Simuladores de Processos: Destilação

Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

DestilaçãoOs simuladores de processos da Engenharia Química possuem pacotes capazes de simular vários processos e operações unitárias. Uma operação unitária bastante utilizada nesses simuladores é a destilação. A simulação utilizando a coluna shortcut é útil para obter uma primeira aproximação do comportamento durante o projeto de uma coluna de destilação, tendo em vista que não leva em consideração todos os parâmetros envolvidos nas diferentes colunas de destilação existentes nos processos industriais. Nessa primeira aproximação, é possível obter a primeiras informações sobre, por exemplo, o número de pratos que a coluna deverá ter, ou qual a razão de refluxo mínima que poderá ser imposta.A seguir está apresentado um exemplo de implementação de uma simulação de uma coluna de destilação (coluna short-cut) no DWSIM.

Destilação

Exemplo 1: Pretende-se utilizar uma coluna de destilação, para separar uma mistura de cinco alcanos (C2 a C6). No processo de separação, o propano (C3H8) e o n-butano (C4H10) são os “compostos chave” (“leve”e “pesado”, respectivamente). A alimentação entra na coluna com uma vazão molar de 126 mol/s à pressão de 1,72 MPa e 380 K. Pretende-se obter no destilado no máximo 2% em mol de n-butano (C4H10) e na corrente de fundo (resíduo), 2% em mol de propano (C3H8) . Considere uma razão de refluxo igual a 6, condensador tipo “Totalcond”, uma pressão no condensador de 1,71 Mpa e no refervedor de 1,74 MPa. Simule:a) O Refluxo mínimo; b) O número mínimo de estágios; c) o número de estágios para as condições operacionais do problema; d) A carga térmica no condensador e no refervedor; e) A vazão molar do fluxo de topo e de fundo; f) as frações molares de cada componente nos fluxos de topo e de fundo.

DestilaçãoRepresentação do problema:

DestilaçãoImplementação:1) Adicione todas as espécies químicas envolvidas no sistema em uma nova simulação

no DWSIM. Escolha o pacote de fluidos de Soave-Redlich-Kwong ) e o sistema inglês de unidades.

2) Adicione uma Coluna Shortcut com as configurações da figura. No fluxo F adicione os fluxos molares dos componentes, a temperatura e a pressão. Analise os resultados.

DestilaçãoInfluência dos parâmetros do processo: Pode-se simular o comportamento da coluna alterando os valores dos parâmetros de entrada, como temperatura da alimentação, pressão no condensador e no refervedor, fração molar na alimentação, diferentes especificações de saída de produtos, entre outros parâmetros de entrada. A seguir serão apresentadas, a título de exemplo a influência da temperatura de alimentação e da razão de refluxo sobre o comportamento da coluna de destilação já utilizada.

DestilaçãoInfluência da temperatura de alimentação: Para demonstrar a influência da temperatura de alimentação, adicione um trocador de calor na entrada para considerar a energia gasta no caso da necessidade de aquecimento da mistura.

DestilaçãoInfluência da temperatura de alimentação: Considerando uma mistura entrando a 330 K (taxa de refluxo igual a 6) no trocador de calor simule, para a temperatura no estágio de alimentação (saída do trocador de calor) variando entre 330K e 390K, os seguintes parâmetros: a) refluxo mínimo; b) número mínimo de estágios; c) número de estágios; d) estágio ótimo de alimentação; d) cargas térmicas do condensador, do refervedor, do trocador de calor da alimentação e total.

DestilaçãoInfluência da temperatura de alimentação:

320 330 340 350 360 370 380 390 40001234567

Refluxo mínimo

Temperatura da alimentação da colula (K)

Reflu

xo m

ínim

o

320 330 340 350 360 370 380 390 4000

10

20

30

40

Número Mínimo de EstágiosNúmero de estágiosEstágio ótimo de Alimentação

Temperatura de alimentação da coluna (K)

Cara

cter

ístic

as

320 330 340 350 360 370 380 390 4000

1000200030004000500060007000

Condensador RefervedorTrocador de calor Total

Temperatura de alimentação da coluna (K)

Tran

safe

rênc

ia d

e Ca

lor

(kW

)

DestilaçãoInfluência da razão de refluxo: Considerando na entrada uma temperatura de 345 K, vamos alterar a taxa de refluxo entre 2,2 e 10, a fim de avaliar a variação das seguintes respostas: a) Número de estágios, b) Estágio ótimo de alimentação; c) Carga térmica no condensador (Ec), no refervedor (Er) e total (Ec+Er).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

5

10

15

20

25

30

35

Número de estágios Estágio ótimo de Alimentação

Razão de refluxo

Núm

ero

de e

stág

ios

ou

Está

gio

ótim

o de

Alim

enta

ção

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

2000

4000

6000

8000

10000

Condensador RefervedorTrocador de calor Total

Razão de refluxoTr

ansf

erên

cia

de C

alor

(kW

)

DestilaçãoResultados para razão de refluxo igual a 4 e temperatura na alimentação de 345K: A otimização do destilador é um processo que pode envolver um planejamento de experimentos no qual todos os parâmetros variem, porém, vamos considerar as condições citadas como uma estimativa inicial para uma coluna de destilação de 14 estágios (12 pratos + refervedor + condensador).

DestilaçãoExercício:1) Uma coluna de retificação deve ser projetada para separar 100 mol/s de uma mistura de 40% em mol de benzeno e 60% em mol de tolueno, fornecendo um produto de topo contendo 97% em mol de benzeno e um produto de fundo contendo, 98% em mol de tolueno. A razão de refluxo deve ser de 4 moles de retorno para a coluna para cada mol de produto de topo obtido. a) Determinar as vazões (molares) de produto de topo e de produto de fundo;b) Determinar o número de pratos, a posição do prato de alimentação, a razão de refluxo mínima e o número de pratos mínimo se:b.1) a mistura está líquida na temperatura de bolha;b.2) a mistura está líquida a 300K;b.3) a mistura contém 2/3 de vapor e 1/3 de líquido.c) Simule uma coluna de destilação com as condições no item b1 .

DestilaçãoRespostas:

a) Utilizando Lei de Raoult.

Destilaçãob1)

Destilaçãob2)

Destilaçãob3)

Destilaçãoc) Crie uma nova simulação, insira as correntes de entrada e saída de matéria e energia da coluna como na figura e inclua uma coluna de destilação.

Destilaçãoc) Atribua os parâmetros na corrente F e no editor de estágios obtenha as pressões nos estágios por interpolação ;

Destilaçãoc) Em editar as correntes inclua as conexões correspondentes a cada corrente do destilador.

Destilaçãoc) Utilize como estimativas iniciais os valores de temperatura interpolando entre as temperaturas do condensador e do refervedor. Utilize o método de Russel_InsideOut.

Destilaçãoc) Os resultados obtidos estão apresentados na Figura. Observe que a fração molar do tolueno em D está acima do especificado (0,3) havendo a necessidade de adicionar um ajuste.

Destilaçãoc) Adicione o ajuste com as especificações da figura.

Destilaçãoc) Os resultados obtidos após o ajuste estão apresentados na figura.

Destilaçãoc) O gráfico de composições de cada componente nas fases líquida e vapor em cada estágio pode ser obtido editando “perfis da coluna”.