Relatorio biodiesel

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FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA
MÓDULO BIODIESEL
GRUPO 1
Felipe Mendes RA:120518
João Paulo Pransteter RA:120699
Raphael Rancan RA:121261
Sorocaba/SP
 2015
 RESUMO
A presente prática consistiu em produzir biodiesel por meio da transesterificação de triglicerídeos de óleo de soja catalisada por metanol e hidróxido de potássio. A reação ocorreu em regime batelada, sob agitação constante, à 40 ºC, com duas proporções molares de metanol (6:1 e 12:1), tendo a segunda proporção resultado em um biodiesel de menor teor de água e maior qualidade. Para a caracterização fez-se uso da titulação por método de Karl Fischer, centrifugação em Eppendorf e destilação para aferir teor de água, viscosímetros rotativo e de Copo Ford para medir viscosidade e picnômetro para mensurar massa específica. Os resultados são mostrados ao decorrer do trabalho, tendo se concluído que a otimização da qualidade do produto final deve levar em conta a natureza e proporção de catalisador, fator preponderante no grau de conversão.
 SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO................................................................................................4
2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................................4
2.1. Transesterificação......................................................................................4
2.2.Catálise........................................................................................................5
2.3.Viscosidade e viscosímetro.........................................................................6
3.MATERIAIS E MÉTODOS..............................................................................7
4.RESULTADOS E DISCUSSÃO......................................................................9
5.CONCLUSÃO...............................................................................................14
1. INTRODUÇÃO
Em tempos onde a sustentabilidade se torna cada vez mais uma necessidade, o biodiesel, combustível renovável produzido principalmente a partir de óleos vegetais, vem ganhando espaço como alternativa ao uso de combustíveis fósseis e fonte de renda substantiva para países como o Brasil. Composto majoritariamente de ésteres de alquila, o biodiesel é fabricado em escala industrial por transesterificação a metanol com catálise homogênea, sendo o metóxido de sódio o catalisador mais comum por razão de custo, em regime contínuo ou batelada (BART et al., 2010). Dentre as especificações que caracterizam o biodiesel quanto à sua qualidade, aferem-se o teor de água (sendo a titulação de Karl Fischer uma técnica eficiente) e sua viscosidade (mensurável por viscosímetros rotativo e de Copo Ford). 
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1.Transesterificação
Ácido carboxílico é a função química que caracteriza os compostos possuidores do grupo carboxila (-COOH) (MCMURRY, 2011). São exemplos desse grupo o ácido acético e o ácido lático. Ácidos carboxílicos podem, por meio de reações de substituição nucleofílica, dar origem a compostos derivados, dentre os quais os pode se destacar os ésteres. Ésteres contém em sua estrutura o grupo –COOR, sendo R um radical orgânico que substituiu um átomo de hidrogênio. Dentre os mecanismos de síntese de ésteres destaca-se o de esterificação de Fischer, descrito na figura 1. 
Figura 1: Mecanismo de esterificação de Fischer (Fonte: Carboxylic Acids – Master Organic Chemistry. Disponível em: <http://masterorganicchemistrycom.c.presscdn.com/wp-content/uploads/2012/04/2-fischer.png. Acesso: 4 out. 2015>)
Presentes em óleos vegetais, os triglicerídeos são ésteres que, por meio de reações ditas de transesterificação (SCHUCHARDT et al., 1998), geram ésteres de alquila, principais constituintes do biodiesel, através do mecanismo denotado na figura 2.
Figura 2: Mecanismo de transesterificação de triglicerídeos (Fonte: SCHUCHARDT, Ulf; SERCHELI, Ricardo; VARGAS, Rogério Matheus. Transesterification of vegetable oils: a review. J. Braz. Chem. Soc.,  São Paulo ,  v. 9, n. 3, p. 199-210, Mai  1998 .   Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-50531998000300002&lng=en&nrm=iso>. Acesso em  04  Out.  2015)
2.2. Catálise
Reações de transesterificação são comumente conduzidas por meio de catalisadores, sendo dos mais eficientes os hidróxidos (NaOH, KOH) e alcóxidos (CH3ONa) de metais alcalinos, sendo que os últimos têm alto rendimento (> 98%), e curtos períodos de reação (30 min). O mecanismo de transesterificação catalisada por alcóxido se inicia pela reação entre uma base e um álcool, produzindo o alcóxido e o catalisador protonado. O ataque nucleofílico à carbonila do triglicerídeo gera um intermediário tetraédrico, que gera um éster de alquila e um ânion, que, por sua vez, regenera o catalisador protonado, recomeçando o ciclo (SCHUCHARDT et al., 1998). O mecanismo é resumido na figura 3.
Figura 3: Mecanismo de catálise de transesterificação. (Fonte: SCHUCHARDT, Ulf; SERCHELI, Ricardo; VARGAS, Rogério Matheus. Transesterification of vegetable oils: a review. J. Braz. Chem. Soc.,  São Paulo ,  v. 9, n. 3, p. 199-210, Mai  1998 .   Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-50531998000300002&lng=en&nrm=iso>. Acesso em  04  Out.  2015)
2.3. Viscosidade e viscosímetro
Sabe-se que viscosidade é a resistência que um fluido oferece ao escoamento. Ela pode ser definida como o atrito interno resultante do movimento de uma camada de fluido em relação a outra. Da teoria tem-se dois tipos de viscosidade : dinâmica e cinemática. 
No experimento realizado, o Copo Ford dá valores de viscosidade cinemática enquanto o viscosímetro rotativo, dinâmica. É através da massa específica do fluido que as viscosidades cinemática e dinâmica se relacionam , a equação abaixo demonstra essa relação: 
ν = η / ρ 
ν : viscosidade cinemática ; 
η: viscosidade dinâmica; 
ρ: massa específica.
Para o viscosímetro Copo Ford, é associada a cada rosca de orifício uma equação, que relaciona o tempo de escoamento com a viscosidade cinemática em centistokes ou mm²/s. Para o presente experimento realizaram-se análises de viscosidade com os orifícios 2, 3 e 4, cujas equações estão discriminadas a seguir.
			Para orifício 2: 2,388t-0,007t²-57,008 			(1)
			Para orifício 3: 2,314t-15,200				(2) 
			Para orifício 4: 3,846t-17,300				(3)
3. MATERIAIS E MÉTODOS 
Os materiais utilizados no experimento foram:
-Óleo de soja (marca)
-Metanol PA
-KOH
-Balança analítica
-2 pipetas de Pasteur
-2 balões volumétricos de 2L
-Espátula
-2 béqueres de 500 mL
-1 béquer de 250 mL
-1 vidro relógio
-1 cronômetro
-Condensador
-1 picnômetro de 50 mL
- Viscosímetro Quimis
- Copoford
-Equipamento Karl-Fischer
-Centrífuga
-Módulo didático biodiesel Up Control
A metodologia consistiu em pesar 700 g de óleo, 154,07 g de metanol e 7 g de KOH com o auxílio dos béqueres e do vidro relógio para o hidróxido de potássio, em uma balança analítica. Dessa maneira houve uma proporção de 12:1 molar. Em outro béquer o KOH foi diluído em metanol sob agitação constante.No módulo de biodiesel foram colocados o óleo em um tanque e o KOH com metanol em outro tanque; depois o óleo foi transferido para o reator e foi ajustada no equipamento uma temperatura de 40ºC, quando essa temperatura se estabilizou, o metanol com o catalisador foi transferido para o mesmo reator e a partir desse momento iniciou-se o cronômetro. Ao atingir um tempo de reação de 50 minutos, foi aberta uma válvula no equipamento e o conteúdo do reator foi transferido para um funil de separação ,onde foi deixado decantando por 60 minutos. Nesse tempo de espera esse experimento foi repetido da mesma maneira, contudo para uma proporção molar de 6:1 em que foram pesados 499,79 g de óleo, 183,43 g de metanol e 4,99 g de KOH. Ao terminar o tempo de decantação foi possível observar uma mistura heterogênea de duas fases, assim foi separada a fase escura da fase clara. Da fase escura mediu-sea umidade em centrífuga, condensador e no equipamento Karl-Fischer. Na centrífuga foram colocadas 4 amostras, sendo duas da solução de 12:1 e duas da de 6:1,e foram deixadas no equipamento por cerca de 2 horas. No equipamento de Karl Fischer, após a técnica realizar a calibração foram feitas análises de cada solução em triplicata. No condensador foi colocada a amostra de 12:1. No final essas amostras foram caracterizadas.
Para caracterização primeiramente pesou-se o picnômetro vazio, em seguida despejou uma quantidade de amostra nele e o pesou novamente, dessa maneira pode-se determinar a densidade do biodiesel. Na sequencia foi caracterizado o biodiesel no copo ford e no viscosímetro. Para o copo ford , foi colocado o menor orifício, de número 2, completou o copo com a amostra e iniciou-se a contagem de tempo no cronômetro até que ele ficasse vazio. Esse procedimento foi repetido utilizando os orifícios 3 e 4. Para o viscosímetro primeiramente foi colocada amostra em um béquer, em seguida colocou no equipamento o spindle de numero 1,mergulhou na amostra e verificou-se a leitura da viscosidade no equipamento. O procedimento foi repetido para os spindles de numero 2,3 e 4. 
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Considerando a massa molar do óleo de soja e do metanol respectivamente de 873 g/mol e 32,04 g/mol. A tabela 1 foi montada utilizando uma proporção de metanol e óleo de soja de 12:1 molar, demonstrando a quantidade de cada um. Também foi utilizado 4,99g de KOH.
 Tabela 1. Tabela de quantidades de metanol e óleo de soja de 12:1
	
	Metanol
	Oleo de soja
	Quantidade molar
	1,145
	0,1145
	Quantidade mássica(g)
	36,686
	99,958
	Massa no reator(g)
	183,429
	499,793
	Volume no reator(mL)
	232
	555
Alterando a proporção de 12:1 para 6:1 e utilizando 7 g de KOH outra tabela foi montada. Esses resultados são observados na tabela 2 a seguir.
 Tabela 1. Tabela de quantidades de metanol e óleo de soja de 6:1
	
	Metanol
	Oleo de soja
	Quantidade molar
	0,687
	0,1145
	Quantidade mássica(g)
	22,01
	100
	Massa no reator(g)
	154,07
	700
	Volume no reator(mL)
	195
	778
 Tanto a primeira,de 12:1,quanto a segunda,de 6:1, foram deixadas no reator em um tempo de 54 mim.
Para a caracterização, primeiramente foi determinada a quantidade de agua em cada amostra. Foi utilizado o titulador Karl-Fischer, a centrífuga e o condensador. Através da centrífuga e do condensador não foi possível determinar essa quantidade, pois esses equipamentos não conseguiram realizar uma separação. Já com o titulador foi possível e os resultados são mostrados na tabela 3. Os ensaios foram realizados em triplicatas.
Tabela 3. Valores de porcentagem em massa de umidade obtidas pelo titulador
	12:1 
	0,09
	0,06
	0,07
	6:1
	0,11
	0,14
	0,13
Em média as amostras referentes a 12:1 e 6:1 apresentaram uma porcentagem de umidade respectivamente de 0,073% e 0,127%
Os outros ensaios de caracterização realizados foram feitos para o biodiesel de proporção 12:1 , pois foi notado que para proporção de 6:1 não houve uma formação de biodiesel.
Para determinação da densidade do biodiesel foi pesado o picnômetro vazio em seguida, foi completado com biodiesel pesado novamente e com o volume do picnômetro calculou-se a densidade. Os valores encontrados são apontados na tabela 4.
 Tabela 4. Valores utilizados para calculo da densidade
	Massa picnômetro vazio(g)
	33,918
	Massa picnômetro cheio (g)
	77,9136
	Massa Biodiesel
	43,9956
	Volume picnômetro(mL)
	50
 A densidade do biodiesel é: g/mL
A caracterização em relação a viscosidade foi realizada com o auxilio do copoford e do viscosímetro. 
Para o copoford foram utilizados os orifícios 2,3 e 4 e os tempos obtidos para cada orifício são mostrados na tabela 5 a seguir.
Tabela 5. Tempo de escoamento para cada orifício
	
	Orifício 2
	Orifício 3
	Orifício 4
	Tempo(s)
	38,45
	18,81
	12,56
Para determinação da viscosidade foi utilizado a equação de viscosidade de cada orifício.
Orifício 2: 2,388t-0,007t²-57,008 = 2,388-0,007*(38,45)^2-57,008 = 24,46 mm²/s
Orifício 3: 2,314t-15,200= 2,314*18,81-15,2 = 28,33 mm²/s
Orifício 4: 3,846t-17,300 = 3,846*12,56 – 17,3 = 31 mm² /s
 
A caracterização pelo viscosímetro não obteve um bom resultado, pois somente o spindle 1 apresentou algum sinal no equipamento, de 10 cP, entretanto forneceu uma leitura de somente 10 % e para um bom resultado a leitura deveria ser de no mínimo 50 %. Os outros spindles não apresentaram nenhum sinal de resposta. 
De acordo com a tabela 6 de valores teoricos de especificação de biodiesel foi feito uma comparação com alguns resultados obtidos.
 Tabela 6. Especificações do Biodiesel
	Caracteristica
	Unidade
	Limite
	ABNT NBR
	ASTM D
	EM/ISO
	Viscosidade Cinemática a 40ºC
	mm²/s
	3,0 a 6,0
	10441
	445
	EN ISO 3104
	Teor de água, máx.
	mg/kg
	200,0 (3)
	-
	6304
	EM ISO 12937
	Massa específica a 20º C
	kg/m³
	850 a 900
	7148
14065
	1298
4052
	EN ISO 3675
EN ISO 12185
De acordo com a especificação a quantidade de água máxima que se pode ter em um biodiesel é de 200 mg para cada kg. O biodiesel produzido apresentou quantidade de 683,222 g, portanto deveria ter uma quantidade máxima de água de 136,6 mg (0,683222 kg * 200mg). O biodiesel obtido apresentou uma quantidade de água média de 0,073%, assim apresentou uma quantidade de água de 0,4987 g( 683,222*0,073/100), que corresponde a 498,7 mg, dessa maneira a quantidade está fora da especificação.
Erro relativo(água)= (498,7-136,6 / 136,6)*100 = 265%
Erro relativo(densidade)= (879,9- 875/875)*100 =0,56%
Obs: Para calculo do erro relativo de densidade, foi considerada a média de densidade da especificação.
Erro relativo (viscosidade)= (27,93-4,5 / 4,5)* 100= 521%
OBS: Para o calculo do erro relativo da viscosidade, foram consideradas as médias de viscosidades dos orifícios e a média da viscosidade da especificação.
5. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos apresentaram um erro extremamente grande, fato que pode ser explicado devido a quantidade de amostra que o grupo possuía para fazer caracterização do material, apresentava uma pequena quantidade, pois no decorrer do experimento ocorreu uma contaminação por mercúrio, assim parte da amostra foi descartada. Outro fator que pode ter favorecido ao erro, foi uma confusão causada do que era biodiesel e o que era glicerina.A densidade encontrada apresentou um valor dentro da faixa especificada. Apesar dos empecilhos, pode-se dizer que o experimento foi válido.
 REFERÊNCIAS
SCHUCHARDT, Ulf; SERCHELI, Ricardo; VARGAS, Rogério Matheus. Transesterification of vegetable oils: a review. J. Braz. Chem. Soc.,  São Paulo ,  v. 9, n. 3, p. 199-210, Mai  1998 .   Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-50531998000300002&lng=en&nrm=iso>. Acesso em  04  Out.  2015).
BART, J. C. J.; PALMERI N.; CAVALLARO, S. Biodiesel Science and Technology : From soil to oil. Boca Raton: CRC Press, 2010.
MCMURRY, J. Química Orgânica, combo. 7. Ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011.