Predição de parâmetros físico-químicos com aplicação de Ferramentas Estatísticas e Redes Neurais a partir do teor de etanol em Gasolina C

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Iniciação Científica

Autores

Barradas Filho, A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - MA) ; Bezerra, C.A.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO) ; Pereira Marques, E. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - MA) ; Rodrigues Cavalcante, G.H. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - MA) ; Marques, A.L.B. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO) ; Marques, D.B. ()

Resumo

O objetivo do presente trabalho é estudar, estatisticamente, o efeito da adição de álcool etílico anidro (AEA) na gasolina, através de ensaios de curva de destilação, teor de AEA e determinação da massa específica à 20°C. A metodologia de coleta de dados foi realizada por meio de procedimentos experimentais que possibilitaram a aquisição de dados referentes ao teor de AEA, à curva de destilação da gasolina com diferentes teores de AEA, e à massa específica da gasolina a 20°C. O teor de AEA e a massa específica foram usados como dados de entrada na predição da temperatura de ebulição da gasolina por Redes Neurais Artificiais (RNA), obtendo-se bons resultados preditivos por meio dessa técnica. A massa específica foi determinada diretamente a partir de regressão linear por mínimos quadrados.

Palavras chaves

Gasolina; Controle de Qualidade; Redes Neurais Artificiais

Introdução

O setor de controle de qualidade de combustíveis desempenha um importante papel no que se refere à defesa aos direitos do consumidor, além do papel socio- ambiental, ao impedir que combustíveis adulterados com substâncias nocivas ao meio ambiente e à saúde humana sejam usados em veículos que transitam pelas cidades brasileiras. A Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) estabelece, por meio de suas resoluções, que o controle de qualidade da gasolina automotiva brasileira deve ser feito baseado em parâmetros, tais como, teor de álcool etílico anidro; massa específica à 20°C e curva de destilação. Por meio desses parâmetros é possível constatar se uma determinada gasolina está ou não adulterada, permitindo que a ANP tome as devidas providências quanto a comercialização desse combustível adulterado. No entanto, a verificação desses parâmetros, experimentalmente, tem um alto custo das análises de controle de qualidade. Isso se deve ao alto preço da infraestrutura laboratorial, alto consumo de energia elétrica por parte de destiladores e densímetros digitais, além do longo tempo de análise, considerando o volume de amostras analisadas, diariamente. Essas questões têm motivado uma intensiva busca por técnicas estatísticas e ferramentas computacionais que sejam capazes de fazer a predição dos parâmetros de qualidade, substituindo o procedimento experimental, principalmente os mais onerosos. Seguindo essa perspectiva de busca, o presente trabalho tem como objetivo determinar os parâmetros curva de destilação e massa específica, para diferentes composições de amostras de gasolina contendo álcool etílico anidro, por meio do uso de técnicas estatísticas e RNAs.

Material e métodos

Amostras de gasolina A e AEA (obtidos, respectivamente, a partir de separação/purificação e destilação, no próprio laboratório) foram usados na preparação das diferentes amostras de Gasolina C. A metodologia experimental consistiu de duas etapas principais. Em um primeiro momento foi feita a preparação das amostras de gasolina com diferentes percentagens de AEA (gasolinas adulteradas). Posteriormente, foram feitos os testes da gasolina C preparada. Para a adulteração da gasolina A (purificada no laboratório) com o AEA, adicionou-se, gradativamente, 5% de AEA à gasolina, partindo-se de 100% de gasolina pura até que se obtivesse uma amostra com 100% de AEA. O volume total de gasolina para cada teor de álcool etílico anidro foi de 400 ml, a fim de permitir que os testes de destilação e massa específica fossem feitos em triplicata. Para a determinação da curva de destilação foi adotado o procedimento padrão apresentado pela norma ABNT NBR 9619 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS). Os equipamentos utilizados foram três destiladores modelo OptiDist Herz 200 da Pac. A massa específica a 20 °C da gasolina preparada com diferentes teores de AEA foi determinada com base na norma ABNT NBR 14065 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS). O equipamento utilizado para estas determinações foi o densímetro digital modelo DMA 4500 da ANTON PAAR. As técnicas de predição utilizadas foram a regressão linear, por meio da técnica dos mínimos quadrados e a ferramenta computacional RNA. Tanto a regressão linear quanto a construção das arquiteturas das RNA foram feitas no software Statistica 10 da StatSoft®. Para a construção das RNAs foi utilizando a arquitetura de rede do tipo Multilayer Perceptron (MLP) com múltiplas camadas de neurônios durante o treinamento de cada rede.

Resultado e discussão

A massa específica da gasolina comportou-se linearmente frente à adição sucessiva de AEA à cada amostra de gasolina. A cada adição de AEA observou-se um aumento progressivo da massa específica da mistura gasolina-AEA, conforme é esperado tendo em vista que a massa específica do AEA, é maior que a massa específica da gasolina pura à uma mesma temperatura. Dessa relação linear, por meio da regressão por mínimos quadrados, foi possível equacionar o comportamento da massa específica da gasolina em função do teor de AEA presente na amostra de combustível. Assim, através da equação da curva analítica (Figura 1), foi possível se obter um alto nível de correlação, de 99,92%, o que indica que a predição por este método é similar ao método experimental, para a determinação da massa específica da gasolina. O comportamento da temperatura de ebulição da gasolina não seguiu o padrão linear. Dessa forma, a predição das temperaturas de ebulição não pode ser feita de forma satisfatória por meio da equação da curva analítica obtida da regressão linear por mínimos quadrados. Por isso, o uso de RNAs foi necessário para a determinação de resultados preditivos com maior qualidade. A Figura 2 ilustra a relação entre os valores de temperatura de ebulição preditos versus os resultados experimentais da temperatura de ebulição da gasolina para o ponto no qual 90% da gasolina destilada é recuperada. Os resultados de predição foram obtidos por meio do processamento de uma RNA com arquitetura MLP 2-19-1, selecionada após treinamento de 10 mil RNAs, usando o algoritmo BFGS. Os dados de entrada da rede foram o teor de AEA e a massa específica da gasolina à 20°C, e a variável de saída da rede foi a temperatura de ebulição da gasolina no ponto 90%, obtendo-se um coeficiente de correlação de 0,9979.

Figura 1. Gráfico da variação da massa específica da gasolina em função da variação do teor de AEA presente na mistura gasolina-AEA.


Figura 2. Para a relação descrita no gráfico, o coeficiente de correlação foi da ordem de 0,9979 e a soma dos erros quadrados foi de 0,60.

Conclusões

Por meio de análise estatística simples, constatou-se que o teor de AEA presente na gasolina pode ser usado na determinação da massa específica da gasolina. Proporcionando bons resultados de predição de correlação entre a massa específica e o teor de AEA, sendo obtidos por meio da equação linear da curva analítica. Já a temperatura de ebulição variou de forma não linear com a o teor de AEA presente na gasolina, sendo necessário o uso de RNAs, que apresentou um bom desempenho nos testes de predição da temperatura de ebulição da gasolina no ponto 90% da destilação desse combustível.

Agradecimentos

NEPE (UFMA); LAPQAP (UFMA); LPQA (UFMA); CNPq.

Referências

ANDRADE, E. T; Carvalho, S. R.G; Souza, L. F. Programa do proálcool e o etanol no Brasil. In: Engevista, V. 11, n. 2. 2009. P. 127-136
SOBREIRO, Vinicius Amorim; ARAÚJO, Pedro Henrique de Sousa Leão; NAGANO, Marcelo Seido. Precificação do etanol utilizando técnicas de redes neurais artificiais. Revista de Administração da Universidade de São Paulo, v. 44, n. 1, 2009.
BRASIL, Portaria MAPA nº 105, de 28 de fevereiro de 2013, ANP - Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis; Estabelece as especificações para a adição de álcool etílico anidro nas gasolina automotivas no Brasil, Diário Oficial da União, 01/03/2013.
BRASIL, Resolução nº 40, de 25 de outubro de 2013, ANP - Agência Nacional do Petróleo, Gás Nautual e Biocombustíveis; Estabelece as especificações para a comercialização de gasolina automotivas no Brasil, Diário Oficial da União, 28/10/2013.
SILVA, Rosângela da. Efeito dos combustiveis oxigenados no rendimento termodinâmico e tratamento catalítico das emissões em motores ciclo otto operando na região queima pobre. 2008. 145f. Tese (Doutorado em Química). Instituto de Química, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. 2008.
BUARQUE, H.L.B. Predição de propriedades de gasolinas a partir das suas composições. 2006. 225f. Tese (Doutorado em Física). Universidade Federal do Ceará, Fortaleza. 2006.
CERQUEIRA, Eduardo O. et al. Redes neurais e suas aplicações em calibração multivariada. Química Nova, v. 24, n. 6, p. 864-873, 2001.
CÔCCO, Lílian Cristina. Aplicação de redes neuronais artificiais para previsão de propriedades da gasolina a partir de sua composição química, 2003. 169f. Dissertação (Mestrado em Processos Químicos). Universidade Federal do Paraná, Curitiba. 2003.