SIMULAÇÃO E ESTUDO DAS VARIÁVEIS DE UM PROCESSO DE DESTILAÇÃO DE ETANOL UTILIZANDO COLUNA DE RETIFICAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL/USP JOSÉ FELIPE SILVA OLIVEIRA SIMULAÇÃO E ESTUDO DAS VARIÁVEIS DE UM PROCESSO DE DESTILAÇÃO DE ETANOL UTILIZANDO COLUNA DE RETIFICAÇÃO Lorena SP 2015

2 JOSÉ FELIPE SILVA OLIVEIRA Simulação e estudo das variáveis de um processo de destilação de etanol utilizando coluna de retificação Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Engenheiro Químico. Orientador: Prof. MSc. Antonio Carlos da Silva LORENA-SP 2015

3 AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a) Oliveira, José Felipe Silva Simulação e estudo das variáveis de um processo de destilação de etanol utilizando coluna de retificação / José Felipe Silva Oliveira; orientador Antonio Carlos da Silva. - Lorena, p. Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Química - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo Orientador: Antonio Carlos da Silva 1. Destilação. 2. Coluna de retificação. 3. Método de taguchi. I. Título. II. da Silva, Antonio Carlos, orient.

4 Aos meusqueridos pais, José André e Rosana,pelo amor incondicional e por todo o apoio sempre presente.sem dúvidas são os principais provedores de mais esta conquista.

5 Agradecimentos Primeiramente aos meus pais por sempre acreditarem na minha capacidade, até mesmo nos momentos que eu não acreditava, eles estiveram presentes com um gesto ou uma palavra de motivação que me fizeram seguir adiante. Obrigado por serem a minha base! Aos meus irmãos Pedro e Mayara pela admiração e pelos momentos ímpares vividos em família. À amada Bruna Caroline, pelos dez anos de união, cumplicidade e amor que construíram parte do que sou hoje. Ao meu grande amigo Maurício Pierozzipela amizade sincera construída em Lorena e extrapolada para o velho continente. Ao Prof. Dr. Antônio Carlos da Silva por me orientar durante esse trabalho. Aos amigos Arthur Scarparo, Otavio Danelussi e Fernando Iwamoto por toda a ajuda e parceria durante a faculdade, em especial no último semestre quando abriram a porta de vossa casa para me acolher. Aos amigos Leandro de Paula, Felipe Costa, Leonardo de Faria e Edson Igarashi pelos momentos compartilhados durante a vida estudantil na república. A todos com quem tive a oportunidade de conviver e aprender durante o período de faculdade. Aos professores da EEL/USP por todo o aprendizado e conhecimento ao longo do curso.

6 Não ande apenas pelo caminho traçado, pois ele conduz somente até onde os outros já foram. Alexander Graham Bell

7 RESUMO OLIVEIRA, J. F. S. SIMULAÇÃO E ESTUDO DAS VARIÁVEIS DE UM PROCESSO DE DESTILAÇÃO DE ETANOL UTILIZANDO COLUNA DE RETIFICAÇÃO p. Trabalho de conclusão do curso de Engenharia Química Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, A operação unitária de destilação é muito importante em diferentes tipos de indústrias. Sendo uma operação complexa, com diversos parâmetros envolvidos, possui muitas alternativas de redução de custos. O presente trabalho apresenta um estudoda influência de quatro variáveis em uma coluna de retificação, amplamente discutidas na literatura. O Método de Taguchi foi utilizado como forma de planejar as simulações e verificar a influência das variáveis vazão de alimentação, pressão no condensador, condição de alimentação e razão de refluxo, analisadas em três níveis. As simulações foram realizadas no software AspenHysys. Umaanálise econômica de custos foi realizada, e o principal objetivo do trabalho foi a avaliação da redução de custos operacionais e de projeto da destilação em coluna de retificação. Como consequência obteveseumaumento da robustez do processo, assim como o melhor ajuste das variáveis estudadas no processo simulado. A variável que mais impactou no processo simulado foi a vazão de alimentação da coluna. Palavras-chave: Destilação. Coluna de retificação. Método de Taguchi.

8 ABSCTRACT OLIVEIRA, J. F. S. SIMULATING AND STUDYING VARIABLES OF AN ETHANOL DISTILLATION PROCESSUSING RECTIFICATION COLUMN p. Monograph in ChemicalEngineering Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, The distillation unit operation is very important in different kinds of industries, as great opportunity cost reduction. The present work presents a study of the influence of four variables in a rectification column, extensively discussed in the literature. The Taguchi s method is used as a way to study the simulations and the influence of the variables feed flow, reflux ratio, condenser pressure and feed condition, they were analyzed at three levels. The simulations were performed in the AspenHysys software. The economic cost analysis was performed, and the main objective of the paper was precisely to reduce operating costs and design of the distillation rectification column. As a result was obtained an increase on the robustness of the process, and was identified the best combination of the variables of the process. The variable most important in the simulated process was the feed flow. Key-words: Distillation. Rectification column.taguchi method.

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1.Diagrama líquido-vapor hipotético para uma misturabinária 17 Figura 2.Variação isobárica na temperatura 17 Figura 3.Coluna de retificação ou fracionamento 20 Figura 4.Número de pratos teóricos ou número de estágios de uma coluna deretificação 21 Figura 5.Perfil de uma coluna de retificação 23 Figura 6.Balanço material no praton 24 Figura 7.Diagrama de McCabe-Thiele 26 Figura 8.Determinação do projeto ótimo na destilação 29 Figura 9.Razão de refluxo mínima e infinita 30 Figura 10.Variação do número de estágio com a razão de refluxo 31 Figura 11.Variação de energia com a temperatura de alimentação a pressão constante 32 Figura 12.Eficiência termodinâmica em função da volatilidade relativa 33 Figura 13.Gráfico da eficiência termodinâmica em função da volatilidade relativa para diferentes composições de fases 34 Figura 14.Gráfico da razão de refluxo vs. Custo anual 39 Figura 15.Número de pratos vs. Razão de refluxo 41 Figura 16. Fluxograma da operação 44

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Níveis das variáveis 43 Tabela 2. Matriz experimental (Arranjo Interno L9) 43 Tabela 3.Níveis das variáveis do processo 46 Tabela 4.Variáveis resposta em cada simulação 46 Tabela 5.Custos operacionais e de projeto do sistema 48 Tabela 6. Fluxo de saída do destilado 48 Tabela 7. Custo do produto final 49 Tabela 8. Tabela de ANOVA para os custos de projeto 49 Tabela 9. Tabela de ANOVA para os custos operacionais 51 Tabela 10. Tabela de ANOVA para os custos de projeto e operacionais 52

11 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Justificativa Objetivo geral Objetivos específicos REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O processo de destilação Tipos de destilação O número de estágios da coluna de fracionamento O número mínimo de pratos na coluna O método de McCabe-Thiele As variáveis do processo A pressão de operação A razão de refluxo A razão de refluxo mínimo A condição de alimentação A vazão de alimentação Planejamento de experimentos O Método de Taguchi O software de simulação AspenHysys METODOLOGIA Metodologia de pesquisa Planejamento e escopo do trabalho Obtenção dos níveis das variáveis Pressão no condensador Razão de Refluxo Condição de alimentação Vazão de alimentação Escolha do pacote termodinâmico Matriz experimental Descrição do processo RESULTADOS E DISCUSSÃO 46

12 4.1 Resultado das simulações Análise estatística Equacionamento dos custos Análise dos custos de processo Análise para o custo de projeto Análise para o custo operacional Análise para a soma dos custos de projeto e operacional CONCLUSÃO 53 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 54

13 13 1. INTRODUÇÃO A operação unitária mais utilizada industrialmente é a destilação (FOUST et al., 1982). Sua utilização ocorre em diversos tipos de indústrias, tais como: petroquímicas, industriais sucroalcooleiras, em processos que requerem a recuperação de compostos ricos em determinado composto e em muitos outros. A destilação pode apresentar variação no modo de operação que podem ser batelada ou contínuo e os materiais que compõem os estágios de uma coluna podem ser pratos, bandejas ou anéis (KISTER, 1992). O princípio de funcionamento consiste basicamente em controlar a temperatura e pressão do meio para que a volatilidade relativa existente entre os componentes da mistura enriqueça a fase vapor gerada, no componente mais volátil (KISTER, 1992). No Brasil, a produção de etanol ocorre a partir da cana de açúcar, por se tratar de uma matéria prima renovável e típica de climas tropicais. A cana pode tanto ser destinada para a produção de açúcar, quanto pode ser aproveitada na produção de etanol. Atualmente a desvinculação de usinas anexas, ou seja, que produzem tanto açúcar quanto etanol é uma tendência, visto que impede que as usinas produzam somente um dos produtos em detrimento do outro. O etanol é obtido do processo fermentativo do caldo, e posteriormente é destilado (SOUZA e AZEVEDO, 2004). O processo de destilação para esse fim é constituído de três destilações. A primeira ocorre em uma coluna de destilação, onde o produto obtido é concentrado até aproximadamente 48ºGL, e o produto obtido é denominado de flegma. Na segunda coluna, denominada coluna de retificação, o produto obtido já é propriamente o etanol e possui concentração igual a aproximadamente 94ºGL. Este produto possui valor comercial e pode ser vendido principalmente como combustível automotivo, além de reagente industrial, produtos de limpeza e para a indústria de bebidas (OLIVEIRA et al., 2012). A última coluna trata-se de uma coluna de desidratação, onde ciclohexano é adicionado com o intuito de quebrar o azeótropo formado entre a água e o etanol, visto que nessas condições é impossível separar etanol e água por destilação simples. Como consequência o etanol anidro, ou seja, com uma

14 14 quantidade mínima de água é obtido(oliveira et al., 2012). Este produto possui valor comercial como aditivo de gasolina e reagente industrial. As usinas brasileiras do setor sucroalcooleiro são mais do que autosuficientes na produção de energia, devido ao grande excedente de bagaço de cana-de-açúcar, que é queimado nas caldeiras das próprias indústrias do setor, gerando ainda um grande excedente de energia (SOUZA e AZEVEDO, 2004). Porém, não é porque se tem um grande excedente de matéria prima que o desperdício deve ocorrer, visto que a queima do bagaço de cana-de-açúcar lança grandes quantidades de poluentes na atmosfera. Considerando que atualmente, há uma grande e vital necessidade das indústrias se tornarem cada vez mais eficientes e desperdiçarem cada vez menos energia, visto que a forte concorrência no mercado e o alto nível de exigência do consumidor demandam essas características, a venda do excedente da energia obtida para consumo em cidades, poderia trazer benefício tanto para a indústria, quanto para a população. Pensando nisto, é que a redução de custos operacionais também poderia inserir a indústria alcooleira em um mercado global competitivo. Em algumas indústrias, as colunas de destilação constituem uma grande fração do investimento fixo e dos custos operacionais (ALFRADIQUE, 2003). Com o avanço dos computadores e ferramentas matemáticas mais robustas a modelagem e simulação de processos são cada vez mais evidentes no cenário industrial se fazendo cada vez mais necessário o estudo e aprimoramento de processos por meio de ambientes de simulação (MENEGUELO; ROQUEIRO; MACHADO, 2004). O presente trabalho apresenta um estudo em ambiente de simulação computacional de uma coluna de retificação a partir de um Planejamento Experimental utilizando o Método de Taguchi.Foram analisadas quatro variáveis amplamente discutidas na literatura e considerados aspectos fundamentais de uma coluna de retificação, visando a redução de custos de projeto e operacionais.

15 JUSTIFICATIVA O presente trabalho teve importância na determinação de variáveis que impactam significativamente no processo de destilação por coluna de retificação. A possibilidade de verificar a combinação entre as variáveis escolhidas para análise e o impacto das mesmas pode trazer resultados interessantes para processos industriais, visto que a destilação é uma operação unitária indispensável em inúmeras indústrias químicas. A identificação da melhor combinação entre as variáveis é muito importante, visto que as indústrias cada vez mais buscam robustez nos processos, reduzindo principalmente custos operacionais, o que impacta diretamente no custo final do produto e no lucro gerado. 1.2 OBJETIVO GERAL O presente trabalho teve como objetivo principal o estudo, através de simulação planejada pelo método de Taguchi, da operação de destilação de etanol em coluna de retificação para identificar a influência de variáveis da operação nos custos de projeto e operacionais. 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Os objetivos específicos do presente trabalho são: Identificação de variáveis que mais influenciam no processo de destilação: razão de refluxo, vazão de alimentação, pressão no condensador e condição de alimentação; Aplicação do Método de Taguchi para planejar as simulações experimentais; Escolha de variáveis mais impactantes sobre custos operacionais e de projeto; Aplicação de metodologia de simulação computacional; Obtenção do melhor arranjo das variáveis do processo simulado.

16 16 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. O PROCESSO DE DESTILAÇÃO Para uma melhor compreensão da operação unitária de destilação, é importante tratar o fenômeno físico químico que fundamenta esta operação. Este fenômeno é baseado em um equilíbrio de fases líquido-líquido, relacionado a miscibilidade dos componentes, e ao equilíbrio termodinâmico, ao inserirmos energia no sistema através do aumento da temperatura do sistema. O fenômeno físico químico é regido pela Equação 1, denominada Lei de Raoult (CASTELLAN,2011). = (1) Onde: é a fração molar do componente namistura líquida é a pressão de vapor do componente líquido puro é a pressão parcial do componente na fase vapor O significado físico e termodinâmico da lei de Raoult é o seguinte: A pressão de vapor total da mistura é dado pela soma das pressões parciais de todos os componentes que compõem a mistura. Quando uma molécula presente na mistura vence esse valor de pressão de vapor total da mistura, ela passa do estado líquido para o estado de vapor, e o contrário também ocorre se energia for retirada dessa molécula (CASTELLAN, 2011). A composição do vapor pode ser obtida experimentalmente, gerando assim um diagrama (RICHARDSON e HARKER, 2005). Este diagrama é função da fração molar de vapor y em relação a do líquido x. Portanto, pela lei de Clapeyron, pode-se considerar em uma transformação isotérmica que a pressão de vapor do sistema é função da concentração de y. A Figura 1 evidencia um diagrama líquido-vapor hipotético de uma mistura binária.

17 17 Figura 1 - Diagrama líquido-vapor hipotético para uma mistura binária (Fonte: ) Em sistemas onde ocorre a variação isobárica da temperatura, isto é, a pressão constante, nota-se uma importante sequência de transformações de fases em função da variação da fração molar do componente mais volátil do sistema. Pode-se obter o gráfico da Figura 2 que relaciona a temperatura do sistema com a fração molar para uma mistura binária: Figura 2 - Variação isobárica na temperatura (Fonte: CASTELLAN, 2011) Partindo de uma mistura líquida a temperatura baixa, correspondente ao ponto a da Figura 2, onde se tem uma mistura em estado líquido, até uma temperatura alta, ponto a, onde se tem uma mistura em estado vapor, tem-se

18 18 algumas transformações importantes. Partindo-se de a, com o aumento da temperatura o sistema permanece no estado líquido até o ponto l, onde, na temperatura 1 aparecem os primeiros traços de vapor de composição y. O vapor é muito mais rico que o líquido no ponto 1, visto que é o mais volátil da mistura. Esse é o princípio básico da separação de misturas voláteis por destilação. Continuando-se o aumento da temperatura, chega-se até o ponto v onde desaparece o último traço de líquido de composição x, e em a todo o sistema encontra-se em estado de vapor (CASTELLAN, 2011). Removendo-se uma parte do vapor obtido nos primeiros estágios do processo e condensando-o, obtém-seo destilado. Este produto é caracterizado por ser composto majoritariamente pelo componente mais volátil da mistura inicial, em contrapartida o líquido possui composição menor do componente mais volátil(atkins e DE PAULA, 2010) TIPOS DE DESTILAÇÃO Existem três tipos de destilação principais: Destilação flash: É o caso mais simples de destilação, também chamado de destilação simples, consiste em aquecer a corrente de líquido de alimentação em um trocador de calor, que em seguida é submetida a uma rápida despressurização. Como consequência obtém-se duas correntes saturadas, uma de líquido e outra de vapor em equilíbrio. A utilização da destilação flash é restrita, pois somente permite um grau de separação elevado se a diferença de volatilidade entre os componentes for elevada (CASTELLAN, 2011). Destilação Diferencial: Também chamada de destilação de Rayleigh. É uma operação descontinua, que consiste no aquecimento da mistura através de um refervedor, e a medida que o vapor é produzido, ele é condensado pelo condensador. Muito

19 19 utilizado em laboratórios, é um método simples, mas de pouca eficiência devido à pouca troca térmica e contato entre as fases (CASTELLAN, 2011). Destilação por coluna de retificação: As operações até agora descritas propiciam pouco enriquecimento do vapor produzido, a não ser que se opere com vários estágios, porém muitas vezes o custo de equipamentos tornaria a separação inviável. Neste tipo de operação utiliza-se regime continuo e ocorrem vaporizações e condensações sucessivas em um equipamento de menor custo, conhecido como coluna de retificação ou fracionamento. Pode ser constituída de pratos ou outros tipos de recheio onde ocorrem os equilíbrios líquido-vapor, o que promove uma maior superfície de contato e troca de calor entre as fases. As colunas de pratos são muito mais usadas que as recheadas, especialmente na destilação (FOUST et al., 1982). A alimentação é feita em um ponto intermediário, e o prato que a recebe é denominado de prato de alimentação. Este tipo de destilação é o mais utilizado na separação do etanol e, portanto será utilizada nesse trabalho. Uma coluna de retificação, representada na Figura 3, é basicamente um vaso metálico, contendo pratos valvulados ou empacotamentos, os quais permitem o fluxo ascendente de vapor que será condensado até a fração desejada no topo, ou refluxado de volta à coluna (RICHARDSON e HARKER, 2005).

20 20 Figura 3 - Coluna de retificação ou fracionamento (Fonte: ) A coluna é aquecida na parte inferior e existe um gradiente de temperatura ao longo de toda a coluna. Na parte superior da coluna as temperaturas são mais baixas e, portanto é a região onde componente mais volátil da mistura inicial é obtido. Analogamente, o líquido é obtido na parte inferior da coluna, pois este é rico no componente menos volátil da mistura inicial e, portanto, a temperatura na parte inferior da coluna é maior (CASTELLAN, 2011). Supondo que a temperatura no topo da coluna seja 1 e o vapor recolhido nesse ponto esteja em equilíbrio com o líquido que existe no prato superior, o prato número 1, a composição do vapor é 1 e do líquido é 1. No prato seguinte, número 2, a temperatura é 2, ligeiramente superior à temperatura do prato 1, o vapor que abandona esse prato tem a composição 2. Quando este vapor sobe ao prato 1, ele é resfriado até a temperatura 1, isto quer dizer que uma parte do vapor 2 se condensa para formar 1, sendo 1 mais rico no componente menos volátil, o vapor que abandona o prato é mais rico no componente mais volátil e no equilíbrio sua composição é dada por 1. Isto se repete em todos os pratos da coluna. Estes efeitos podem ser observados na zona de retificação com maior intensidade. Portanto, o vapor sobe pela coluna e vai se resfriando e o líquido desce pela coluna e vai se aquecendo (CASTELLAN, 2011).

21 21 Um efeito sinérgico obtido é a liberação de calor durante a condensação do componente menos volátil nos pratos, promovendo a evaporação do componente mais volátil no prato (RICHARDSON e HARKER, 2005). Na prática o equilíbrio não ocorre em cada posição da coluna, o que ocorre na verdade é que em qualquer posição da coluna o vapor tem a composição em equilíbrio com o líquido de posição ligeiramente inferior. Se a distância entre essas duas posições é h, diz-se que a altura h da coluna corresponde a um prato teórico. O número de pratos teóricos de uma coluna depende da sua geometria, do tipo e do arranjo do material de enchimento e da diferença de volatilidade dos componentes da mistura. Quando os componentes da mistura possuem pontos de ebulição muito afastados, basta uma coluna com poucos pratos teóricos para separar os componentes da mistura. Por outro lado, se os pontos de ebulição dos componentes são muito próximos a coluna precisa ter um número grande de pratos (CASTELLAN, 2011). A eficiência de uma coluna de retificação se exprime em termos do número de pratos teóricos, isto é, do número de etapas efetivas de vaporização econdensação, denominadas de estágios, necessárias para chegar a um condensado com certa composição a partir de um dado destilado, isto é mostrado na Figura 4 (ATKINS e DE PAULA, 2010). Figura 4 - Número de pratos teóricos ou número de estágios de uma coluna de retificação (Fonte: Adaptado pelo autor da obra de ATKINS e DE PAULA, 2010) Tanto o refervedor, quanto o condensador são trocadores de calor. O refervedor possui a função de fornecer calor à mistura, na base da coluna, para promover a separação, nele é frequente o uso de vapor de água como fluido

22 22 calefator, este vapor de água deve estar com temperatura bem mais elevada que o ponto de bolha do produto de cauda, para que haja uma taxa razoável de transferência de calor. O condensador possui a função de retirar calor do vapor de topo, gerando um destilado rico na composição desejada, geralmente a água é utilizada como fluido refrigerante e a sua temperatura deve ser bem mais baixa que a do ponto de bolha do destilado, para que seja adequada a transferência de calor no resfriamento. De um modo geral, a escolha dos fluidos dos equipamentos está baseada no domínio de temperatura que se deseja operar (FOUST et al., 1982). Ambos os equipamentos contam com bombas. No condensador, elas são utilizadas para retirar a porção desejada de destilado, ou para reter líquido na forma de refluxo que será redirecionado para a coluna, utilizado tanto no destilado, quanto no produto de fundo. Quando utilizado no destilado, o intuito é enriquecer os pratos com o componente mais volátil e favorecer a separação (ATKINS e DE PAULA, 2010) O NÚMERO DE ESTÁGIOS DA COLUNA DE FRACIONAMENTO Como já foi visto anteriormente, o número de estágios da coluna de fracionamento corresponde ao número de etapas efetivas de vaporização e condensação necessárias para obter um produto de topo com composição favorável. Este parâmetro pode ser expresso em termos do número de pratos da coluna de retificação (ATKINS e DE PAULA, 2010). Deve-se dispor os pratos de modo que estes gerem duas novas correntes ao fazerem contato com as correntes de vapor e de líquido. A Figura 5 mostra os detalhes do enésimo estágio de uma coluna de retificação, contado a partir da base de uma coluna (BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004).

23 23 Figura 5 - Perfil de uma coluna de retificação (Fonte: BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004) 2.2 O NÚMERO MÍNIMO DE PRATOS NA COLUNA No momento do projeto, este cálculo é realizado levando-se em consideração diversas variáveis, como a composição da carga, do destilado e do produto de fundo, a razão de refluxo, além de outras variáveis que podem ser utilizadas de acordo com o método a ser utilizado (RICHARDSON e HARKER, 2005). Considerando o equilíbrio termodinâmico, o cálculo de balanço de massa em cada prato se faz necessário na determinação do número mínimo de pratos da coluna, a Figura 6 representa o esquema do balanço de massa em um prato n. Além disso, o cálculo de balanço energético também se faz necessário. A Equação 2 representa o balanço material e energético no prato n (RICHARDSON e HARKER, 2005). É considerado um fluxo constante de vapor ascendente e liquido descendente.

24 24 Figura 6 - Balanço material no prato n (Fonte: RICHARDSON e HARKER, 2005) = (2) Onde: H Ln H Vn é a entalpia molar de liquido no prato n é a entalpia molar de vapor no prato n Ln é a quantidade em mols de liquido no prato n Vn é a quantidade em mols de vapor no prato n p são as perdas C* é o calor de difusão Considerando-se as perdas insignificantes (desprezíveis) e um baixo calor de difusão algumas simplificações neste balanço podem ser feitas. O método mais simplificado para determinação de número mínimo de prato na coluna de retificação é o método de McCabe-Thiele (FOUST et al., 1982) O MÉTODO DE MCCABE-THIELE

25 25 O método de McCabe-Thiele utiliza equações da linha de operação da retificação (LOR) e da linha de operação da dessorção (LOD) para determinação do número mínimo de pratos da coluna. Essas equações são obtidas relacionando-se as composições de líquido e vapor de dois pratos consecutivos. As equações de cada linha de operação são mostradas nas Equações 3 e 4, para as (LOR) e (LOD) respectivamente (BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004). A razão de refluxo está representada na Equação 5 (BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004). y y R n 1 m 1 D xd R R 1 R D B. xb B L L o D m D D. xn 1 Lm. xm B L m (3) (4) (5) Onde: xd é a fração de líquido no topo xn é a fração de líquido no prato n RD é a razão de refluxo do destilado, ou seja, é a razão entre a vazão de matéria que é refluxada para a coluna e a vazão de produto retirado no topo B é a vazão de produto de fundo xb é a fração de líquido no produto de fundo Lm é a vazão de líquido no prato m xm é a fração de líquido no prato m Este método considera que os fluxos de líquido e de vapor são constantes em todos os pratos de uma mesma seção de coluna, e, portanto, pode ser considerado apenas problemas mais simples que não se enquadram na

26 26 problemática real de um sistema de destilação (BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004). Com as Equações 3,4 e 5 e conhecidas as variáveis necessárias, tornase possível calcular graficamente e numericamente o número mínimo de pratos da coluna de acordo com as condições da operação. A Figura 7 representa o diagrama de McCabe-Thiele, onde é possível observar a LOR, LOD, as composições dos produtos de topo, de fundo e da mistura na seção de alimentação e a curva de equilíbrio. Figura 7 - Diagrama de McCabe-Thiele (Fonte: ) 2.3 AS VARIÁVEIS DO PROCESSO Existe uma grande quantidade de variáveis que podem ser abordadas no processo de destilação fracionada. Considerando-se quesitos operacionais, de design e propriedades da mistura, pode-se considerar vinte e três variáveis possíveis que interferem diretamente na resposta do sistema, portanto torna-se

27 27 difícil e praticamente inviável o controle simultâneo de todas as variáveis, visto que existe a possibilidade de interação entre elas (VAN WINKLE, 1967). Tendo mencionado isto, o presente trabalho abordouquatro variáveis do processo de destilação, em coluna de retificação de uma mistura binária de etanol e água, amplamente discutidas e consideradas importantes e vitais ao processo de destilação. As quatro variáveis abordadas no presente trabalho são: Pressão interna no condensador, a razão de refluxo, a condição de alimentação, e a vazão da mistura inicial A PRESSÃO DE OPERAÇÃO A escolha da pressão de operação possui como objetivo reduzir gasto energético, segundo Foust et al., (1982). Segundo o mesmo autor, a fixação de limites de utilização da variável em questão é importante, pois permite economia de energia no refervedor e no condensador. Se a pressão escolhida é abaixo da temperatura ambiente, a necessidade de refrigeração para o fluido de resfriamento aumenta consideravelmente o consumo energético e consequentemente os custos operacionais. Segundo Kister (1992), a eficiência dos pratos da coluna é prejudicada com um aumento muito grande da pressão interna de operação. Isto ocorre, pois o vapor está mais denso do que o normal e, portanto, sua entrada nas válvulas dos pratos é dificultada. Para Kister (1992), a escolha da pressão de operação da coluna deve levar em consideração fatores favoráveis e desfavoráveis de uma pressão mais baixa ou mais elevada. Além disso, o aumento da pressão da coluna promove uma diminuição da volatilidade relativa dos componentes da misturasegundo Liu e Jobson (1999), logo a dificuldade de separação dos componentes se torna maior. Somado a isto, tem-se a necessidade de uma maior razão de refluxo da coluna, porém como a densidade do vapor diminui, o diâmetro da coluna de destilação também diminui. A utilização de pressão de operação elevada causa a redução da área necessária do condensador, a eliminação dos custos de manter um aparelho de vácuo e possibilita a separação de misturas que possuem pontos de ebulição muito próximos da temperatura ambiente (KISTER, 1992).

28 28 Entretanto, geralmente, a utilização de pressão de operação mais baixa é mais utilizada, pois possibilita: maior fluxo de produto de topo; aumento de volatilidade relativa dos componentes da mistura e, portanto, reduzindo-se a dificuldade de separação e consequentemente a energia gasta no refervedor. Em alguns casos, a utilização de baixa pressão é primordial, com o objetivo de evitar carbonização da substância, devido asensibilidade térmica (KISTER, 1992) A RAZÃO DE REFLUXO A razão de refluxo é uma variável muito importante de uma coluna de destilação, visto que determina se a operação é viável, ou seja, se a separação dos componentes ocorrerá de maneira adequada, ou se é impossível de ser realizada (KISTER, 1992). A razão de refluxo da coluna de destilação é relacionado com as variáveis ( L o ) e (D), como mostrado na Equação 6. R D Lo D (6) Onde: Lo é a quantidade de condensado refluxado na coluna D é a quantidade de condensado retirado como produto de topo Para Foust et al., (1982), a razão de refluxo é a variável que leva a combinação mais econômica dos custos dos equipamentos e dos custos de energia, como mostrado na Figura 8. Segundo o mesmo autor, os custos de equipamentos são proporcionais ao número de estágios N e os custos de energia estão relacionados à carga térmica do refervedor, representada pelo vapor d água fornecido.

29 29 Figura 8 - Determinação do projeto ótimo na destilação (Fonte: FOUST et al., 1982) 2.3.3A RAZÃO DE REFLUXO MÍNIMA Quando a inclinação da linha de operação da retificação é mínima, a interceptação das linhas de operação ocorre sobre a curva de equilíbrio. Esta condição determina a razão de refluxo mínima da coluna de retificação (BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004). Abaixo desta condição, o processo torna-se inviável mesmo com um número infinito de estágios. A razão de refluxo relaciona-se com o número de pratos da coluna de maneira inversa. Utilizando-se da razão de refluxo mínima, o número de pratos da coluna tende a infinito. Por outro lado, a utilização de uma razão de refluxo que tende a infinito, leva a um número de pratos mínimo (BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004). A Figura 9compara uma operação com razão de refluxo mínima, e uma operação com razão de refluxo infinita. A linha tracejada mostra o número mínimo de pratos, e a linha cheia evidencia o número infinito de pratos (BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004).

30 30 Figura 9 Razão de refluxo mínima e infinita5 (Fonte: BLACKADDER e NEDDERMAN, 2004) Vale salientar que quando se trata de pontos extremos de razão de refluxo, não se obtém uma operação viável, visto que com uma razão de refluxo mínima o interior da coluna torna-se pobre de líquido mais volátil e o equilíbrio entre as fases é prejudicado, como consequência o número de pratos tende a infinito com o intuito de aumentar a separação. Já com uma razão de refluxo máxima, não se retira condensado como produto de topo e todo o condensado obtido é refluxado para a coluna. Ambas as situações extremas causam perda financeira, pois na primeira o investimento em equipamento é muito grande devido ao elevado número de pratos a ser utilizado, e na segunda não se obtêm o produto principal de venda que é totalmente refluxado (KISTER, 1992). Segundo Kister (1992), o aumento da razão de refluxo exige mais energia do sistema, pois com um fluxo maior dentro da coluna, o refervedor e o condensador trabalham mais, consequentemente o custo operacional aumenta. Além disso, este acréscimo de fluxo causa um aumento no diâmetro da coluna. A Figura 10evidencia o perfil onde o domínio normal do projeto de uma coluna de retificação se mantém, ou seja, fora de valores extremos de razão de refluxo.

31 31 Figura 10 - Variação do número de estágio com a razão de refluxo (Fonte: FOUST et al., 1982) A CONDIÇÃO DE ALIMENTAÇÃO O prato de alimentação pode ser alimentado de cinco estados físicos diferentes: Líquido sub-resfriado: A temperatura é superior ao ponto de fusão e inferior à temperatura de bolha. Toda a vazão de alimentação é líquida e escoará para a seção de dessorção, sem gerar vapor para a seção de retificação. Uma maior necessidade energética se faz necessária no refervedor para garantir o fluxo correto de vapor na torre (HENRY e MUJTABA, 1999). Ponto de bolha: Possui as mesmas características do líquido saturado. A vazão de alimentação é líquida, na temperatura de bolha e escoará na seção de dessorção, sem contribuir para o escoamento de vapor na seção de retificação (FOUST et al., 1982). Entre o ponto de bolha e o de orvalho: A parte da alimentação que constitui a fase líquida irá escoar na seção de dessorção e a parteda alimentação que constitui a fase vapor irá escoar na seção de retificação, na forma de vapor (FOUST et al., 1982).

32 32 No ponto de orvalho: A vazão de alimentação é vapor, na temperatura de orvalho e escoará na seção de retificação, gerando um mol de vapor para cada mol alimentado (FOUST et al., 1982). Vapor superaquecido: A temperatura é superior à temperatura de orvalho. Toda a vazão de alimentação é vapor e escoará para a seção de retificação. Como a alimentação entra a uma temperatura alta, para atingir o equilíbrio térmico, trocará calor com o fluxo de líquido, causando a evaporação de parte desse fluxo, assim, na seção de retificação, o fluxo de vapor será maior que o fluxo de vapor da seção de dessorção. Induz a uma maior necessidade de refluxo no condensador. Entretanto, no refervedor a quantidade energética necessária é menor, pois o calor latente contido na mistura é maior (FOUST et al., 1982). Do ponto de vista energético, a condição física da corrente de alimentação ou carga gera diversas situações que impactam o projeto de uma coluna de destilação (TEODORO TRINDADE et al., 2005). O mesmo autor propõe um gráfico mostrado na Figura 11, obtido de um estudo de caso, onde relaciona a temperatura de alimentação da coluna a uma mesma pressão com a energia gasta pelo sistema. Figura 11 - Variação de energia com a temperatura de alimentação a pressão constante (Fonte: TEODORO TRINDADE et al., 2005)

33 33 Segundo o gráfico da Figura 11, o autor recomenda a utilização de alimentação a temperaturas mais baixas, pois a temperaturas mais altas o gasto energético do condensador é muito elevado. Para uma destilação mais eficiente a alimentação deve ser na temperatura de bolha ou um pouco acima, ou caso o gasto energético para aquecimento da corrente de carga não compense, deve-se alimentar na temperatura ambiente. Investigando-se a influência da variável em questão, Faccioli, M.M. (2013, p. 28) constata que: Em outro foco, o autor BANDYOPADHYAY (2001), faz uma análise mais profunda sobre a eficiência da coluna de destilação em termos energéticos, considerando como referência, o trabalho no refervedor e no condensador. Seus estudos concluem que os maiores problemas são a entropia que é gerada pela transferência de calor entre as fases em contracorrente, a mistura de vapor e líquido que não está em equilíbrio e a perda de pressão ao longo da coluna. Um exemplo que envolve as três situações é a troca de calor, da corrente que refluxa do condensador em direção ao refervedor, com o vapor ascendente, fazendo com que parte desde sofra condensação. Alimentando-se a coluna sob a forma de vapor saturado, a coluna possui desempenho energético semelhanteà de uma alimentação na forma de líquido saturado. A Figura 12 mostra o desempenho termodinâmico em relação à volatilidade relativa. Figura 12 - Gráfico da eficiência termodinâmica em função da volatilidade relativa (Fonte: BANDYOPADHYAY, 2001)

34 34 Na Figura 12, o gráfico à esquerda (a) representa líquido saturado, já o gráfico à direita (b) representa vapor saturado e z representa a fração do componente mais volátil na mistura. Nota-se que para uma mesma volatilidade relativa uma eficiência termodinâmica aproximada pode ser observada para ambas as situações (BANDYOPADHYAY, 2001). Sendo assim, conclui-se, portanto que uma alimentação de fase binária conduzirá ao melhor desempenho da coluna. A Figura 13 evidencia este fato. Figura 13 - Gráfico da eficiência termodinâmica em função da volatilidade relativa para diferentes composições de fases (Fonte: BANDYOPADHYAY, 2001) 2.3.5A VAZÃO DE ALIMENTAÇÃO Segundo Wang(2005), o coeficiente de transferência de massa para a fase líquida depende principalmente da vazão de liquido. Esse coeficiente é independente da vazão de gás na região abaixo do ponto de carga. Na região de carga, o aumento da vazão de gás pode aumentar a transferência de massa na fase liquida. Este fato é corroborado por Kashani (2005). Ao analisar a influência da variável vazão de alimentação, Lopeset al., (2007) conclui que o incremento da intensidade da vazão provoca uma redução do teor de destilado.

35 35 A vazão de alimentação é responsável, em parte, pelas vazões de liquido e vapor dentro da coluna. Essas vazões internas também são afetadas pela taxa de vaporização. Essa variável, juntamente com a taxa de vaporização definem as vazões internas e, por consequência, a razão de refluxo que irá afetar a graduação alcoólica do destilado (MAYER, 2010). Segundo o mesmo autor, o aumento da vazão de alimentação impacta no pré-aquecimento da linha de carga, pois à medida que essa vazão aumenta, a parcela referente à energia necessária pelo refervedor para essa tarefa, também aumenta. 2.4 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS Atualmente, a maioria dos trabalhos de otimização de processos fazem uso de técnicas de planejamento de experimentos. Essas técnicas consistem em métodos que possibilitam a redução do número de experimentos a serem realizados e a obtenção de melhores arranjos experimentais, ou seja, a melhor combinação das variáveis do processo a ser analisado (BARROS NETO et al., 2010). Diversas são as técnicas que podem ser usadas para planejar um experimento e aperfeiçoar processos. Segundo Phadke(1989), Taguchi, um empresário japonês, nomeou sua técnica como engenharia robusta, a qual baseia-se em calcular o que é significativo estatisticamente e o que é ruído no sistema O MÉTODO DE TAGUCHI Como já mencionado, o Método de Taguchi baseia-se na engenharia robusta, isto é, no desenvolvimento e otimização de processos de tal forma a eliminar-se a tentativa e erro, e, além disso reduzir a variabilidade de processos e produtos, garantindo assim uma maior uniformidade e padronização (PHADKE, 1989). O método utiliza uma matriz de experimentos em conjunto com ferramentas comuns de estatística como a Análise de Variância (ANOVA). Outro objetivo da utilização desse método é a redução de custos de processos, uma das consequências da otimização (PHADKE, 1989).

36 36 Uma das principais vantagens da utilização desse método está no fato da possibilidade da utilização simultânea de variáveis do processo, ou seja, fatoresmanipuláveis, que podem ser controlados de alguma forma, e de fatores externos, aqueles cujos não se pode controlar, como por exemplo, a temperatura atmosférica, ou até mesmo o volume de chuvas. Além disso, é possível utilizar mais de dois níveis na realização dos experimentos, o que é muito vantajoso, visto que nem sempre com dois níveis obtêm-se a melhor combinação das variáveis do processo (PHADKE, 1989). O presente trabalho utilizou os resultados das simulações para a obtenção da tabela de Análise de Variância a partir da avaliação dos parâmetros envolvidos. A partir da tabela de ANOVA, foi possível obter a estatística F que representa o quão significante determinado fator é sobre o processo a assim determinar as variáveis que mais o impactam. 2.5 O SOFTWARE DE SIMULAÇÃO ASPEN HYSYS O software utilizado para a realização das simulações neste trabalho foi o software AspenHysys. Com sua vasta biblioteca com dados termodinâmicos, dentre outras propriedades e com algoritmos para cálculos termodinâmicos, de transferência de massa e calor, além de envolver mecânica dos fluidos, o software é um poderoso aliado na simulação de diversas operações unitárias (ASPENTECH, 2015). A interface do software não exige conhecimentos de linguagem de programação e permite o input e output de dados. É possível a condução gráfica do projeto, com esquemas do processo, os quais incluem os fluxogramas, os equipamentos envolvidos, as linhas de fluxo material e energia, bem como os painéis de controle e monitoramento (ASPENTECH, 2015). Foi utilizado também o software IcarusProcessEvaluator, que acompanha o pacote Aspentech. A ferramenta exporta os dados oriundos dos resultados das simulações, executa um algoritmo para calcular os custos envolvendo equipamentos e energia (ASPENTECH, 2015).

37 37 3. METODOLOGIA 3.1 METODOLOGIA DE PESQUISA A metodologia de pesquisa utilizada no presente trabalho foi a metodologia de pesquisa experimental. Este tipo de pesquisa busca determinar um objeto de estudo, selecionando-se variáveis que o influenciam, definindo-se as formas de controle e de observação dos efeitos que as variáveis produzem no objeto de estudo principal (GIL, A. C., 1994). O objeto de estudo central foi o impacto de quatro variáveis diferentes que influenciam no processo de destilação de uma mistura binária de etanol e água em uma coluna de retificação. Para a obtenção dos resultados deste trabalho realizou-se, primeiramente, uma revisão da literatura que serviu como base para a realização de todo o trabalho, especialmente para a definição das variáveis do processo e dos níveis a serem analisados em cada variável. Dessa forma foram selecionadas as variáveis condição de alimentação, pressão, vazão de alimentação e razão de refluxo para serem estudados o impacto no processo. Com as variáveis selecionadas, montou-se a matriz experimental 9 regida pelo Método de Taguchi, a partir da qual foram realizadas as simulações no software AspenHysys, respeitando os níveis das variáveis de entrada em cada simulação. Utilizou-se o pacote termodinâmico NRTL-ideal devido a sua alta capacidade de convergência. Após a realização das simulações, os resultados obtidos nas simulações foram tratados no software IcarusEvaluator, também do pacote -, com o objetivo de se obter valores dos custos de projeto e operacionais do processo para que a análise do impacto das variáveis nos custos fosse feita. Com os valores de custos, foram realizadas Análises de Variância (ANOVA) do Método de Taguchi para os custos relativos ao projeto e relativos à operação, considerando-se a vazão de destilado produzido em cada simulação visando obter o melhor arranjo das variáveis do processo, ou seja, o arranjo com melhor custo benefício para o processo dentre os níveis avaliados.

38 PLANEJAMENTO E ESCOPO DO TRABALHO A presente monografia abordou quatro variáveis amplamente citadas na literatura e que possuem mais influência no processo de destilação. O Método de Taguchi foi utilizado com um arranjo ortogonal 9, onde foram analisados três níveis definidos de cada variável. A realização dos experimentos foi feita em ambiente de simulação computacional. O software utilizado foi o AspenHysys. O principal escopo do trabalho foi a redução de custos do processo de destilação, de um sistema binário de uma mistura de etanol e água, em ambiente de simulação de quatro variáveis amplamente citadas na literatura e que possuem impacto no processo de destilação por coluna de retificação. Os resultados obtidos foram tratados estatisticamente, sempre com o foco na otimização econômica da operação unitária sem prejudicar na obtenção do destilado, que é o produto de interesse. 3.3OBTENÇÃO DOS NÍVEIS DAS VARIÁVEIS PRESSÃO NO CONDENSADOR Como se trata de uma mistura a qual não ocorre degradação ou reação química, de acordo com a literatura, a utilização de uma pressão atmosférica ou sub-atmosférica é satisfatória.(foust et al., 1982). Segundo Shinskey (1977), Kister (1992) e Foust et al.,(1982), os pratos causam uma perda de carga no fluxo de vapor que deve ser levada em consideração para definir a diferença de pressão entre refervedor e condensador. O cálculo da perda de pressão causada pelos pratos se torna algo complexo se consideradas todas as suas especificações, como por exemplo, pode-se citar a altura de válvula, a abertura de orifício de válvula e o regime de difusão do vapor ascendente. Uma regra simples utilizada foi considerar um tipo de padrão de prato, o qual reduz a pressão em 0,1 psia por prato (TURTON et al., 2001). A simulação foi conduzida sob três níveis de pressão do condensador, sendo que o primeiro é sob pressão atmosférica, o segundo sob dois terços desse

39 39 valor e o terceiro sob metade deste valor. A pressão no refervedor foi ajustada considerando a perda de carga recomendada RAZÃO DE REFLUXO Segundo Kister (1992), esta variável do processo pode ter seu valor mínimo e ótimo obtidos a partir de uma análise econômica. Pode-se observar na Figura 14 a relação da razão de refluxo com seu valor mínimo e ótimo: Figura 14 - Gráfico da razão de refluxo vs. Custo anual (Fonte: Adaptado de KISTER, 1992) Os custos energéticos do sistema estão diretamente ligados aos custos de operação, como por exemplo aquecimento e arrefecimento. Já os custos fixos estão ligados aos equipamentos auxiliares, como refervedor, condensador e bombas. Também pode-se considerar como custos fixos os salários, os encargos sociais e as depreciações (HOFFMANN, 2008). Oswaldo Curty et al., (2006) em seu trabalho, para que encontrasse o número de pratos de uma coluna de destilação, necessitou da razão de refluxo

40 40 mínima, e para isto usou dos métodos de Underwood, e a correlação empírica de Erbar/Maddox, encontrando resultados que estavam de acordo com a literatura. Foust et al., (1982) recomenda em sua obra, além dos métodos citados, o método computacional empírico, onde no simulador define-se um número muito alto de pratos, como de cem a mil, e por tentativa e erro tenta-se encontrar o valor da razão de refluxo mínima, que possibilita obter a fração desejada da substância mais volátil no destilado. Após o cálculo da razão de refluxo mínima, pode-se calcular seu ponto ótimo, que varia deste valor mínimo até o refluxo total. Coulson e Richardsons (2005) afirma que para a maioria dos sistemas, a razão de refluxo ótima, varia entre 1,2 a 1,5 vezes a razão de refluxo mínima. O autor Andreiadis (2004) em seu trabalho calculou esta variável em seu ponto ótimo usando o método de Gilliland, o qual consiste em plotar um gráfico do número de pratos em relação à razão de refluxo, e posteriormente obter o valor desejado traçando duas retas tangentes ao ponto de inflexão da curva, onde o valor da razão de refluxo se torna constante. Este método baseia-se na correlação empírica de Gilliland, a qual considera o estado físico de alimentação, a volatilidade relativa e número de pratos. As Equações 7 e 8 representam as relações da razão de refluxo e do número de pratos com as composições de líquido e vapor respectivamente. = +1 (7) (R) corresponde ao valor da razão de refluxo. = +1 (8) (N) equivale ao número de pratos da coluna. E da correlação de X com Y obtêm-se a Equação 9 (Eugen S.S., 2004). =0, , , (9)

41 41 O presente trabalho buscou aproximar a variável razão de refluxo de seu ponto ótimo através do comportamento do processo simulado. Para isto, o valor da razão de refluxo será iniciado por um valor mínimo, obtido por tentativa e erro como recomenda o método empírico computacional proposto por Foust et al., (1982), e este valor foi multiplicado por 1,20, 1,35 e 1,50 como recomenda Coulson e Richardsons (2005). Desta forma pôde-se obter o número de pratos e consumo energético referentes a estes valores. O método de tentativa e erro se baseia no gráfico da Figura 15, proposto por Kister (1992), do comportamento da razão de refluxo em relação ao número de pratos na coluna: Figura 15 - Número de pratos vs. razão de refluxo (Fonte: Adaptado de KISTER (1992)) Para se obter a razão de refluxo mínima o número de pratos foi iniciado no maior valor permitido pela capacidade de convergência em cada simulação, sendo que o menor valor usado foi de cem pratos CONDIÇÃO DE ALIMENTAÇÃO

42 42 Considerando-se as obras analisadas na literatura, conclui-se que para se obter uma economia energética deve-se alimentar a coluna na temperatura de bolha ou entre a temperatura de bolha e de orvalho. A corrente de alimentação deve possuir uma pressão suficientemente grande para entrar na coluna. Caso a pressão esteja muito acima da pressão interna da coluna, ao adentrá-la ocorrerá o efeito flash, que consiste em uma rápida despressurização e aumento da fase de vapor, alterando as condições previstas no projeto (FOUST et al., 1982). Portanto diferentes valores de temperatura e pressão da corrente de alimentação devem ser empregados para produzir o ponto de bolha e composição de fase desejados dentro da coluna. Esta variável está representada por f, que representa a fração de vapor na corrente e os níveis usados foram f=0,f=0,25 e f=0, VAZÃO DE ALIMENTAÇÃO A carga térmica do refervedor aumenta de acordo com o aumento da vazão de alimentação, pois quanto mais liquido é introduzido na coluna, o fluxo liquido aumenta e por consequência o consumo de energia também aumenta (MAYER, 2010). Segundo o mesmo autor, elevadas vazões de alimentação requerem maiores diâmetros e altas taxas de troca de energia, contribuindo para a elevação dos custos de projeto e operacional, portanto é importante se determinar o valor ótimo de operação desta variável. 3.4ESCOLHA DO PACOTE TERMODINÂMICO A literatura evidencia como é diversificada a escolha das equações adequadas para um mesmo sistema, devidoàs particularidades que envolvem cada sistema. Para esta escolha considerou-se a capacidade de convergência dos resultados, sendo assim, eliminou-se o método Uniquac, Wilson e Van Laar, os quais comprometeram os resultados na etapa de obtenção do valor da razão de refluxo mínima, onde um alto número de pratos foi usado.

43 43 O auxiliar de escolha do método, presente no software, indicou, além destes pacotes, o modelo NRTL-ideal, o qual se mostrou amplamente utilizado em outros trabalhos da literatura. Este método apresentou uma boa convergência dos resultados mesmo com o sistema operando no ponto azeotrópico e com um alto número de pratos envolvido. Entretanto, o método ainda apresentou algumas lacunas quando o sistema foi iniciado em condições específicas, apresentando poucos erros de convergência. 3.5MATRIZ EXPERIMENTAL A seguir nas Tabela 1 e 2 será proposta a matriz experimental que guiou as simulações, baseada na bibliografia pesquisada. Tabela 1 - Níveis das variáveis (Fonte: do autor) Tabela 2 - Matriz experimental (Arranjo Interno L9) (Fonte: do autor) As variáveis resposta desta matriz foram divididas nos custos diretos referentes ao projeto, que envolve o número de pratos e o diâmetro da coluna, e

44 44 nos custos diretos operacionais, que envolve a energia gasta em todo o sistema. Desta forma, a comparação entre as simulações foi facilitada. 3.6DESCRIÇÃO DO PROCESSO Neste trabalho o processo de destilação foi simplificado para isolar apenas a coluna de retificação, além dos acessórios que garantem a uniformidade das correntes de saída, para que os cenários possam ter um efeito comparativo. As condições de operação e saída foram fixadas conforme a seguir: Composição da corrente de entrada e inicial: 10º GL de etanol Composição da corrente de saída: 97º GL de etanol Temperatura da corrente inicial: 30ºC Temperatura da corrente do produto final: 30ºC A Figura 16 mostra o esquema da coluna de retificação com as correntes de material e energia, além disso, os acessórios que neste caso são o aquecedor e o resfriador. Figura 16 - Fluxograma da Operação (Fonte: Software Aspen Hysis ) O processo consiste inicialmente de uma corrente inicial que é aquecida até a temperatura necessária para se atingir a composição de fase desejada na pressão em que a corrente de entrada penetra na coluna. O aquecedor utilizado nesse aquecimento possui sua energia mensurada e somada no total de energia consumida no sistema.

45 45 A coluna de retificação possui a corrente produto de fundo no refervedor, a qual possui basicamente água em sua composição e é descartada. No refervedor, a energia necessária utilizada para o seu funcionamento também foi contabilizada no saldo total do sistema. A coluna de retificação no seu topo gera o destilado que sai da coluna vaporizado e é direcionado para o condensador para se obter o destilado na fase liquida. Parte deste destilado liquido é refluxado para dentro da coluna e outra parte é obtida como produto final, que é então resfriado para manter o produto na fase liquida. Os processos de resfriamento e condensação do destilado também envolvem gasto energético que foi tambémcontabilizado.

46 46 4.RESULTADOS E DISCUSSÃO Nos capítulos anteriores foram evidenciadas as bases teóricas envolvendo a operação unitária de destilação em uma coluna de retificação. Além disso, os melhores níveis para cada variável estudada bem como o pacote termodinâmico a ser utilizado foram amplamente discutidos. A partir dos resultados, será apresentadauma abordagem estatística utilizando ferramentas de Planejamento de Experimentos com o intuito de avaliar qual fator dentre os analisados pode ser considerado de maior relevância para a redução de custos de projeto e operacional. Os melhores ajustes das variáveis para o projeto também serão evidenciados. 4.1 RESULTADO DAS SIMULAÇÕES As tabelas 3e 4 evidenciam as simulações sumarizadas. Tabela 3 - Níveis das variáveis do processo Simulação (A) Pressão no condensador (kpa) 50,66 50,66 50,66 67,55 67,55 67,55 101,32 101,32 101,32 (B) Razão de refluxo 1,2 1,5 1,8 1,2 1,5 1,8 1,2 1,5 1,8 (C) Condição de alimentação f=0 f=0,25 f=0,5 f=0,25 f=0,5 f=0 f=0,5 f=0 f=0,25 (D) Vazão de mistura inicial (kmol/h) (Fonte: do autor) Tabela 4 - Variáveis resposta em cada simulação Matriz Experimental Variáveis Resposta Simulação A B C D Número de pratos Diâmetro da coluna Energia (Kw) ,5 281, ,5 375, ,5 798, ,5 565, ,5 266, ,5 457, ,5 403, ,5 473, ,5 380,01 (Fonte: do autor)

47 47 Como observado na tabela acima, os valores para a variável resposta Diâmetro da Coluna obtidos foram todos iguais a 1,5 metros, isto ocorreu devido aos baixos fluxos internos na coluna. 4.2 ANÁLISE ESTATÍSTICA Neste tópico do trabalho foi realizada uma análise do impacto no sistema pelas quatro variáveis de entrada analisadas: pressão, razão de refluxo, condição de alimentação e vazão da mistura inicial, simbolizadas respectivamente por A, B, C e D. Inicialmente foi realizada uma análise envolvendo os custos de projeto, em seguida uma análise envolvendo os custos operacionais e por último uma análise envolvendo as somas de ambos os custos EQUACIONAMENTO DOS CUSTOS Para que a análise estatística envolvendo a otimização dos custos do processo faça mais sentido, foram obtidos valores comparativos entre os experimentos que simplificaram as variáveis resposta. Para isto, os valores relacionados aos equipamentos foram convertidos em custos de projetos, enquanto que os relacionados à energia gasta no sistema foram convertidos em custos operacionais. A ferramenta utilizada para gerar os custos foi o software Icarus Process Evaluator, que acompanha o pacote Aspentech. Sua interface consiste em extrair a simulação do ambiente Hysys para o Icarus Process Evaluator, o qual através de um banco de dados, executa um algoritmo para calcular os custos envolvendo equipamentos e energia. A Tabela 5 apresenta os valores gerados pelo software.

48 48 Tabela 5 - Custos operacionais e de projeto do sistema (Fonte: Database Icarus, 2006) Uma análise preliminar, segundo a Tabela 5, permitiria supor que o melhor projeto é o que apresenta os menores custos de projeto e operacionais. Entretanto, as variáveis estudadas também impactam no volume de produto produzido por período de tempo, ou seja, o fluxo de destilado na coluna, cujos valores são apresentados na Tabela 6. Tabela 6 - Fluxo de saída do destilado Fluxo de saída Simulação (kgmole/h) 1 0, , , , , , , , ,73690 (Fonte: do autor) Portanto, com o intuito de avaliar a composição relativa do custo de produto, dividiu-se os custos pelo volume de produto produzido. Para isto, foi considerado um volume total de produção equivalente a jornadas diárias de vinte e quatro horas de produção. Foi realizada uma projeção de custeamento anual, com os custos de projeto e operacionais somados, considerando um abatimento total do projeto no primeiro ano, os quais podem ser vistos na Tabela 7.

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