênicos a-carboxílico no óleo e metóxi nos ésteres, respectivamente), conforme a Equação:Y% = 100. (2a1/3a2)
Onde: Y = porcentagem de conversão em ésteres metílicos,
a1 = área dos prótons metilênicos a-carboxílico no óleo (2,3 ppm),
a2 = área dos prótons metóxi dos ésteres (3,7 ppm).
7 TESTES EM BANCADA DINAMOMÉTRICA
A bancada dinamométrica consiste em um motor diesel estático preso a uma bancada para se manter alguns parâmetros de interesse sob observação e monitoração. A Figura 6 mostra a disposição física de um motor diesel estático numa bancada nos laboratórios da PUC-PR. Trata-se de um motor da marca MWM, especificação de modelo Sprinter.
A este motor, é fixado um dinamômetro ao volante do eixo de força, para que se monitore alguns parâmetros interessantes para a comparação entre o óleo diesel e o Biodiesel de gordura animal usados como combustível. Alguns exemplos dos parâmetros avaliados são torque máximo e potência máxima. Na Figura 7 é mostrada a montagem do dinamômetro.
Para se analisar outros parâmetros como temperaturas e pressões, são instalados no motor variados tipos de sensores em posições estratégicas. A rotação é controlada automaticamente, por intermédio de controladores eletrônicos, os controladores PID (proporcional (P), integral (I) e derivativo (D)).Figura 8.
O consumo de combustível e a admissão deste no motor são feitos por um sistema eletrônico localizado a parte. Separadamente ele controla toda parte de admissão do combustível.Figura 9.
A ‘balança’ é responsável pelo fornecimento de combustível e por um pré-armazenamento dele antes da admissão no motor. Por intermédio de uma bureta de um litro com combustível pré-armazenado, o sistema computa o consumo de combustível com uma amostra de aproximadamente duzentos mL em kg/h. Conforme Figura 10.
Abaixo da balança há uma caixa azul escuro, que possui um arranjo de válvulas encarregadas de fazer o retorno de combustível como mostra a Figura 11.
O tanque de combustível se localiza fora da sala onde o motor está instalado, os filtros de combustível também estão fora da sala, junto com o tanque. O conjunto motor – dinamômetro está numa sala com proteção acústica, e a vibração é largamente absorvida devido a coxins instalados no pé da estrutura. Na Figura 12 verifica-se a instalação física do tanque de combustível.
O ar da admissão é filtrado e passa por sensores de temperatura antes de ser misturado ao combustível e injetado na câmara de combustão, Figura 13.
As medições foram feitas pelos sensores e captadas pela caixa de controle. Depois reunidas e monitoradas através de um software da AVL e mostradas por intermédio de uma interface gráfica no monitor da estação. A Figura 14 mostra a estação da bancada dinamométrica.
O controle da bancada, ou seja, onde se controla a rotação do motor e torque do dinamômetro são feitas através de um painel eletrônico digital como mostrado na Figura 15.
1- Botão de liga e desliga;
2- Habilita o controle do motor através do painel;
3 - Modo de controle rotação e torque;
4 - Botão de controle da rotação do motor;
5 - Botão de controle do torque do dinamômetro.
Antes de efetuar as medições, deve-se seguir os seguintes passos:
- Ligar o motor utilizando o botão 1;
- Habilitar o controle da bancada a partir do painel da Figura 15;
- Setar em modo de controle por rotação do motor e torque no dinamômetro.
- Ajustar a rotação do motor para a rotação de interesse (para cada medição foram utilizadas as seguintes rotações em rpm: 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800);
- Ajustar o torque do dinamômetro para o valor máximo para cada rotação;
- Deixar a bancada estabilizar as medições;
- Armazenar as telas obtidas pela interface gráfica no monitor da estação;
- Ajustar a próxima rotação e seguir os passos novamente.
Na tela da Figura 16 , todas as medições são instantâneas e em tempo real.
- Indica a rotação do motor;
- Indica o torque;
- Indica a potência;
- Indica a pressão no turbo;
- Indica a massa de combustível na balança;
- Indica a vazão de combustível;
- Indica a vazão de ar;
- Indica as temperaturas em determinados pontos de interesse;
- Indica as pressões em determinados pontos de interesse.
Resultados e Discussões
Apresentam-se neste item, os resultados obtidos, mensurados e registrados em formas de tabelas e gráficos, com comentários e discussões.Análises Químicas
Para as análises químicas foram encontrados os seguintes resultados como consta nas Tabelas 7, 8 e 9.
Tabela 7 – Análises químicas da matéria prima.
Matéria Prima: resíduo industrial de gordura de gado bovino. |
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Acidez |
4,32 mgKOH/g |
Viscosidade |
24,3350 cst |
Ponto de fulgor |
280oC |
Densidade |
0,899 mg/L |
Teor de água (Kalfisher) |
2,380 mg/L |
Na Tabela 7, verifica-se a baixa qualidade da matéria prima utilizada para a sintese do biodiesel. A gordura animal apresentou uma elevada acidez e um considerável teor de água.
Tabela 8 – Análises químicas para o biodiesel não purificado.
Biodiesel não purificado |
|
Acidez |
0,4664 mgKOH/g |
Teor de água (Kalfisher) |
2,487 mg/L |
Na Tabela 8 evidencia-se que após a reação de transesterificação, o biodiesel não purificado apresentou alta redução em termos de acidez e viscosidade. O teor de água permanece elevado.
Tabela 9 – Análises químicas para o biodiesel purificado.
Biodiesel purificado |
|
Acidez |
0,72 mgKOH/g |
Viscosidade |
4,0197 cst |
Ponto de fulgor |
185oC |
Densidade |
0,875 mg/L |
Teor de água (Kalfisher) |
2,25 mg/L |
Após a purificação do biodiesel com bentonita, a acidez aumentou em relação ao biodiesel não purificado e o teor de água diminuiu pouco. No entanto as ipurezas como : sabão , resíduos de catalisador e glicerina, são removidos através da bentonita.
Resultado da análise de RMN1H
A Figura 17 mostra os espectros de RMN1H que evidenciam o desaparecimento dos sinais dos triglicerídios da gordura (multipleto) , em 4,0 – 4,4 ppm
Na Figura 17, a espectroscopia de ressonância magnética evidenciou uma conversão incompleta do biodiesel produzido (Espectro2). Particularmente o rendimento da conversão realizada foi de 88%. Isto pode ser verificadoatravés dos sinais que aparecem entre 4,05 – 4,4 ppm, que se refere a presença de triglicerídeos não transesterificados, ao contrário do Espectro 3, usado como modelo e que não mostra sinais nessa região.
Resultados dos Testes em Bancada Dinamométrica
Utilizando as informações obtidas da interface gráfica da estação informatizada da bancada dinamométrica (Figura 16) é possível montar uma tabela com todos os parâmetros de funcionamento e comportamento para cada proporção de biodiesel analisada. Dessas tabelas geram-se os gráficos comparativos para cada parâmetro em específico comparando o diesel puro ao B2, ao B5 e ao B20. As discussões serão feitas ao analisar-se os gráficos e as considerações gerais sobre os resultados da bancada dinamométrica (Item 9). A Tabela 10 apresenta as medições obtidas para diesel puro.
Tabela 10 – Resultado das medições para diesel puro.
Na Tabela 11 apresentam-se as medições para biodiesel B2, ou seja, diesel com adição de 2% de biodiesel.
Tabela 11 –Resultado das medições para Biodiesel B2.
Na Tabela 12 apresentam-se as medições para biodiesel B5, ou seja, diesel com adição de 5% de biodiesel.
Tabela 12 – Resultado das medições para Biodiesel B5.
Na Tabela 13 apresentam-se as medições para biodiesel B20, ou seja, diesel com adição de 20% de biodiesel.
Tabela 13 – Resultado das medições para Biodiesel B20.
Fazendo a comparação do desempenho entre os combustíveis ensaiados temos os seguintes gráficos:
• Figura 18 - Gráfico de Torque x Rotação;
• Figura 19 - Gráfico de Potência x Rotação;
• Figura 20 – Gráfico de Consumo de Combustível x Rotação;
• Figura 21 - Gráfico de Pressão de exaustão x Rotação;
• Figura 22 – Gráfico de Temperatura de exaustão 1 x Rotação;
• Figura 23 - Gráfico de Temperatura de exaustão 2 x Rotação.
• Figura 24 – Gráfico de Torque Específico x Rotação.
• Figura 25 - Gráfico de Potência Específica x Rotação.
• Figura 26 - Gráfico de Consumo específico x Rotação.
• Figura 27 - Gráfico de Rendimento Térmico por Rotação.
• Figura 28 - Gráfico de Potência Corrigida x Rotação.
Estes gráficos permitem uma melhor visualização dos dados tabelados (tabelas 10,11,12 e 13), facilitando a comparação entres as misturas de Biodiesel utilizada.
As fórmulas e cálculos utilizados nas tabelas estão no apêndice F.
Figura 18 – Gráfico de Torque x Rotação
No gráfico da Figura 18 nota-se que o torque por rotação dos combustíveis se comportaram de maneira muito próxima, destacando se a faixa que vai de 2000 RPM a 3000 RPM, onde verificou-se que o diesel puro desenvolve maior torque, seguido pelo B2, B5 e B20, nesta ordem. Principalmente para esta faixa de rotação, pode se dizer que há uma pequena perda de torque ao se aumentar o volume de biodiesel na mistura.
Figura 19 - Gráfico de Potência x Rotação
No gráfico da Figura 19 verifica-se que a potência por rotação os combustíveis se comportaram de maneira muito semelhante, com pouquíssima diferença. A perda de potência por adição de biodiesel vem aumentando proporcionalmente com a adição de biodiesel e com o aumento da rotação. Para rotações abaixo de 2200RPM a diferença de potência é insignificante.
Figura 20 – Gráfico de Consumo de Combustível x Rotação
No gráfico da Figura 20 apresenta-se o consumo de combustível para cada faixa de rotação. As misturas B2, B5 e B20 apresentaram menores consumos, porém sem analogia direta com a proporção da mistura. Nota-se eu o B2 apresenta menor consumo, em média, seguido do B20 e B5 respectivamente. Com isto o consumo por rotação é muito semelhante podendo ser função do sistema de injeção de combustível do motor.
Figura 21 - Gráfico de Pressão de exaustão x Rotação
No gráfico da Figura 21 observa-se que as pressões de exaustão por rotação podem ser consideradas praticamente iguais, considerando a unidade de grandeza de medição em bar.
Figura 22 – Gráfico de Temperatura de exaustão 1 x Rotação
No gráfico da Figura 23 comparam-se as temperaturas de exaustão 1 por rotação. Verifica-se que o diesel puro apresentou as menores temperaturas de exaustão 1 seguido do B20, B2 e B5.
Figura 23 – Gráfico de Temperatura de exaustão 2 x Rotação
No gráfico da Figura 23 verifica-se que as temperaturas de exaustão 2 comportam-se de maneira semelhante à temperatura de exaustão 1 (Figura 22), até a faixa de 2000RPM, onde a partir daí o diesel começa a apresentar maiores temperaturas de exautão2. Após 2200RPM o B20 apresenta menores temperaturas, seguido do B2, B5 e diesel puro.
Figura 24 – Gráfico de Torque Específico x Rotação
No gráfico da Figura 24 apresenta-se o torque específico para cada combustível em função da rotação. Até aproximadamente 2100RPM Temos uma ligeira melhor performance do B2, seguido por B5, B 20 e o diesel puro. De 2200RPM até 3800RPM ocorrem pequenas e despadronizadas variações levando a aceitação de um desempenho muito semelhante entre todos os combustíveis.
Figura 25 – Gráfico de Potência Específica x Rotação
No gráfico da Figura 25 observa-se um desempenho semelhante em termos de potência específica por rotação para todos os combustíveis, principalmente pelo fato da grandeza dimensional estar em KW/Kg.h. Nas considerações finais pode-se analisar as diferenças percentuais, porém, pelo gráfico, admite-se um desempenho semelhante.
Figura 26 – Gráfico de Consumo específico x Rotação
No gráfico da Figura 26 comparam-se os consumos específicos por faixa de rotação para os combustíveis. Verifica-se que as misturas apresentam menor consume específico que o diesel puro. Nota –se que o B2 apresenta menor consumo específico, seguido do B5, B20 e diesel puro. Estas diferenças são mais notáveis na faixa de 1000RPM a 2200RPM e partir de 2800 / 3000RPM.
Figura 27 - Gráfico de Rendimento Térmico por Rotação
No gráfico da Figura 27 tem-se um comparativo entre os rendimentos térmicos por rotação para os combustíveis. Os melhores rendimentos térmicos foram alcançados pela mistura B2, seguida por B20, B5 e diesel puro. Em uma faixa entre 2000RPM e 2600RPM os rendimentos foram praticamente os mesmos.
Figura 28 - Gráfico Potência Corrigida x Rotação
No gráfico da Figura 28 verifica-se um comportamento extremamente próximo entre as potências corrigidas por rotação pra cada combustível testado. Os desempenhos podem ser considerados iguais.
9 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE OS RESULTADOS DA BANCADA DINAMOMÉTRICA
É notável em todas as comparações entre os quatro combustíveis, o diesel puro, o biodiesel B2, o biodiesel B5 e o biodiesel B20, que o desempenho é muito semelhante para todos os casos. Há uma leve perda de torque e de potência a medida em que se acrescenta biodiesel à mistura, mas deve-se considerar que o sistema de injeção do motor diesel não estava regulado para o funcionamento com biodiesel. Nos demais parâmetros avaliados, consumo de combustível, pressão de exaustão e temperatura de exaustão 2, o desempenho para todos os casos é muito semelhante. Na temperatura de exaustão 1, o biodiesel demonstra ter as emissões sendo expelidas com menor temperatura para a faixa inicial de rotações, o que é um efeito benéfico.A título de detalhamento, dos resultados obtidos nos testes de biodiesel de gordura animal, foram criadas as Tabelas 14, 15 e 16 que fazem a comparação em porcentagem, entre todas as características resultantes, da análise em bancada dinamométrica, das proporções B2, B5 e B20 comparadas ao diesel puro comercial.
O sinal negativo deve ser interpretado como a diferença em porcentagem menor do resultado e o sinal positivo a diferença maior em porcentagem.
Resulta-se que nas Tabelas14, 15 e 16, foram utilizadas para se obter a diferença em percentual, exata, ponto a ponto dos gráficos das características das Figuras 21 a 30, fazendo a comparação B2/ Diesel, B5/ Diesel e B20/ Diesel.
Para se chegar às discussões e conclusões, faz necessária a análise simultânea dos gráficos das Figuras 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 e 28 e das Tabelas 10, 11, 12, 13, 14, 15 e 16.
Tabela 14 Performance percentual Biodiesel B2
Tabela 15 – Performance percentual Biodiesel B5
Tabela 16 – Performance percentual Biodiesel B20
10 TESTES DE EMISSÕES
Com o auxílio do pessoal técnico e de equipamentos disponibilizados pelo LAC TEC, foram realizados alguns testes extras no motor estacionário da bancada do laboratório da Pontifícia Universidade Católica do Paraná.A equipe criou um dispositivo de captação para os gases expelidos pelo escapamento do motor. Este dispositivo era composto de uma mangueira ligada ao escapamento, que foi dirigida até a parte interna do laboratório onde estava sendo feito o monitoramento. A ponta da mangueira foi fixada a uma garrafa plástica de 2 litros. A garrafa foi cortada de maneira que permitisse a entrada da ponteira do instrumento de medição digital utilizado na especificação e quantificação dos principais componentes e poluentes resultantes da queima dos combustíveis que seriam avaliados.
Para que fosse possível uma análise qualitativa entres os combustíveis testados foram utilizados três combustíveis: Diesel puro, biodiesel comercial de óleo de soja na proporção B20 ( 20% de biodiesel adicionado ao diesel) e biodiesel de gordura animal, objetivo deste trabalho, também na proporção B20 ( 20% de biodiesel adicionado ao diesel).
Foram registrados os torques máximos obtidos com cada combustível a uma rotação fixa de 2000 RPM conforme mostra Tabela 17.
Tabela 17 – Registro dos torques máximos.
|
RPM Fixa 2000 |
Diesel Puro |
B20 Soja |
B20 Gordura |
|
Torque Máximo (N.m) |
262 |
252 |
246 |
Em seguida, para cada combustível, foi dado um tempo médio de 5 minutos para iniciarem-se as medições.
Os níveis de emissões foram realizados para o motor trabalhando em regime de 2000RPM a plena carga (100%), a 66% da plena carga e a 33% da plena carga, objetivando se assim representar condições reais de funcionamento de um motor.
Foram tomadas 5 medições com intervalo médio de 1 minuto entre uma e outra.
Figura 29 -Gráfico de emissão de NO em ppm.
A Figura 29 mostra os níveis de emissões de NO em partes por milhão, para os três combustíveis, a 2000RPM trabalhando com 33%, 66% e 100% do torque máximo de cada combustível. Nas condições as quais foram realizadas estes testes, o biodiesel de gordura animal emitiu um menor volume de No que o diesel, porém deve se calcular uma emissão específica, que considera a potência gerada no teste de cada combustível. Com isto, surge a Tabela 18.
Tabela 18 - Emissão específica de No
|
Emissão específica de NO em ppm/KW |
||||
|
Torque |
RPM |
Diesel puro |
B20 Soja |
B20 Gordura |
|
33% |
2000 |
17,33 |
17,21 |
16,89 |
|
66% |
2000 |
18,02 |
17,39 |
18,16 |
|
100% |
2000 |
15,65 |
16,38 |
16,49 |
Com a análise da Tabela 18, verifica-se que em termos de poluição específica (Emissão/ Potência) de NO, os níveis de emissões do Bodiesel de gordura animal são ligeiramente mais elevados, para as três faixas de torque. Porém a diferença não pode ser considerada muito significativa.
Figura 30 - Gráfico de emissão de Nox em ppm
A Figura 30 mostra os níveis de emissões de NOx em partes por milhão, para os três combustíveis, a 2000RPM trabalhando com 33%, 66% e 100% do torque máximo de cada combustível. Nas condições as quais foram realizadas estes testes, o biodiesel de gordura animal emitiu uma menor quantidade de Nox que o diesel, porém deve-se calcular uma emissão específica, que considera a potência gerada no teste de cada combustível. Com isto, surge a Tabela 19.
Tabela 19 - Emissão specífica de Nox
|
Emissão específica de Nox em ppm/KW |
||||
|
Torque |
RPM |
Diesel puro |
B20 Soja |
B20 Gordura |
|
33% |
2000 |
17,33 |
17,21 |
16,89 |
|
66% |
2000 |
18,02 |
17,39 |
18,16 |
|
100% |
2000 |
15,65 |
16,38 |
16,49 |
Com a análise da Tabela 19, verifica-se que em termos de poluição específica (Emissão/ Potência) de NOx, os níveis de emissões do Bodiesel de gordura animal são ligeiramente mais elevados para as condições de 66%de carga máxima e carga máxima. A diferença não pode ser considerada muito significativa.
Figura 31 – Gráfico de emissão de CO em ppm
A Figura 31 mostra os níveis de emissões de CO em partes por milhão, para os três combustíveis, a 2000RPM trabalhando com 33%, 66% e 100% do torque máximo de cada combustível. Nas condições as quais foram realizadas estes testes, o biodiesel de gordura animal emitiu uma significativa menor quantidade de CO para as três faixas de torques, porém deve-se calcular uma emissão específica. Com isto, surge a Tabela 20.
Tabela 20- Emissão específica de CO
|
Emissão específica de CO em ppm/KW |
||||
|
Torque |
RPM |
Diesel puro |
B20 Soja |
B20 Gordura |
|
33% |
2000 |
17,33 |
17,21 |
16,89 |
|
66% |
2000 |
18,02 |
17,39 |
18,16 |
|
100% |
2000 |
15,65 |
16,38 |
16,49 |
Com a análise da Tabela 20, verifica-se que em termos de poluição específica (Emissão/ Potência) de CO, o nível de emissão do Bodiesel de gordura animal é menor que do diesel e do B20 comercial de Soja para as condições de 33% da carga máxima, na faixa de 66% e 100% de carga máxima ele se torna ligeiramente maior. Na emissão de CO os resultados foram melhores, para o biodiesel de gordura animal.
Figura 32 - Gráfico de emissão de O2 em ppm
A Figura 32 mostra ainda os níveis de emissão de O2, no escapamebnto do motor, o que não é considerado poluente. Ficam registradas as medições através do gráfico da Figura 33 e a emissão específica pela Tabela 21.
Tabela 21- Emissão de O2
|
Emissão de O2 em ppm/ KW |
||||
|
Torque |
RPM |
Diesel puro |
B20 Soja |
B20 Gordura |
|
33% |
2000 |
15,1 |
15,70 |
15,73 |
|
66% |
2000 |
11,06 |
11,6 |
11,75 |
|
100% |
2000 |
6,98 |
7,4 |
7,75 |
11 CONCLUSÕES
A metodologia utilizado na execução do projeto foi muito semelhante a metodologia planejada na proposta anteriormente apresentada. Foi possível com a colaboração e as instalações da PUC-PR da empresa Filtroil e equipamentos do LACTEC, para executar as etapas do projeto.Analisando os resultados dos testes, Verificou-se que o biodiesel obtido a partir de uma matéria prima predominantemente composta de gordura animal comportou-se de maneira satisfatória , e em alguns casos com performances acima do esperado.
A porcentagem de conversão determinada por RMN1H, foi de 88%, porém com o processo de purificação com bentonita obteve-se uma melhora significativa do produto final.
Não houve diferença significativa nos resultados da performance do biocombustível testado em bancada dinamométrica.
Em termos de emissão de poluentes observou-se uma emissão próxima a do diesel puro, sendo que já era esperado a emissão de NO e NOx maior para o biodiesel.
Conclui-se com este estudo que pode-se obter um biocombustível de satisfatória qualidade que atenda as necessidades funcionais e de desempenho do motor a diesel, a partir de gordura animal vinda de abatedouros e frigoríficos, agregando tecnologia e aplicação a um sub produto que seria um agente poluidor do meio ambiente, se não tratado de maneira correta.
Com o processo realizado por este trabalho demonstra-se a viabilidade técnica da fabricação de biodiesel metílico de gordura animal.
Este estudo pode ser complementado com desenvolvimentos relacionados a regulagem e a melhoria de sistemas de injeção diesel para trabalharem com altas porcentagens de biodiesel, podendo assim chegarmos a valores e desempenhos mais satisfatórios .
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Bioleum Biodiesel; www.biodiesel.com, visitado em 14/03/2005.2. MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA. Agência Nacional do Petróleo. http://www.anp.gov.br/. Brasil: ANP, 2004.
3. MIC (Ministério da Indústria e do Comércio), 1985. Produção de combustíveis líquidos a partir de óleos vegetais. Secretaria de tecnologia industrial, Coordenadoria de informações tecnológicas. Brasília, DF.
4. PARENTE, E.J.S., 1993. Proposta de um óleo diesel alternativo. Tese do concurso para professor titular do Departamento de Engenharia Química do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Ceará.
5. Site http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica7, visitado em 11/12/2004
6. Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores; PROCONVE; IBAMA.
7. Costa Neto, P.R.; Estudos Preliminares Sobre Alterações e Purificação do Óleo de Soja usado em Frituras Múltiplas.Curitiba,114p.Dissertação de Mestrado; Curso de pós graduação em Tecnologia em Química da UFPR 1993
8. Paulo César Ribeiro Lima, Consultor legislativo da área XII, Recursos Minerais Hídricos e Energéticos, Estudo sobre Biodiesel e a inclusão social de março de 2004.
9. Documento: Biodiesel, uma experiência de desenvolvimento sustentável, Dr Luciano Bastos Oliveira e Dra Ângela da Costa, UFRJ/IVIG.
10. Site www.tecbio.com.br, visitado em 14/03/2005.
11. São Paulo. Instituto Adolfo Lutz. Normas Analíticas. São Paulo, 1976.
12. Ivan Darwiche Rabelo, Estudo de Desempenho de Combustíveis Convencionais Associados a biodiesel obtido pela transesterificação de óleo usado em Fritura, tese de mestrado 2001.
13. CAMPOS, A C, LEONTINIS, E “Petróleo & Derivados”, J R Editora Técnica Ltda (1990)
14. NEIVA, J “Conheça o Petróleo”, Ao Livro Técnico Indústria Comércio, 5ª edição (1986)
15. Site http://www.howstuffworks.com, visitado em 08/04/2005
16. Official Methods and recommended practices. AOCS Official Method CE2-66. USA, 1989.
17. Site da PETROBRAS, http://www.br.com.br/, visitado em 05/06/2005
APÊNDICE A – TABELAS E FIGURAS
Tabela A1 - Caracterização do biodiesel.[1]|
Propriedade |
Unidade |
Portaria |
ASTMD-6751 / 02(EUA) |
EM 14214 2001 |
Provisória ANP(Brasil) |
|
Ponto de fulgor |
ºC |
38 |
130 |
101 |
100 |
|
Água e sedimentos |
%vol. |
0,050 |
0,050 |
500mg/Kg |
0,050 |
|
Viscosidade a 40ºC |
mm²/s |
2,5-5,5 |
1,9-6,0 |
3,5-5,5 |
2,5-5,5 |
|
Cinzas sulfatadas, max. |
%(m/m) |
0,02 |
0,02 |
0,02 |
0,02 |
|
Enxofra, max. |
mg/kg |
0,20 |
500 |
10,0 |
10,0 |
|
Corrosividade ao cobre (1 a 5) |
- |
1 |
3 |
1 |
1 |
|
Número de Cetano, min. |
- |
42 |
47 |
51 |
45 |
|
Resíduo de carbono, max. |
%(m/m) |
0,25 |
0,05 |
0,30 |
0,05 |
|
Índice de acidez, max. |
MgKOH/g |
- |
0,80 |
0,50 |
0,80 |
|
Glicerina livre, max. |
%(m/m) |
- |
0,02 |
0,02 |
0,02 |
|
Glicerina total, max. |
%(m/m) |
- |
0,24 |
0,25 |
0,25 |
|
Massa específica a 20ºC |
Kg/m³ |
820-865 |
- |
860-900 a 15ºC |
850-900 |
|
Fósforo, max. |
%(m/m) |
- |
0,001 |
0,001 |
0,001 |
|
Destilação (90%), max. |
ºC |
360 (85%) |
360 |
- |
360 (95%) |
|
Metanol (ou Etanol, Brasil), max. |
%(m/m) |
- |
- |
0,20 |
0,10 |
|
Na + K, max. |
mg/kg |
- |
- |
5,0 |
10,0 |
|
Ca + Mg, max. |
mg/kg |
- |
- |
5,0 |
10,0 |
|
Monoglicerídeo, max. |
%(m/m) |
- |
- |
0,80 |
0,80 |
|
Diglicerídeo, max. |
%(m/m) |
- |
- |
0,20 |
0,20 |
|
Triglicerídeo, max. |
%(m/m) |
- |
- |
0,20 |
0,20 |
Figura A1
Figura A1 – Diagrama de fluxo das etapas de produção do biodiesel. [8]
APÊNDICE B – PROPRIEDADES E NORMAS
Propriedades Físicas
-Viscosidade e Densidade
As propriedades fluidodinâmicas de um combustível, importantes no que diz respeito ao funcionamento de motores de injeção por compressão (motores diesel), são a viscosidade e a densidade. Tais propriedades exercem grande influência na circulação e injeção do combustível. [10]
Afortunadamente, as propriedades fluidodinâmicas do biodiesel, independentemente de sua origem, assemelham-se as do óleo diesel mineral, significando que não é necessário qualquer adaptação ou regulagem no sistema de injeção dos motores. [10]
-Lubricidade
A lubricidade é uma medida do poder de lubrificação de uma substância, sendo uma função de várias de suas propriedades físicas, destacando a viscosidade e a tensão superficial.[10]
Diferentemente dos motores movidos a gasolina, os motores a óleo diesel exigem que o combustível tenha propriedades de lubrificação, especialmente, em razão do funcionamento da bomba, exigindo que o líquido que escoa lubrifique adequadamente as suas peças em movimento. [10]
-Ponto de Névoa e de Fluidez
O ponto de névoa é a temperatura em que o líquido, por refrigeração, começa a ficar turvo, e o ponto de fluidez é a temperatura em que o líquido não mais escoa livremente. [10]
Tanto o ponto de fluidez como o ponto de névoa do biodiesel variam segundo a matéria prima que lhe deu origem, e ainda, a o álcool utilizado na reação de transesterificação. [10]
Estas propriedades são consideradas importantes no que diz respeito à temperatura ambientes onde o combustível deva ser armazenado e utilizado. [10]
Todavia, no Brasil, de norte a sul, as temperaturas são amenas, constituindo nenhum problema de congelamento do combustível, sobretudo porque pretende-se usar o biodiesel em mistura com o óleo diesel mineral. [10]
-Ponto de Fulgor
É a temperatura em que um líquido torna-se inflamável em presença de uma chama ou faísca. Esta propriedade somente assume importância no que diz respeito à segurança nos transportes, manuseios e armazenamentos. [10]
O ponto de fulgor do biodiesel, se completamente isento de metanol ou etanol, é superior à temperatura ambiente, significando que o combustível não é inflamável nas condições normais onde ele é transportado, manuseado e armazenado, servindo inclusive para ser utilizado em embarcações. [10]
-Poder Calorífico
O poder calorífico de um combustível indica a quantidade de energia desenvolvida pelo combustível por unidade de massa, quando ele é queimado. No caso de um combustível de motores, a queima significa a combustão no funcionamento do motor. [10]
O poder calorífico do biodiesel é muito próximo do poder calorífico do óleo diesel mineral. A diferença média em favor do óleo diesel do petróleo situa-se na ordem de somente 5%. Entretanto, com uma combustão mais completa, o biodiesel possui um consumo específico equivalente ao diesel mineral. [10]
-Índice de Cetano
O índice de octanagem dos combustíveis está para motores do ciclo Otto, da mesma forma que o índice de cetano ou cetanagem está para os motores do ciclo Diesel. Portanto quanto maior for o índice de cetano de um combustível, melhor será a combustão desse combustível num motor diesel. [10]
O índice de cetano médio do biodiesel é 60, enquanto para o óleo diesel mineral a cetanagem situa-se entre 48 a 52, bastante menor, sendo esta a razão pelo qual o biodiesel queima muito melhor num motor diesel que o próprio óleo diesel mineral. [10]
Propriedades Químicas
-Teor de EnxofreComo os óleos vegetais e as gorduras de animais não possuem enxofre, o biodiesel é completamente isento desse elemento. Os produtos derivados do enxofre são bastante danosos ao meio ambiente, ao motor e seus pertences. [10]
Depreende-se que o biodiesel é um combustível limpo, enquanto o diesel mineral, possuindo enxofre, danifica a flora, a fauna, o homem e o motor. [10]
-Poder de Solvência
O biodiesel, sendo constituído por uma mistura de ésteres de ácidos carboxílicos, solubiliza um grupo muito grande de substâncias orgânicas, incluindo-se as resinas que compõem as tintas. Dessa forma, cuidados especiais com o manuseio do biodiesel devem ser tomados para evitar da nos à pintura dos veículos, nas proximidades do ponto ou bocal de abastecimento. [10]
Normas técnicas
Na Europa a normalização dos padrões para o biodiesel é estabelecida pelas Normas DIN 14214. Nos Estados Unidos a normalização emana das Normas ASTM D-6751. [10]
As normas européias e americanas determinam valores para as propriedades e características do biodiesel e os respectivos métodos para as determinações. Tais características e propriedades determinantes dos padrões de identidade e qualidade do biodiesel, contemplados pelas normas ASTM e DIN, são:
• Ponto de Fulgor;
• Teor de Água e Sedimentos;
• Viscosidade;
• Cinzas;
• Teor de Enxofre;
• Corrosividade;
• Número de Cetano;
• Ponto de Névoa;
• Resíduo de Carbono;
• Número de Acidez;
• Teor de Glicerina Total;
• Teor de Glicerina Livre.
Temperatura de Destilação para 90% de Recuperação
Os métodos de análise para Biodiesel são os mesmo do Diesel, com exceção do Teor de Glicerinas Total e Livre, que o método de análise por cromatografia gasosa é orientado pela Norma ASTM D-6584. [11]
No Brasil ainda não existe uma norma técnica própria para as especificações do biodiesel, fato este que tem retardado a homologação do combustível. Nas várias palestras e pronunciamentos realizados, a equipe da TECBIO tem sugerido a adoção, mesmo que provisoriamente, de uma norma estrangeira, seja a DIN ou a ASTM, para orientar a produção do biodiesel no Brasil. No entanto, o academicismo, associado ao preciosismo brasileiro, tem retardado demasiadamente a implementação de um programa nacional de biodiesel. [10]
A longa experiência da equipe da TECBIO - Tecnologias Bioenergéticas Ltda, inclusive com a utilização extensiva de biodiesel puro (>300 mil litros), produzido das mais distintas matérias primas, permite fazer os seguinte comentários sobre a questão das especificações para os ésteres lineares graxos, metílicos ou etílicos, para aplicações em motores do ciclo diesel:
Algumas características para o biodiesel requeridas nas normas, sob o ponto de vista prático e objetivo, são inócuas, servindo apenas para conferir os fatores de identidade do produto, para evitar indevidas adulterações. Desnecessário seria a determinação do teor de enxofre, se não fora as possibilidades de adulterações ou de contaminações de alguns tipos de matérias primas, como os óleos residuais de frituras e de esgotos, pois o óleo vegetal jamais contém enxofre. Seria também dispensável a determinação da viscosidade cinemática do biodiesel, pois a faixa de viscosidades do biodiesel, - independentemente das matérias primas de origem, enquadram-se na faixa de viscosidades dos óleos diesel oferecidos no mercado, e ademais, a lubricidade de qualquer biodiesel supera, em muito, a lubricidade do óleo diesel. [11]
Semelhantemente, o número de cetano do biodiesel, independentemente da matéria prima de origem, sempre maior que 60, é muito superior ao índice de cetano do melhores óleos diesel oferecidos no mercado, em média ao redor de 48. [10]
- Não tem nenhum sentido, para o biodiesel, o valor da temperatura equivalente para destilar 90% do produto. Este teste é bastante válido para o óleo diesel do petróleo, cujas características dependem da distribuição dos hidrocarbonetos no produto. Para o biodiesel, obtido de grande parte de matérias primas, chega a ser até impossível, a realização desse teste, uma vez que, nas temperaturas elevadas do teste, o produto se polimeriza ou se decompõe, invalidando os resultados. [10]
- O ponto de névoa, no Brasil, não tem importância, uma vez que o país não experimenta temperaturas ambientais que possam solidificar o biodiesel, e ademais, a previsão de curto e médio prazo, é a utilização do biodiesel em mistura com o óleo diesel mineral, na proporção máxima de 20%. [10]
- Enfim, o biodiesel quando adequadamente produzido, sempre deve superar as especificações contidas nas normas, qu e encontram a sua maior utilizadade, com instrumento de fiscalização contra adulterações do produto. [10]
Outrossim, são muito importantes para o biodiesel as realização e o comprimento das seguintes especificações:
• Água e Sedimentos
• Cinzas
• Glicerina Total e Livre
• Resíduo de Carbono
• Acidez
• Corrosividade
Em princípio, e a experiência prática demonstra que a corrosividade do biodiesel neutro é zero, e que, com acidez elevada o biodiesel apresenta -se como corrosivo, existindo uma correlação entre o número de acidez e a corrosividade. [7]
Por outro lado, em certas circunstâncias, existem conveniências práticas e econômicas em direcionar o processo de produção de biodiesel, de forma que resulte um produto com um número de acidez consideravelmente elevado, comprometendo a sua corrosividade na forma pura (B -100). No entanto, diluindo-se o diesel mineral com esse biodiesel ao nível de até 20%, a corrosividade poderá se ajustar a um valor da corrosividade aceitável, e nestes casos, sugere-se que os testes de corrosividade à lâmina de cobre seja realizado, não com o biodiesel puro, mas com a mistura biodiesel/diesel mineral. [7]
Portanto, torna-se importante ressaltar que, sob o ponto de vista objetivo, o teste da corrosividade deve ser feito nas condições de uso do combustível, isto é, utilizando como amostra a mistura biodiesel – diesel mineral, na proporção em que for empregada. [7]
Também, pelas mesmas razões, os limites aceitáveis para o número de acidez do biodiesel deva ser relacionado com a proporção de incorporação do biodiesel ao diesel, compondo o combustível. O fator que deverá ser utilizado para o balizamento dos níveis limites de acidez deverá ser a corrosividade das misturas, e até mesmo com a viscosidade. [7]
Pelas semelhanças de propriedades fluidodinâmicas e termodinâmicas, o biodiesel e o diesel do petróleo possuem características de completa equivalência, especialmente vistas sob os aspectos de combustibilidade em motores do ciclo diesel. [7]
Portanto, os desempenhos e os consumos são praticamente equivalentes, e ainda, que não há necessidade de qualquer modificação ou adaptação dos motores para funcionar regularmente com um ou com o outro combustível. [7]
Pela equivalência de suas propriedades físico-químicas e como o biodiesel e o diesel mineral são completamente miscíveis, as misturas de biodiesel com o diesel mineral podem ser empregadas em qualquer proporção. Esta condição é por demais vantajosa, especialmente quando comparada com a situação problemática do álcool hidratado, uma vez que não são requeridas bombas específicas para os abastecimentos de biodiesel, nem tampouco motores diferenciados e dedicados para o uso de um ou do outro combustível, inclusive de suas misturas. [7]
Pelo menos, são cinco as importantes vantagens adicionais do óleo diesel vegetal sobre o óleo diesel do petróleo, que diferentemente do óleo mineral, o biodiesel não contém enxofre, é biodegradável, não é corrosivo, é renovável e não contribui para o aumento do efeito estufa. [7]
APÊNDICE C – O PETRÓLEO
Petróleo
Definição
É basicamente uma mistura de hidrocarbonetos parafínicos, naftênicos e aromáticos em proporções variáveis contendo como impurezas compostos de S, N e O e metais. Estão associados ao petróleo gás natural, sedimentos (areia) e água salgada. A separação da água e dos sedimentos é iniciada no campo de produção pois não estão incorporadas ao óleo (impurezas oleofóbicas) e finalizada nas refinarias (dessalinização). [13]
A tabela abaixo mostra a composição elementar média comumente encontrados com seus respectivos pesos em porcentagem contidos no petróleo. [14]
Tabela 18 - composição elementar do petróleo
O petróleo é encontrado no subterrâneo e aparece ilustrado em rocha reservatório onde a parte negra o simboliza. [13]
Figura 35 - Petróleo na rocha[13]
A origem orgânica do petróleo advém da presença de porfirinas. As porfirinas possuem a cadeia carbônica mostrada abaixo. [13]
Figura 36 - Cadeia carbônica Porfirina[13]
As propriedades físicas do petróleo variam bastante, podem ser muito fluídos e claros, com grandes proporções de destilados leves, e óleos muito viscosos e escuros com grandes proporções de destilados pesados. Esta é a forma mais simples de se classificar os óleos crus: leves e pesados. Pelo fato dos óleos serem constituídos, basicamente, de hidrocarbonetos a sua densidade específica varia inversamente com a relação atômica C/H. A densidade específica do óleo cru pode variar de 0,70 a 1,00. Em geral, ele é inflamável na temperatura ambiente. Seu odor pode apresentar características agradáveis, típicas de compostos aromáticos, até o aroma fortemente desagradável produzido pelos compostos de enxofre. A composição elementar varia muito pouco porque o óleo cru é composto por séries homólogas de hidrocarbonetos [13]. As frações básicas do refino são apresentadas na Tabela 19.
Tabela 19 - Frações básicas do refino do Petróleo[13]
|
Corte |
Fração |
Uso |
|
C1 e C2 |
gás combustível |
combustível de refinaria, matéria prima petroquímica (etileno) |
|
C3 e C4 |
gás liqüefeito |
combustível doméstico e industrial, matéria prima para petroquímica , obtenção de gasolina de aviação veículo propelente para aerosóis. |
|
20 a 220 ºC |
Nafta |
gasolina automotiva de aviação, matéria prima para petroquímica, produção de solventes industriais. |
|
150 a 300 ºC |
querosene |
querosene de jato (QAV), querosene de iluminação (QI), parafinas para a produção de detergentes. |
|
100 a 400 ºC |
gasóleo atmosférico |
combustíveis para motores a diesel (óleo diesel), combustível doméstico e industrial, matéria prima para petroquímica (gasóleo petroquímico) |
|
400 a 570 ºC (*) |
gasóleo de vácuo |
carga para craqueamento (gasolina e GLP), produção de lubrificantes (sub-produto - parafinas), matéria prima para petroquímica. |
|
acima de |
resíduo de vácuo |
óleo combustível, asfalto (pavimentação e isolamento), lubrificantes de alta viscosidade, coque de petróleo |
Conhecido os derivados do petróleo, esses são classificados da seguinte forma. [13]
Tabela 20 - Classificação dos derivados do petróleo [13]
|
Classificação |
Derivados |
|
Energéticos |
gás combustível, gás liquefeito, |
|
Não energéticos |
gás residual, solventes, naftas, gasóleo petroquímico, óleos lubrificantes e isolantes, graxas e parafinas, resíduo aromático e asfaltico, asfalto etc. |
Refino
Essencial para os dias modernos, diversos derivados são extraídos, com importância sem igual para a tecnologia atual. Temos a falsa impressão de que o petróleo é algo recente, que só após a revolução industrial pudemos ter acesso a essa substância. Essa afirmação cai por terra, pois existem referências de utilização do petróleo na Bíblia, e é fato que alguns povos utilizavam o petróleo há cerca de 600 anos para o cozimento de alimentos, iluminação e aquecimento. [14]
Tornou-se popular apenas no século XIX, quando Edwin Laurence Drake fez jorrar petróleo em escala comercial iniciando uma corrida ao chamado ouro negro fazendo com que a produção mundial no ano seguinte atingisse a marca de 70.000 toneladas. Em 1887, com o advento dos motores a explosão, as frações de petróleo passaram a ter grandes aplicações, surgindo assim a gasolina, o diesel e o querosene de aviação etc. [14]
O refino do petróleo é feito em refinarias. [14]
Figura 37 - Foto representando Refinaria de Petróleo[15]
A origem do processo se deu com Samuel Kier, um farmacêutico. Foi o primeiro a utilizar uma destilação para produzir óleo iluminante, dando origem ao processo mais antigo de separação do petróleo em diferentes frações: a destilação atmosférica ou destilação direta. A partir daí, originaram-se diversos processos: [15]
destilação fracionada: o óleo cru é aquecido, vaporizado e o vapor é condensado e coletado separando o petróleo em sua frações;
processamento químico: frações são convertidas em outras, por exemplo, cadeias longas são transformadas em cadeias menores;
tratamento das frações: para remover impurezas;
mistura de frações: frações processadas ou não são combinadas para fazerem os produtos desejados. [15]
Figura 38 - Esquema de funcionamento de uma refinaria [15]
Os processamentos químicos se dividem em: [15]
• Craqueamento;
• Reforma e;
• Alquilação.
O craqueamento pode ser térmico ou catalítico. Consiste em transformar moléculas grandes em pequenas. No craqueamento catalítico podem ser usados catalisadores como zeólita e sílica alumina, por exemplo. [15]
Figura 39 - Craqueamento [15]
No Craqueamento térmico, é utilizado vapor a alta temperatura (816 ºC), fazendo com que etano, butano e nafta sejam transformados em benzeno. Uma etapa é a viscorredução, ou seja, o resíduo da destilação é aquecido a 482 ºC, resfriado com gasóleo e flasheado, reduzindo a viscosidade. Outra é o coqueamento, onde o resíduo da destilação é aquecido acima de 482 ºC até o craqueamento em óleo pesado, gasolina, nafta e um resíduo de carbono (coque). [15]
Figura 40 - Coqueamento [15]
Outro processo químico é a reforma, onde se transforma nafta de baixo peso molecular em aromáticos utilizando um catalizador, que pode ser platina e platina-rênio gerando um subproduto, o hidrogênio. [15]
Figura 41 - Reforma [15]
Na alquilação utiliza-se compostos de baixo peso molecular, tais como, propeno e butenos como matéria prima, ácidos fluorídrico e sulfúrico como catalizadores, produzindo hidrocarbonetos de alta octanagem. [15]
Figura 42 - Alquilação [15]
Eis abaixo um esquema de uma refinaria moderna. [15]
Figura 43 - Esquema representando uma refinaria moderna [15]
Combustíveis
Um dos combustíveis derivados do petróleo é a Gasolina. A composição da gasolina é função dos tipos de processos utilizados nas refinarias para a sua produção. Dentre os processos de obtenção das naftas podemos citar: [13]
• Gasolina Natural;
• Destilação Direta;
• Craqueamento Catalítico;
• Craqueamento Térmico;
• Reformação Catalítica;
• Hidrocraqueamento Catalítico;
• Isomerização;
• Alcooilação e
• Polimerização.
As gasolinas produzidas no Brasil são:
• Comum e Aditivada;
• Premium- octanagem superior;
• Gasolina de aviação - para aviões de pequeno porte.
E as gasolinas comercializadas nos postos brasileiros são encontradas com 76% de gasolina com adição de 24% de álcool anidro combustível.
Outro combustível derivado do petróleo é o óleo diesel. A composição do diesel é função dos tipos de processos utilizados nas refinarias para a sua produção. Dentre eles sobressai a destilação direta onde o produto é função do petróleo processado. Por outros processos, o diesel é obtido com pior qualidade e requer tratamento posterior (ex. hidrodessulfurização). [13]
Os tipos de diesel produzidos no Brasil são:
• Óleo diesel tipo B – usado em todas as regiões exceto nas regiões metropolitanas (diesel D);
• Óleo diesel tipo D – metropolitano;
• Óleo diesel marítimo;
• Óleo padrão.
APÊNDICE D – O DIESEL
Diesel
DefiniçõesO óleo diesel é um combustível derivado do petróleo, constituído basicamente por hidrocarbonetos, o óleo diesel é um composto formados principalmente por átomos de carbono, hidrogênio e em baixas concentrações por enxofre, nitrogênio e oxigênio e selecionados de acordo com as características de ignição e de escoamento adequadas ao funcionamento dos motores diesel. É um produto inflamável, medianamente tóxico, volátil, límpido, isento de material em suspensão e com odor forte e característico. Recebeu este nome em homenagem ao engenheiro alemão Rudolf Diesel.[14]
O óleo diesel é utilizado em motores de combustão interna e ignição por compressão (motores do ciclo diesel) empregados nas mais diversas aplicações, tais como: automóveis, furgões, ônibus, caminhões, pequenas embarcações marítimas, máquinas de grande porte, locomotivas, navios e aplicações estacionárias (geradores elétricos, por exemplo). Em função dos tipos de aplicações, o óleo diesel apresenta características e cuidados diferenciados.
O óleo diesel pode ser classificado, de acordo com sua aplicação, nos seguintes tipos:
• Tipo "B" (máximo 0,35% de enxofre)
• Tipo "D" (máximo 0,2% de enxofre)
O óleo diesel Tipo "D" é utilizado nas regiões com as maiores frotas em circulação e condições climáticas adversas a dispersão dos gases resultantes da combustão do óleo diesel, necessita--ndo de maior controle das emissões. Para as demais regiões do país é utilizado o óleo diesel Tipo "B".
• Extra Diesel Aditivado
O Extra Diesel Aditivado é um óleo diesel que contém um pacote multifuncional de aditivos com objetivo de manter limpo o sistema de alimentação de combustível, reduzir o desgaste dos bicos injetores, reduzir a formação de sedimentos e depósitos, proporcionar melhor separação da água eventualmente presente no diesel e conferir maior proteção anticorrosiva a todo o sistema de alimentação. [9]
A utilização continuada do Extra Diesel Aditivado garante uma pulverização mais eficaz do combustível na câmara de combustão, permitindo uma mistura mais homogênea do combustível com o ar, melhorando o rendimento do motor, evitando o desperdício de óleo diesel e reduzindo as emissões, contribuindo para uma melhor qualidade do ar.
A utilização do Extra Diesel Aditivado traz, como conseqüência, a redução da freqüência de manutenção dos componentes do sistema de alimentação e o aumento da vida útil do motor.
• De referência (também chamado diesel padrão)
O chamado óleo diesel de referência é produzido especialmente para as companhias montadoras de veículos a diesel, que o utilizam para a homologação de motores nos ensaios de consumo, desempenho e de emissões.
Óleo diesel marítimo
Também ocorrem subdivisões no caso do óleo diesel marítimo de forma a se dispor da qualidade requerida pelo usuário. São encontrados os seguintes tipos, comercializados no país e/ou destinados à exportação:
• Marítimo comercial
Destinado a motores diesel utilizado em embarcações marítimas. Difere do óleo diesel automotivo comercial apenas na necessidade de se especificar a característica de ponto de fulgor relacionada a maior segurança deste produto em embarcações marítimas. Como ponto de fulgor entende-se a menor temperatura que o óleo diesel vaporiza em quantidade suficiente para formar com o ar uma mistura explosiva, capaz de se inflamar momentaneamente, quando sobre ele se incidir uma chama (fonte de ignição). Para o óleo diesel marítimo o ponto de fulgor é fixado em um valor mínimo de 60°C.
• Especial para a Marinha / Ártico
Os tipos Especial para a marinha e Ártico são produzidos para atender necessidades militares e apresentam maior rigidez quanto às características de ignição, de volatilidade, de escoamento a baixas temperaturas e de teor de enxofre. Isto se deve às condições adversas de sua utilização em embarcações militares - rapidez e desempenho - baixas temperaturas (Oceano Ártico, por exemplo).
Produção
A partir do refino do petróleo obtém-se, pelo processo inicial de destilação atmosférica, entre outras, as frações denominadas de óleo diesel leve e pesado, básicas para a produção de óleo diesel. A elas podem ser agregadas outras frações como a nafta, o querosene e o gasóleo leve de vácuo resultando no produto conhecido como óleo diesel. A incorporação destas frações e de outras obtidas por outros processos de refinação, dependerá da demanda global de derivados de petróleo pelo mercado consumidor.
O atual modelo energético brasileiro é apoiado entre outros pontos, no transporte de cargas em motores diesel, por via rodoviária, em detrimento do transporte ferroviário, fluvial ou cabotagem. Isso faz com que o óleo diesel seja o derivado propulsor do refino em nosso país, correspondendo a 34% volume do barril de petróleo. Na maioria dos outros países do mundo, esta demanda situa-se entre 15 e 25% volume do barril de petróleo, sendo a gasolina o produto que comanda o refino, situação mais fácil de atender em função das características dos petróleos e dos esquemas de refino disponíveis mundialmente.
Para atender o suprimento do mercado nacional de derivados, com qualidade requerida e com custos competitivos, a Petrobras Distribuidora opera suas refinarias priorizando a produção de diesel.
De forma a garantir a qualidade de seus produtos, bem como desenvolver melhorias, a Petrobras Distribuidora tem continuamente adequado o seu parque de refino destacando-se a implantação das unidades de hidrotratamento de diesel, processo que permite aumentar a produção de diesel a partir do refino de diferentes tipos de petróleo, reduzindo o seu teor de enxofre.[2]
A portaria anp nº 310, de 27 de dezembro de 2001, Especificação dos Óleos Diesel Comercial Automotivo Interior (B) e Metropolitano (D) e a portaria dnc nº 32, de 4 de agosto de 1997, Especificação do Óleo Diesel Marítimo, especificam o óleo diesel da seguinte forma: [2]
A tabela21, abaixo, trás especificações para os tipos de óleos diesel segundo as portarias da ANP (Agência Nacional do Petróleo).
Tabela 21: Especificações ANP para cada tipo de óleo diesel.[2]
Dados do panorama do diesel brasileiro informam que é o combustível de maior consumo, tendo destaque no uso em transportes coletivos ou de cargas. Enquanto na maioria dos países a produção oscila entre 20 e 30% do volume do petróleo, no Brasil situa-se em 35%. [2]
Há uma distorção na produção pela incorporação de frações mais leves e mais pesadas, mas mesmo possuindo tecnologia, cerca de 16% do diesel consumido no país é importado, sendo que o aprimoramento das especificações tende a reduzir capacidade de produção. [2]
O Cetano indica a qualidade de ignição (número ou índice), funciona como a octanagem da gasolina. Quanto maior o número (índice), maior a resistência do combustível a pré-ignição, o que aumenta o rendimento na queima. [12]
A especificação do combustível no Brasil é inferior à maioria dos países, o que provoca uma menor qualidade do diesel no país. [13]
Por razão das emissões de substâncias nocivas no meio ambiente pela combustão incompleta do diesel em motores à combustão interna, existe uma proibição ao uso de motores movidos a diesel para veículos leves.[13]
APÊNDICE E – O MOTOR DIESEL E CICLO DIESEL
Motor Diesel
Quando, em 1885, o engenheiro alemão Daimler construiu o primeiro motor de combustão interna capaz de mover um veículo com razoáveis condições de segurança e economia, começou uma corrida em busca de aperfeiçoamentos, que dura até hoje. [16]Em 1894, outro engenheiro alemão, Rudolf Diesel, houve por bem simplificar o princípio de funcionamento do motor a explosão. Nasceu assim o motor diesel, que iliminou a necessidade de um circuito elétrico relativamente complicado para iniciar a combustão da gasolina. Nesse tipo de engenho, o combustível - o óleo diesel - queima por ação do calor que se liberta quando o ar é altamente comprimido. [16]
O novo motor, dotado de uma eficiência térmica muito mais elevada que a dos motores a gasolina, logo encontrou emprego em instalações industriais e na produção de veículos pesados, como locomotivas, grandes caminhões e navios. [16]
O rendimento, o tempo de vida útil, a segurança de funcionamento e o baixo custo de manutenção são algumas das características que fazem do motor diesel o preferido nesse tipo de aplicação. [16]
Características relevantes de um motor diesel:
O motor Diesel é dito de "ignição por compressão", o que quer dizer que a mistura combustível é inflamada quando uma nuvem de óleo é injetada pela bomba de alta pressão no ar quente contido no cilindro. O aquecimento do ar é devido à compressão praticamente adiabática (sem troca de calor com o exterior) efetuada pelo pistão do motor. Ao contrário, no motor do ciclo Otto a ignição é desencadeada pela centelha que salta entre os eletrodos da vela de ignição. Esta diferença, entre os modos de inflamar a carga, impõe características físico-químicas distintas aos combustíveis usados em um e outro desses motores.
O combustível do ciclo Otto utiliza derivados leves do petróleo (naftas leves, propano, butano, etc), gás natural, gás de água (gerados em gasogênio), álcool e outras substâncias gasosas ou que possam ser facilmente vaporizadas antes de entrar no cilindro do motor, incluindo-se o biodiesel. Por outro lado, estes combustíveis devem resistir à compressão moderada típicas do ciclo Otto (de 1 para até 12 atmosferas) sem entrar em ignição que seria, nestes casos, explosiva devido à elevada velocidade de propagação de chama nesses combustíveis e à decomposição e recomposição molecular. O parâmetro que caracteriza a resistência à ignição por compressão é o Número de Octano (NO), sendo desejável para o combustível do ciclo Otto elevado número de octano.
Por outro lado, a facilidade de um combustível entrar em ignição por compressão é expressa pelo Número de Cetano (NC). Entre estes dois parâmetros há uma relação de complementaridade expressa por uma equação do tipo:
NO = a - b NC
em que a e b são constantes características de "famílias" de combustíveis, como a dos hidrocarbonetos leves que compõem a gasolina.
O número de cetano do combustível diesel (ou biodiesel) caracteriza, em certa medida, a cinética de combustão e tem, portanto, influência no espectro de substâncias emitidas pelo motor. O combustível diesel é uma mistura de hidrocarbonetos de moléculas mais pesadas do que as dos hidrocarbonetos da gasolina e, em conseqüência, de menor razão de massas hidrogênio/carbono, o que determina elevada emissão de compostos de carbono por unidade de Energia Final entregue ao motor. Entretanto, as características do ciclo Diesel que asseguram rendimento térmico superior ao do ciclo Otto (como o fato de operar com grande excesso de ar) compensam amplamente a desvantagem decorrente da composição do combustível, quando o parâmetro de interesse é emissão / energia útil. A comparação entre as emissões típicas nos dois ciclos sob outros aspectos é vaga em virtude da diferença de destinação dos respectivos veículos. Na composição atual da frota brasileira os veículos do ciclo Otto são usados principalmente no transporte individual de passageiros e de cargas leves, cabendo aos do ciclo diesel o serviço pesado.
Na atualidade, há quatro faixas de especificação do número de cetano para uso rodoviário, urbano, metropolitano, ensaios e outros usos. A faixa de variação vai de NC=40 a 45. Nos países onde a legislação ambiental é mais rigorosa, o diesel urbano tem NC=50.
Outras características relevantes do combustível diesel (para emissões) são: a densidade, a viscosidade, a composição (espectro de razões átomos H / átomos C), refletida na curva de destilação), o teor de enxofre, a presença de contaminantes, o teor de hidrocarbonetos cíclicos (aromáticos, derivados da cadeia fundamental do benzeno) e obviamente, o poder calorífico.
As características mencionadas não são independentes, como mostra a experiência adquirida, no Brasil, nas tentativas de estender a oferta de combustível diesel pela adição de gasolina (ou, em outros termos, a incorporação de hidrocarbonetos mais leves ao diesel no processo de refino) e de álcoois (etílico e superiores). O número de cetano diminui, ao passo que o perfil de emissão é modificado, com vantagens na emissão de CO e de fumaça preta (fuligem) mas com desvantagens para a de HC. Dentro de certos limites (até 10% em volume) o diesel pode receber nafta pesada sem fugir da especificação para o diesel rodoviário (NC mínimo = 40), conservando o consumo volumétrico específico e diminuindo a emissão de CO e de fumaça, com pequeno aumento na emissão de HC.
A algum tempo foi de interesse para o Brasil é a adição de álcool que poderia atuar como "pulmão" para o sistema de suprimento de combustível automotivo.
Porém atualmente existe um particular interesse a adição de biodiesel ao diesel comum.O Ministério de Ciência e Tecnologia vem coordenando o Programa Biodiesel que obtem melhores resultados para a solução com co-solvente derivado do óleo de soja (biodiesel) quando comparado a misturas feitas com álcool de cana de açucar, produzido no Brasil.
Aparentemente, o fator custo direto é que dita o modo de uso dos combustíveis automotivos no Brasil.
Ciclo de um motor diesel:
A. No primeiro estágio do ciclo de combustão, chamado indução, o ar é aspirado para o interior do cilindro, penetrando nele através da válvula de entrada.B. Durante o segundo estágio, a compressão, o pistão sobe e comprime o ar dentro do cilindro, em proporção muito mais elevada do que num motor a gasolina comum.
C. Na ignição, o combustível é injetado no ar comprimido a alta temperatura, entrando em combustão espontânea e forçando o movimento do pistão para baixo.
D. No último estágio, denominado exaustão, os gases que se formaram na fase anterior são expelidos do interior do cilindro pelo movimento ascendente do pistão.
Figura 44: Ciclo do motor Diesel 4 Tempos [15]
No motor diesel a descida do pistão não aspira mistura combustível; somente ar puro entra no cilindro. E, quando o pistão se desloca para cima, apenas esse ar sofre compressão. A compressão interna no cilindro atinge um grau muito mais elevado que nos motores a gasolina - suas taxas de compressão vão de 14:1 a 25:1. [10]
Em conseqüência, a temperatura do ar comprimido eleva-se consideravelmente, chegando a ultrapassar os 700º. À medida que o pistão se aproxima do limite máximo de seu curso, um fino jato de combustível é impulsionado para o interior do cilindro. Devido à alta compressão, o ar fica tão quente que, ao receber o combustível, faz este entrar em combustão espontânea, dispensando a presença da vela de ignição (ou ignição eletrônica). [16]
Como no motor diesel o volume de ar aspirado para o interior do cilindro é sempre o mesmo, a velocidade da máquina é controlada apenas pela quantidade de combustível fornecida pelo injetor. [16]
O motor diesel permite adaptações para funcionar com praticamente qualquer tipo de combustível, desde os óleos vegetais, até o gás natural e a gasolina de alta octanagem; porém, o mais comum e adequado é o óleo diesel destilado do óleo mineral cru. O óleo diesel é mais volátil que a gasolina e seu ponto de combustão situa-se aproximadamente a 75ºC. [16]
APÊNDICE F – CÁLCULOS E FÓRMULAS
RENDIMENTO TÉRMICO
mc° = massa do combustível
Pci = Poder clorífico inferior
POTÊNCIA CORRIGIDA
p = pressão atmosférica local (mmHg)
T = Temperatura ambiente (Kelvin)
N = Potência Efetiva
Nc= Potência Corrigida
PODER CALORÍFICO CALCULADO
Pci diesel = 10,766 Kcal/Kg ( tabelado )
P total = Pb = Pd ( porcentagem total = % de biodiesel +% de diesel)
Pb / P total = % biodiesel
Pb x Pci biodiesel + Pd x Pci diesel = Pci total
P = porcentagem em massa
Pci = poder calorífico inferior [Kcl / Kg]
POTÊNCIA CALCULADA PARA EMISSÕES
N = Torque * (2 * Pi * rotação / 60)
N = Potência
EMISSÃO ESPECÍFICA
Emissão específica = Emissão / potência
Emissão foi obtida em ppm
Emissão específica resulta em ppm/ KW
Potência em KW
Referências: Notas de Aula do Professor Boçon – Departamento de Mecânica UFPR Disciplina de Máqunas Térmicas II.
ANEXO A – EVENTOS E CERTIFICADOS
No período entre 02 e 04 de novembro de 2005, o projeto “Biodiesel de Gordura Animal” foi exposto e defendido durante congresso sul-brasileiro de Química na cidade de Florianópolis, SC, na Universidade Federal de Santa Catarina.O trabalho foi muito elogiado pelos avaliadores responsáveis pela metodologia utilizada e resultados obtidos. Foi definido como um trabalho completo em termos de biodiesel.
Segue abaixo o certificado recebido.
Figura 45 - Certificado 13°- SBQSul.
Autores
André Julião Monteiro GarciaJoão Paulo Minuzzi Tookuni{/viewonly}
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