ANÁLISE E SIMULAÇÃO DE UMA COLUNA DE DESTILAÇÃO PARA PURIFICAÇÃO DO PROPILENOGLICOL

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1 ANÁLISE E SIMULAÇÃO DE UMA COLUNA DE DESTILAÇÃO PARA PURIFICAÇÃO DO PROPILENOGLICOL R. R. OLIVEIRA 1, R. S. MACHADO 1 1 Faculdade SENAI CETIQT, Departamento de Engenharia Química para contato: rmachado@cetiqt.senai.br RESUMO O presente trabalho tem como objetivo a análise e simulação de uma coluna de destilação para purificação de uma corrente contendo água, hidrogênio, n-propanol, iso-propanol e propilenoglicol, obtendo este ultimo componente como produto de fundo com pureza acima de 99%, uma vez que este apresenta valor agregado no mercado nestas condições. Para isso, será utilizado um simulador comercial (Aspen Hysys) em que foram avaliadas as influências das principais variáveis operacionais, tais como vazão do destilado, pressão da coluna e da corrente de alimentação, temperatura da corrente de alimentação, razão de refluxo, mantendo a qualidade final do produto a fim de reduzir o consumo energético do condensador e refervedor. ABSTRACT The present work aims to analysis and simulated the distillation column for purification of stream content water, hydrogen, n-propanol, iso-propanol and propylene glycol. The pure propylene glycol was obtained in bottom product (99%), in this conditions, it's approval and added value in market. For this work, was used a commercial simulator (Aspen Hysys) that analyses main operations variables, such as distillate flow, column pressure, feed pressure, feed temperature, reflux ratio, with high quality products and reducing the energy flow condenser and reboiler. 1. INTRODUÇÃO O propano-1,2,3-triol, nome dado pela IUPAC (1993), comumente chamado de glicerol é um composto orgânico pertencente à função álcool com três hidroxilas em sua fórmula molecular C3H8O3. A expressão glicerol aplica-se somente ao componente químico puro, enquanto a glicerina trata-se de uma nomenclatura comercial e aplica-se principalmente, na indústria farmacêutica, de cosméticos, alimentícia e resinas alquilícas. Algumas destas aplicações demandam glicerina com grau farmacêutico de pureza ( 99,5%), enquanto outras demandam um grau de pureza menor, como 95% (FIUZA et al., 2014). Existem vários tipos de glicerina no mercado, estes tipos diferem em seu conteúdo de glicerol e em outras características, tais como cor, odor e impurezas. Em geral, a glicerina gerada no processo

2 de produção de biodiesel contém aproximadamente 80% de glicerol, além de água, álcool e biodiesel (MOTA et al., 2009). O cenário mundial da glicerina é bastante dinâmico, foi estimado um crescimento de 2,5% ao ano até Entre os anos de 2008 e 2012 a produção anual do biodiesel estava em alta, cerca de 9,3% ano, gerando um excesso da oferta da glicerina bruta e consequentemente, uma queda no preço deste produto (BAIN & COMPANY, 2014). A fim de reaproveitar a glicerina dentro da indústria nacional, o seu tratamento torna-se essencial. Uma grande diversidade de pesquisas está sendo desenvolvida visando diminuir o impacto deste resíduo no ambiente agregando valor à produção de biodiesel. Em 2010 foi construída uma planta em escala industrial para a produção de propilenoglicol a partir da glicerina, pela Archer Daniels Midland, nos Estados Unidos. O mercado de propilenoglicol cresce 4% ao ano, além do que a sua demanda é três vezes a demanda de glicerol (CHIU et al. 2006). Suas propriedades físicas permitem que este produto seja uma excelente escolha para as indústrias de cosméticos, alimentos e farmacêuticas. Algumas das aplicações mais comuns são: Agente de acoplamento em formulações de filtros solares, shampoos e similares; Hidratantes em cosméticos, medicamentos, alimentos; Fixadores para perfumes; Fluido anticongelante; Solventes para aromas, essências e fragrâncias; Solventes para indústrias de tintas; Umectantes para resinas naturais; 1.1. Simulação Computacional Atualmente existem vários programas que simulam processos tanto no estado estacionário quanto no estado transiente, tais como: ASPEN HYSYS e ASPEN PLUS (Aspen Tech), CHEMCAD (Chemstations), DESIGN II (WinSim) e SimSci PRO/II (Schneider Electric). Estes simuladores disponibilizam uma enorme diversidade de operações unitárias, pacotes termodinâmicos, componentes químicos além de suas propriedades, permitindo o dimensionamento de equipamentos, análise e otimização de processos e estruturação da malha de controle. É utilizado um método iterativo para resolver balanços de massa e energia considerando as unidades

3 sequencialmente até se encontrar o final do loop obtendo a convergência satisfatória. 2. PROCESSO DE DESTILAÇÃO O presente estudo foi baseado em Chatterjee et al. (2011), onde os autores realizaram simulações para obtenção do propilenoglicol com teor de pureza de 99% resultando em um consumo de KJ/h e KJ/h para o refervedor e o condensador, respectivamente. A corrente de alimentação (1) da coluna é composta de água, propilenoglicol, n-propanol, isopropanol e hidrogênio. A coluna de destilação foi mantida com 70 pratos, baseado na correlação de O Connell. O hidrogênio é retirado na forma de vapor na corrente (2), já a mistura líquida que contem água, n-propanol e iso-propanol é recolhido na corrente (3). O propilenoglicol é retirado no produto de fundo, corrente (4), com uma pureza de 99%, conforme o esquema mostrado na Figura 1. As dimensões da coluna, do refervedor, condensador, bem como as especificações dos produtos e números de pratos adotados, são os mesmos utilizados por Chartterjee et al. (2011). Figura 1 Esquema do processo de purificação do propilenoglicol via destilação Análise das Variáveis de Operação Buscando manter as mesmas condições de separação, tais como: número de estágio e dimensionamento da coluna, além da qualidade do produto final (propilenoglicol a 99% de pureza), foi realizada uma análise de sensibilidade nas variáveis operacionais visando minimizar os custos energéticos do processo. Neste caso, avaliou-se o comportamento das variáveis: pressão de operação da coluna, razão de refluxo, temperatura e pressão da corrente de alimentação e vazões de destilado e produto de fundo, comparando cada uma destas variáveis com o valor da carga térmica obtida nas simulações, conforme

4 os gráficos apresentados abaixo. Para todos os gráficos considerou- se que as legendas EC e ER são respectivamente as cargas térmicas do condensador e do refervedor. Pressão de operação da coluna de destilação: Figura 2 Carga térmica versus pressão de operação da coluna de destilação. Ao reduzir a pressão de operação da coluna de destilação, a temperatura de ebulição da mistura também será reduzida e consequentemente a quantidade de energia utilizada pelo refervedor para aquecê-la e transformá-la em vapor será menor. Para o condensador, o efeito da variação da pressão foi menos significativo conforme indica a Figura 1, isto se deve ao fato da carga do condensador ser diretamente proporcional a entalpia de condensação. Nesta faixa de pressão estudada, a temperatura do condensador variou de 234,6ºF (113 C a 40 psia) para 192,9ºF (89,9 C a 20 psia). A diminuição da pressão (e da temperatura) reduz sensivelmente o valor das entalpias do vapor e do líquido, conforme a Tabela 1 de resultados do relatório do Aspen Hysys. Tabela 1 Valores de entalpias do vapor e líquido para o condensador em diferentes pressões de operação. Pressão de operação (psia) Entalpia do vapor (Kcal/h) Entalpia do liquido (Kcal/h) Carga do condensador (Kcal/h) 40 (234,6ºF) -5,900x10 4-6,700x10 4-1,9141x (192,9ºF) -5,961x10 4-6,745x10 4-1,9733x10 6

5 Porém, considerando-se esta redução em módulo, faz com que o valor das entalpias sejam maiores, e consequentemente a energia utilizada pelo condensador para remover calor nos processos simulados sejam maiores com a diminuição da pressão conforme indica a Figura 1. Razão de refluxo: Figura 3 Carga térmica versus razão de refluxo. A razão de refluxo é definida como a razão entre a vazão do destilado e do líquido que retorna para a coluna. A redução desta variável acarreta em uma menor quantidade de líquido retornando à coluna, o que proporciona uma menor energia necessária para transformá-lo em vapor, acarretando em uma diminuição da carga térmica do refervedor. Equações de balanço demonstram que a carga do condensador é proporcional a razão de refluxo e a vazão do destilado, o que justifica a diminuição da carga do condensador. A razão de refluxo deve ser cuidadosamente controlada, pois a sua redução apesar de mostrar-se vantajosa em termos de consumo energético, acarreta em maiores custos construtivos devido ao aumento da quantidade de estágios. Temperatura e pressão da corrente de alimentação: Quanto menor a temperatura da corrente de alimentação, menor é a fração de vapor da corrente, logo, maior é a energia requerida pelo refervedor para o aquecimento da corrente de alimentação. O oposto acontece com a pressão da corrente de alimentação, ou seja, quanto maior a pressão, maior é a fração liquida da corrente necessitando de uma maior carga no refervedor para o aquecimento da corrente. O efeito da variação da temperatura e da pressão na carga térmica do condensador mostrouse pouco significativa.

6 Figura 4 Carga térmica versus temperatura da corrente de alimentação. Figura 5 Carga térmica versus pressão da corrente de alimentação.

7 Vazão de destilado: Figura 6 Carga térmica versus vazão do destilado. As simulações envolvendo as variações da vazão do destilado foram realizadas mantendo-se fixa a vazão de alimentação. Para cada variação apresentada, o simulador automaticamente recalcula a vazão do produto de fundo, uma vez que a vazão de vapor no condensador parcial foi mantida constante. Conforme apresentado na Figura 6, a variação da vazão não se deu em uma faixa grande de valores e consequentemente as cargas térmicas variaram sensivelmente, esta restrição do domínio de vazões se deu pelo fato de não haver a convergência da simulação para valores fora destes patamares, considerando constantes as demais condições operacionais. Ainda assim, observa-se na Figura 6 um aumento da carga térmica tanto do condensador quanto do refervedor com o aumento da vazão de destilado (ou diminuição da vazão do produto de fundo), pois conforme já foi explicado no tópico da razão de refluxo, a carga do condensador é proporcional a vazão de destilado. Esta diminuição da vazão do produto de fundo acarreta em maiores quantidades de energia para o refervedor levar a ebulição o líquido presente nele. 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados obtidos nas simulações mostram que é possível manter a qualidade do produto final (Propileno Glicol - >99,5% de pureza) com possíveis reduções de consumo energético do processo. A possibilidade da redução da pressão de operação da coluna, diminuição da razão de refluxo, elevação da temperatura da carga de alimentação e até uma pequena redução da Vazão de destilado, fornecem menores valores para cargas do refervedor e condensador. Nos casos estudados, o

8 refervedor é o equipamento mais sensível a tais variações. Futuros trabalhos poderão mostrar de forma mais evidente o quanto pode ser reduzido em termos energéticos quando as melhores condições operacionais apresentadas neste trabalho operarem de forma conjunta. 7. REFERÊNCIAS A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds (Recommendations 1993), 1993, Blackwell Scientific publications, Copyright 1993 IUPAC. Disponível em: < Acesso em: 11 fev BAIN & COMPANY. Potencial de diversificação da indústria química Brasileira Disponível em: < nload/aep_fep/chamada_publica_fepprospec0311_oleoquimicos.pdf>. Acesso em: 08 fev CHATTERJEE, K.; HALL, K.; TELL, S. Glycerol to Propylene Glycol. Scholarly Commons. Philadelphia, EUA, CHIU, C. W. Catalytic conversion of glycerol to propylene glycol: synthesis and technology assessment f. Dissertação (Doutorado em Engenharia Química) - Escola de pós-graduação, Universidade de Missouri, Columbia, EUA, FIUZA, P. R.; MIRANDA, S. C.; FIUZA, A, R, Jr.; Processos de purificação de glicerina bruta. Caderno de prospecção, Salvador, v. 7, n. 1, p , jan./mar., Disponível em: < Acesso em: 08 fev MOTA, C. J. A.; SILVA, C. X. X. ; GONÇALVES, V. L. C. Gliceroquímica: novos produtos e processos a partir da glicerina de produção de biodiesel. Química Nova, v. 32, n. 3, p , mar