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Tipo do documento: Dissertação
Título: Enhanced thermodynamic modeling in the techno-economic assessment for biomass valorization
Título(s) alternativo(s): Aperfeiçoamento da modelagem termodinâmica na avaliação técnico-econômica para a valorização da biomassa
Autor: Nascimento, Paulo Victor Borret Bonjour 
Primeiro orientador: Paredes, Márcio Luis Lyra
Segundo orientador: Alijó, Pedro Henrique Rodrigues
Primeiro membro da banca: Santos, Lino de Oliveira
Segundo membro da banca: Lima, Eduardo Rocha de Almeida
Terceiro membro da banca: Bastos, João Bruno Valentim
Resumo: O aumento da demanda por alternativas sustentáveis aos produtos químicos derivados de combustíveis fósseis tem incentivado o desenvolvimento de biorrefinarias capazes de converter biomassa em produtos de alto valor agregado. No entanto, a confiabilidade das análises técnico-econômicas (TEA) nesses processos depende fortemente da precisão dos modelos termodinâmicos utilizados para descrever os equilíbrios de fases. Esta dissertação apresenta uma estrutura integrada que combina modelagem termodinâmica, simulação de processos e avaliação econômica para estudar a produção de guaiacol a partir do bio-óleo proveniente da pirólise da biomassa. No primeiro estudo de caso, duas configurações de processo foram simuladas no Aspen Plus: (i) produção de guaiacol e (ii) coprodução de guaiacol e levoglucosano. Os indicadores econômicos, obtidos utilizando o Aspen Process Economic Analyzer, mostraram que, no cenário de produção exclusiva de guaiacol, o preço mínimo de venda (MSP) reduz de 3.100 para 2.200 USD/t à medida que a capacidade aumenta de 15 para 150 kt/ano. A inclusão de um segundo composto no portfólio reduziu o MSP do guaiacol em 15%–20%, sendo bem menor que o preço atual negociado (5.000 USD/t). O segundo estudo de caso concentrou-se na avaliação experimental e computacional de modelos termodinâmicos. Dados de equilíbrio líquido–líquido para o sistema água–guaiacol–ácido acético foram obtidos e utilizados para a regressão de parâmetros binários nos modelos NRTL e NRTL-HOC, posteriormente comparados com previsões do UNIFAC. Os modelos regressados reproduziram os dados experimentais com maior precisão, aprimorando a representação do equilíbrio de fases e o desempenho do processo. A abordagem desenvolvida destaca o papel do modelamento termodinâmico como elemento crítico para um projeto de processo confiável e para análises técnico-econômicas robustas. A produção de guaiacol variou de 10,9 a 15,4 kt/ano, enquanto o preço mínimo de venda variou entre 3.868 e 4.600 USD/t. Os investimentos em capital situaram-se na faixa de 20,5 a 22,4 milhões de USD, mas os custos operacionais dominaram as despesas, especialmente nos casos com maiores perdas de guaiacol. Os resultados fornecem subsídios para futuros trabalhos de modelagem, otimização e experimentação voltados ao aumento da eficiência e da viabilidade econômica das rotas de valorização da biomassa.
Abstract: The increasing demand for sustainable alternatives to fossil-derived chemicals has encouraged the development of biorefinery processes capable of converting biomass into high-value products. However, the reliability of techno-economic assessments (TEA) in these processes depends strongly on the accuracy of the thermodynamic models used to describe phase equilibria. This dissertation presents an integrated framework combining thermodynamic modeling, process simulation, and economic evaluation to study the production of guaiacol from pyrolysis bio-oil. In the first case study, two process configurations were simulated in Aspen Plus: (i) guaiacol production and (ii) guaiacol and levoglucosan co-production. Economic indicators, obtained using Aspen Process Economic Analyzer, showed that in guaiacol-only scenario, the Minimum selling Price (MSP) reduces from 3,100 to 2,200 USD/t as capacity scales from 15 to 150 kty, the addition of a second compound in the portfolio reduced guaiacol MSP by 15%–20%, which is lower than the current negotiation price (5000 USD/t). The second case study focused on experimental and computational evaluation of thermodynamic models. Liquid–liquid equilibrium data for the water–guaiacol–acetic-acid system were obtained and used to regress binary parameters for the NRTL and NRTL-HOC models, which were then compared with UNI-FAC predictions. The regressed models reproduced the experimental data with greater accuracy, improving phase-equilibrium representation and process performance. The developed approach highlights the role of thermodynamic modeling as a critical element for reliable process design and techno-economic analysis. Guaiacol production varied from 10.9 to 15.4 kton/y, while the minimum selling price ranged from 3,868 to 4,600 USD/t.
Palavras-chave: Biorefinery
Guaiacol
Bio-oil
Pyrolysis
Techno-economic assessment
Thermodynamic modeling
Biorefinaria
Bio-óleo
Pirólise
Análise técnica econômica
Modelagem termodinâmica
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: NASCIMENTO, Paulo Victor Borret Bonjour. Enhanced thermodynamic modeling in the techno-economic assessment for biomass valorization. 2025. 120 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/25429
Data de defesa: 10-Nov-2025
Aparece nas coleções:Mestrado em Engenharia Química



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