Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/32449
Title: Integration of Biofuels Production Processes Based on Systematic Optimization Methodologies
Authors: Granjo, José Filipe Oliveira 
Orientador: Oliveira, Nuno
Keywords: Biorefinaria; Soja; Biodiesel; Integração de Processo; Modelação; Simulação de Processo; Optimização; Transesterificação; Metóxido de Sódio
Issue Date: 3-Jan-2017
Citation: GRANJO, José Filipe Oliveira - Integration of biofuels production processes based on systematic optimization methodologies. Coimbra : [s.n.], 2017. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/32449
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/SFRH/SFRH/BD/64338/2009/PT 
Abstract: Na última década e à escala global, preocupações com efeitos climáticos decorrentes do intenso consumo de recursos fósseis e sua futura escassez, motivaram um redobrar de esforços no desenvolvimento de tecnologias para a conversão de biomassa. Numerosas matérias-primas de origem agrícola e lenhocelulósica estão a ser investigadas para a síntese de novos e promissores bioprodutos, biocombustíveis e produção de bioenergia. Neste âmbito, metodologias sistemáticas de engenharia de processos e produtos têm vindo a ser aplicadas com sucesso para auxiliar tomadas de decisão a vários níveis: desenho de produtos e seus portefólios; planeamento logístico; optimização de processos e de unidades operatórias com métricas de sustentabilidade; e a integração de calor e de massa. Contudo, a escassez de modelos matemáticos rigorosos e detalhados para prever equilíbrios de fases, propriedades termodinâmicas e cinéticas de reacção, limita frequentemente estudos de desenho e de integração de processos, afectando a qualidade de soluções potencialmente inovadoras. Os objectivos na Parte I da Tese incluem o desenvolvimento e aplicação de metodologias matemáticas na construção de uma estrutura de modelação para descrever sistemas de equilíbrio vapor-líquido e líquido-líquido, bem como modelos cinéticos para a reacção de transesterificação na produção de biodiesel. Na Parte II, a informação recolhida anteriormente é aplicada no desenho e optimização de unidades operatórias e processos tendo como caso de estudo a reconfiguração de uma fábrica de processamento da soja para uma biorefinaria com produção de biodiesel. A soja foi escolhida pela sua importância económica e pelo vasto portefólio de produtos que podem ser criados e combinados em formulações para aplicações alimentares ou industriais, colocando desafios interessantes ao nível de tomadas de decisão, quer numa perspectiva académica, quer do ponto de vista industrial. Para atingir os objectivos acima referidos, foram executadas as seguintes tarefas: • Foi desenvolvida uma metodologia sistemática para a regressão de parâmetros de modelos termodinâmicos em sistemas vapor-líquido e líquido-líquido. Métricas de consistência termodinâmica foram incorporadas em formulações de optimização não-linear com vista a obter modelos mais robustos e coerentes a partir de informação experimental reduzida. Os modelos resultantes são posteriormente sujeitos a uma análise de estabilidade de fases, formulada como um problema de minimização da distância do plano tangente, para evitar comportamentos de fases erróneos. • Foram desenvolvidos modelos cinéticos com estrutura reversível para caracterizar a reacção de transesterificação, incorporando efeitos da temperatura, concentração de catalisador e razão molar metanol/óleo na velocidade de reacção. O problema da estimativa de parâmetros e a integração das equações da cinética de reacção são formulados como um problema de optimização não-linear e resolvidos simultaneamente. Um estimador robusto foi usado para detectar a existência de outliers. Posteriormente, esta metodologia foi aplicada na catálise homogénea usando metóxido de sódio, catalisador habitualmente usado na indústria de produção de biodiesel. • Foi abordado o desenho óptimo de extractores sólido-líquido para a separação do óleo dos flocos de soja, desenvolvendo formulações não-lineares e misto-inteiras para a minimização de custos operatórios, tendo em conta restrições da geometria do equipamento, balanços mássicos e eficiência de extracção. Duas estratégias de modelação foram usadas: uma que assume que a transferência de massa é o mecanismo dominante, e outra assumindo que mecanismos difusionais são dominantes. Ambas as estratégias foram comparadas entre si, bem como as estratégias numéricas usadas para maximizar a performance dos extractores usando um extractor industrial do tipo horizontal como caso de estudo. • Foram analisados processos alternativos para o fabrico do metóxido de sódio, tendo os processos mais promissores sido modelados, simulados e comparados entre si em termos de desempenho económico. Mais tarde, foram realizadas análises de rentabilidade usando simulações Monte Carlo para estudar o impacto da variabilidade em factores económicos chave. • Foram estudados os ganhos de sustentabilidade e económicos resultantes do acoplamento de fábricas de produção de biodiesel e de processamento da soja. O quadro de modelação detalhado foi usado nas simulações e as áreas de processo analisadas incluíram a preparação da soja, extracção da soja, destilação da miscela, refinação do óleo de soja, produção de metóxido de soja e de biodiesel. Foi estabelecido um cenário base, seguido de uma análise económica global do processo. Posteriormente, foram identificadas oportunidades de integração de processo e efectuadas simulações Monte Carlo para avaliar a rentabilidade e riscos do processo. A estratégia desenvolvida para a estimativa de parâmetros de modelos termodinâmicos foi aplicada em diversos sistemas de vapor-líquido e líquido-líquido tendo ficado demonstrado que ela é capaz de ultrapassar limitações de procedimentos habitualmente usados na literatura. Os modelos cinéticos obtidos para a reacção de transesterificação usando metóxido de sódio como catalisador são capazes de descrever rigorosamente os dados experimentais, já que os erros relativos médios observados situam-se entre 5 e 7%. A detecção de outliers numa primeira fase usando o mínimo da mediana dos quadrados como estimador mostrou ser essencial para evitar o enviesamento das estimativas dos parâmetros dos modelos. No desenho óptimo do extractor horizontal, foi conseguida uma redução em 4% dos custos totais do extractor, juntamente com uma redução dos custos de capital de 21% e dos custos de operação de 2%. Foi também obtida uma concentração de óleo na miscela à saída do extractor mais elevada: 42% (v/v), comparada com 40% (v/v) às condições de referência. Na produção do metóxido de sódio, os resultados mostraram que os métodos de síntese a partir do sódio metálico (processo II) e a partir do hidróxido de sódio (processo III) mostraram ser os mais competitivos, embora preferíveis em diferentes contextos. Processo III tem uma maior chance de rentabilidade (41%) do que processo II (34%), em que este último é sensível ao aumento dos custos de matérias-primas, enquanto que o primeiro está mais sujeito a variações nos custos de utilidades e de capital fixo. Em relação à reconfiguração da fábrica de processamento de soja numa biorefinaria, a integração do processo levou a uma diminuição dos custos de produção de biodiesel em 18%, correspondendo a uma redução do preço de break-even do biodiesel em 9% (de 875$/t para 798$/t). O consumo de água de processo é completamente eliminado e a geração de efluente é mitigada em 9%. Os ganhos económicos são sobretudo devido ao aumento da cadeia de valor do processo e à integração de calor e de massa. A análise de risco mostra também que esta nova configuração é mais robusta a variações de factores económicos chave. ABSTRACT: In the last decade and at a global scale, climate change concerns and fossil resources depletion led to reinforced efforts on R&D of technologies associated with the production of bioenergy, biofuels and bioproducts from biomass. Numerous agricultural and forest feedstocks are continuously screened to identify promising chemicals, fuels and energy that can be produced from these raw materials. In this field, systematic process and product developments have been applied to assist decision-making in each development stage: design of bioproduct portfolios; product design; logistics planning; optimal process and unit operations design with sustainability metrics; heat and mass integration. However, the lack of accurate and detailed mathematical models to predict phase equilibria, thermodynamic properties and rate of reactions, often hinders process design and integration studies, affecting the final quality of potential innovative solutions found. The goals in Part I of the Thesis involve the development and application of mathematical methodologies to build a modeling framework to describe vaporliquid and liquid-liquid equilibrium systems and obtain models to predict the kinetics of the transesterification reaction in biodiesel production. In Part II of the Thesis, the information gathered previously is applied in the design and optimization of unit operations and processes considering the reconfiguration of a soybeans processing facility into a soy-based biorefinery for the production of biodiesel as case study. The soybean oilseed crop is chosen because of its economic importance and the broad array of products that may be produced and blended into formulations for edible or industrial applications, posing interesting challenges in decision-making from an academic perspective and with interest from an industrial viewpoint.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Química, apresentada ao Departamento de Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/32449
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Química - Teses de Doutoramento

Show full item record

Page view(s)

212
checked on Sep 21, 2020

Download(s) 50

521
checked on Sep 21, 2020

Google ScholarTM

Check


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.