Simulação e otimização de uma planta produtora de etilbenzeno
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1 Simulação e otimização de uma planta produtora de etilbenzeno Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola de Química Disciplina: EQE038- Simulação e Otimização de Processos Professor: Argimiro Resende Secchi Alunos: Felipe Costa, Lucas Andrade, Lucas Ferreira, Nathália Machado, Rafael Cypriano Dezembro/2017
2 Introdução Etilbenzeno Precursor do estireno borrachas sintéticas, fibras de vidro, resinas etc. Obtenção via alquilação de benzeno Processo atual catalisado por zeólitas
3 Descrição do Processo
4 Descrição do Processo
5 Simulação
6 Simulação estacionária Ambiente de simulação Aspen Plus 8.2 Modelo termodinâmico : Peng-Robinson Método numérico: Wengstein Simulação orientada a equações Tolerância: 5,0 e-04 Número máximo de iterações: 50
7 Simulação estacionária Especificações das correntes de processo C19
8 Especificações dos equipamentos de processo
9 Simulação estacionária Blocos e correntes auxiliares(base, AUXSEP) Assegurar a convergência e o fechamento do balanço de massa do processo, além da consistência do avanço das reações Corrente BASE: Base de cálculo para a síntese (100 kmol/h) AUXSEP Especificações RECbz = RECet = 1 RECetbz = RECdietbz = 0 (razão AUX2/C14) T = 170 C P = 35.0 bar
10 Resultados para o reator PFR1 Simulação estacionária Vazão molar (kmol/h) C3 (entrada) C4(saída) Benzeno 799, ,8247 Etileno Etilbenzeno 2,33E-06 90,13677 Dietilbenzeno 6,45E-16 4,936178
11 Resultados para a coluna CD1 Simulação estacionária Vazão molar (kmol/h) C4 (entrada) C19 (reciclo) C5 (destilado) C13 (fundo) Benzeno 704, , ,8166 0, Etileno Etilbenzeno 90, , ,39356E ,091 Dietilbenzeno 4, ,36E-04 6,63390E-16 4,936314
12 Resultados para a coluna CD2 Simulação estacionária Vazão molar (kmol/h) C13 (entrada) C14 (destilado) C15 (fundo) Benzeno 0, , ,59E-19 Etileno Etilbenzeno 100, ,009 8,20004E-02 Dietilbenzeno 4, ,92E-08 4,936314
13 Resultados para o reator PFR2 Simulação estacionária Vazão molar (kmol/h) C17 (entrada) C18(saída) Benzeno 20 15,06382 Etileno 0,00E+00 0 Etilbenzeno 8,20E-02 9, Dietilbenzeno 4, ,
14 Análise de sensibilidade Ferramenta utilizada : Sensibility (Aspen Plus 8.2) Variáveis dependentes: Vazão molar de dietilbenzeno na entrada de PFR2 Carga térmica do refervedor de CD1 Variáveis independentes: Razão de refluxo da coluna 1 Range : 0,5 a 0,7 Intervalo : 0,04 Vazão molar de benzeno em C8 ( reciclo) Range : 700 a 900 kmol/h Intervalo: 50 kmol/h
15 Análise de sensibilidade Gráfico 1: Carga térmica do refervedor de CD1 em função da razão de refluxo de CD1 e do benzeno recirculado.
16 Análise de sensibilidade Gráfico 2: Vazão de dietilbenzeno que alimenta o PFR2 em função da razão de refluxo de CD1 e do benzeno recirculado.
17 Análise de sensibilidade Gráfico 3: Benzeno recirculado (calculado) em função da razão de refluxo de CD1 e do benzeno recirculado (estimado).
18 Otimização Variáveis importantes para a otimização Variável REBCD1 REBCD2 CONDCD1 CONDCD2 TC1DUTY TC2DUTY BENZIN ETIN PRODPUR ETBZPROD BENZEXC Descrição carga térmica do refervedor da coluna CD1 carga térmica do refervedor da coluna CD2 carga térmica do condensador da coluna CD1 carga térmica do condensador da coluna CD2 carga térmica do trocador de calor TC1 carga térmica do trocador de calor TC2 vazão mássica de benzeno da corrente C1 vazão mássica de etileno na corrente C1 fração molar de etilbenzeno na corrente de produto C14 vazão mássica de etilbenzeno na corrente de produto C14 vazão molar de benzeno recirculado na corrente C8
19 Otimização Ferramenta utilizada : Optimize Variáveis manipuladas : Vazão molar de benzeno recirculada (corrente C8); Minimo=700 e Máximo=900. Razão de refluxo molar da primeira coluna (CD1); Minimo=0,4 e Máximo=2. Razão de refluxo molar da segunda coluna (CD2). Minimo=0,4 e Máximo=2.
20 Otimização Função objetivo Produto Preço Unidade Etilbenzeno 0.49 US$/lb Insumo Preço Unidade Benzeno 0.32 US$/lb Etileno 0.55 US$/lb Aquecimento (gás natural) 13.35E-6 US$/Btu Resfriamento (água ambiente) 0
21 Otimização Restrição Pureza
22 Otimização
23 Otimização
24 Otimização Comparação do valor inicial e da maximização da função objetivo Iteration Objective function VARY 1 C8 MIXED TOTAL MOLEFLOW KMOL/HR VARY 2 CD1 COL-SPEC MOLE-RR VARY 3 CD2 COL-SPEC MOLE-RR , ,239 0, ,741656
25 Simulação dinâmica Ambiente de simulação dinâmica Aspen Dynamics Simulação em Estado Estacionário Implementação da malha de controle Variável controlada : temperatura de saída do reator de alquilação Variável manipulada: calor do trocador à montante do reator de alquilação Perturbações SP Servo-mecanismo carga regulador Validação do Controle Alterações: Vazão e Composições de C1
26 F(kmol/hr) Fração molar Estado Estacionário Corrente C4 Simulação dinâmica 800,412 Vazão Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno 1 800,41 800,408 0,9 0,8 0,7 800, ,404 0,6 0,5 0,4 800, ,4 0,3 0,2 0,1 800, Tempo (Horas)
27 F(kmol/hr) Fração molar Estado Estacionário Corrente C14 Simulação dinâmica Vazão Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno 100,8 100,6 100,4 100, ,8 99,6 99,4 99,2 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo (Horas)
28 Simulação dinâmica Implementação da Malha de Controle Variável manipulada: Temperatura de saída de PFR1 Variável controlada : Carga térmica de aquecimento na entrada de PFR1 Curva de reação Temperatura de saída X Temperatura de entrada (C1) Temperatura de saída X Carga térmica de TC1 Perturbações degrau: C1: 20 C/ - 20 C TC1 : 2x10^5 kcal/h /- 2x10^5 kcal/h
29 Simulação dinâmica Simulação rigorosa do controle Perturbações degrau de 10ºC na temperatura(regulador) e de 238 para 260 C no SP (servo-mecanismo). Perturbações degrau de 40 kmol/h na vazão e de 0,1 na composição de benzeno e etileno Para sistema regulador: Kc = 3 Para sistema servo: Kc = 3 e Kc = 15 Correntes monitoradas : C2, C4, C14 e C19
30 T( C) Fração molar Simulação dinâmica Teste escravo: degrau no SP de 238 para 260 C (em C4) Corrente C4 Kc = 3 Temperatura Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo (Horas)
31 T( C) Fração molar Simulação dinâmica Teste escravo: degrau no SP de 238 para 260 C (em C4) Corrente C14 Kc = 3 Temperatura Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo (Horas) 0
32 T( C) Fração molar Simulação dinâmica Teste escravo: degrau no SP de 238 para 260 C (em C4) Corrente C4 Kc = 15 Temperatura Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo (Horas)
33 T( C) Fração molar Simulação dinâmica Teste escravo: degrau no SP de 238 para 260 C (em C4) Corrente C14 Kc = 15 Temperatura Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo (Horas) 0
34 T( C) Fração molar Simulação dinâmica Pertubação na carga: degrau em T (C1) de 170 para 180 C Corrente C4 Kc = 3 Temperatura Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno , , , ,5 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo (Horas)
35 T( C) Fração molar Simulação dinâmica Pertubação na carga: degrau em T (C1) de 170 para 180 C Corrente C14 Kc = 3 Temperatura Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno , , , , ,5 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tempo (Horas)
36 F(kmol/hr) Fração molar F(kmol/hr) Fração molar Simulação dinâmica Pertubação na carga: degrau em F (C1) de 200 para 240 kmol/h Corrente C4 Kc = 3 Vazão Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno Tempo (Horas) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 100,6 100,4 100, ,8 99,6 99,4 99,2 99 Pertubação na carga: degrau em F (C1) de 200 para 240 kmol/h Corrente C14 Kc = 3 Vazão Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno Tempo (Horas) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
37 F(kmol/hr) Fração molar F(kmol/hr) Fração molar Simulação dinâmica Pertubação na carga: degrau em Fração de Benzeno (C1) de 0.5 para 0.6 Corrente C4 Kc = 3 Vazão Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno Tempo (Horas) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Pertubação na carga: degrau em Fração de Benzeno (C1) de 0.5 para 0.6 Corrente C14 Kc = 3 Vazão Benzeno Etileno Etilbenzeno Dietilbenzeno Tempo (Horas) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
38 Conclusão Foi possível simular uma planta simplificada de produção de etilbenzeno. A planta simulada atendeu aos requisitos mínimos do projeto. O produto obtido apresentou elevada pureza. O simulador Aspen Plus mostrou-se um ambiente de simulação adequado ao propósito deste trabalho. Foi possível otimizar o processo obtendo os parâmetros operacionais que maximizam o lucro. A malha de controle apresentou desempenho satisfatório.
39 Obrigado pela atenção!
40 Referências Bibliográficas NG, QI HAN, SHARMA, SHIVOM, RANGAIAH, GADE PANDU. Design and Analysis of an Ethyl Benzene Production Process using Conventional Distillation Columns and Dividing-Wall Column for Multiple Objectives. Chemical Engineering Research and Design, Thermal Energy Costs. Disponível em : Acesso em : 01/12/2017, às 11:43.
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