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Modelagem em Aspen Plus da produção de biocombustíveis a partir de biomassa de microalgas com liquefação hidrotérmica - HTI

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dc.creator GONÇALVES, Gabriel Gomes de Luca
dc.date.issued 2026-03-09
dc.identifier.citation GONÇALVES, Gabriel Gomes de Luca. Modelagem em Aspen Plus da produção de biocombustíveis a partir de biomassa de microalgas com liquefação hidrotérmica - HTI. 2026. 123 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Energia) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2026. pt_BR
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4442
dc.description.abstract The search for sustainable routes for fuel production has intensified due to the need to reduce emissions associated with the use of fossil fuels. Among the alternatives under development, the production of liquid biofuels from the hydrothermal liquefaction (HTL) of microalgae stands out. Microalgae biomass can be cultivated using CO₂ from industrial processes, enabling the development of systems with the potential for carbon-neutral operation. However, the absence of commercial biorefineries that integrate CO₂ capture with the conversion of microalgae through HTL limits the availability of operational data at an industrial scale, hindering comprehensive assessments of process performance. In this context, process modeling emerges as a relevant tool to estimate HTL behavior, predict product distribution, and provide support for technical, energetic, and environmental feasibility analyses. Thus, the main objective of this study was to develop and implement a detailed kinetic model for the HTL process of microalgae using the Aspen Plus simulator. The model was structured based on kinetic parameters, such as pre-exponential factors and activation energies associated with a reaction network representing biomass decomposition into the main products of interest. These parameters were derived from literature sources and fully implemented within the simulator environment in a plug flow reactor (PFR), without the use of external scripts, which are often reported as necessary to overcome convergence issues in simulations. The developed model was able to represent the formation of the oil, aqueous, gaseous, and solid phases, as well as the main chemical species associated with each phase. The system configuration considered the adaptation of the process to a PFR with a volume of 0.69 m³ and included typical industrial process equipment such as pumps, heaters, coolers, filters, and three-phase separators. Simulations were conducted at 250 bar and temperatures ranging from 250 °C to 400 °C, considering different biomass compositions and five microalgae species (Chlorella sp., Isochrysis sp., Spirulina sp., Nannochloropsis sp., and Pavlova sp.). The average crude bio-oil yields on a dry basis were 31.59%, 38.35%, 29.46%, 43.83%, and 34.66%, respectively, highlighting the higher potential of Nannochloropsis sp. for oil phase production. The analysis of biomass concentration in the feed indicated that increasing the solids content from 15% to 25% leads to higher bio-oil yields due to the lower dilution of organic matter in the reaction medium. Additionally, an energy analysis of the process was carried out for Nannochloropsis sp., indicating that increasing reactor temperature is associated with higher energy consumption per kilogram of bio-oil produced, mainly due to the higher thermal demand required for heating the feed stream. pt_BR
dc.language por pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Liquefação hidrotérmica pt_BR
dc.subject Descarbonização pt_BR
dc.subject Bio-óleo bruto pt_BR
dc.subject Microalgas pt_BR
dc.subject Dados cinéticos pt_BR
dc.subject Reator tubular pt_BR
dc.subject Modelagem pt_BR
dc.subject Aspen plus pt_BR
dc.title Modelagem em Aspen Plus da produção de biocombustíveis a partir de biomassa de microalgas com liquefação hidrotérmica - HTI pt_BR
dc.type Dissertação pt_BR
dc.date.available 2026-06-15
dc.date.available 2026-06-15T19:17:37Z
dc.date.accessioned 2026-06-15T19:17:37Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/3639230899290245 pt_BR
dc.contributor.advisor1 VENTURINI, Osvaldo José
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/2975606575001382 pt_BR
dc.contributor.advisor-co1 LORA, Electo Eduardo Silva
dc.contributor.advisor-co1Lattes http://lattes.cnpq.br/5479717772667720 pt_BR
dc.description.resumo A busca por rotas sustentáveis para a produção de combustíveis tem se intensificado diante da necessidade de reduzir as emissões associadas ao uso de combustíveis fósseis. Entre as alternativas em desenvolvimento, destaca-se a produção de biocombustíveis líquidos a partir da liquefação hidrotérmica (HTL) de microalgas, biomassa que pode ser cultivada utilizando CO₂ proveniente de processos industriais. Entretanto, a ausência de biorrefinarias comerciais que integrem a captura de CO₂ com a conversão de microalgas via HTL limita a disponibilidade de dados operacionais em escala industrial, dificultando avaliações abrangentes do desempenho do processo. Nesse contexto, a modelagem de processos surge como uma ferramenta relevante para estimar o comportamento da HTL, prever a distribuição dos produtos e fornecer subsídios para análises de viabilidade técnica, energética e ambiental. Assim, este trabalho teve como objetivo desenvolver e implementar um modelo cinético detalhado para o processo de HTL de microalgas no simulador Aspen Plus. O modelo foi estruturado a partir de dados cinéticos, como fator pré-exponencial e energia de ativação atrelados a uma rede de reações representativa da decomposição da biomassa nos produtos de interesse. Esses dados foram derivados da literatura e implementados integralmente no ambiente do simulador em um reator tubular (PFR), sem o apoio de scripts externos, reportados como essenciais para solução de problemas de convergência nas simulações. O modelo desenvolvido foi capaz de representar a formação das fases oleosa, aquosa, gasosa e sólida, bem como das principais espécies químicas associadas a cada uma delas. O sistema foi estruturado considerando a adaptação do processo para um PFR com volume de 0,69 m³ e a incorporação de equipamentos típicos de processos industriais, como bombas, aquecedores, resfriadores, filtros e separadores trifásicos. As simulações foram conduzidas a 250 bar e temperaturas entre 250 °C e 400 °C, considerando diferentes composições de biomassa e cinco espécies de microalgas (Chlorella sp., Isochrysis sp., Spirulina sp., Nannochloropsis sp. e Pavlova sp.). Os rendimentos médios de bio-óleo bruto em base seca foram de 31,59%, 38,35%, 29,46%, 43,83% e 34,66%, respectivamente, evidenciando o maior potencial de Nannochloropsis sp. para produção de fase oleosa. A análise da concentração de biomassa na alimentação indicou que o aumento do teor de sólidos de 15% para 25% promove elevação no rendimento de bio-óleo, devido à menor diluição da matéria orgânica no meio reacional. Adicionalmente, foi realizada uma análise energética do processo para a espécie Nannochloropsis sp., indicando que o aumento da temperatura do reator está associado a maiores consumos de energia por quilograma de bio-óleo produzido, principalmente devido ao maior requerimento térmico nos estágios de aquecimento da corrente de alimentação. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IEM - Instituto de Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia de Energia pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA::ENGENHARIA DE ENERGIA pt_BR


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