SIMULAÇÃO DINÂMICA DO PROCESSO DE DESTILAÇÃO DE BIOETANOL EM SIMULADOR BASEADO EM EQUAÇÕES (EMSO) José Izaquiel Santos da Silva

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1 SIMULAÇÃO DINÂMICA DO PROCESSO DE DESTILAÇÃO DE BIOETANOL EM SIMULADOR BASEADO EM EQUAÇÕES (EMSO) José Izaquel Santos da Slva São Carlos, SP Julho/2012

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA ÁREA DE PESQUISA: SIMULAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS QUÍMICOS SIMULAÇÃO DINÂMICA DO PROCESSO DE DESTILAÇÃO DE BIOETANOL EM SIMULADOR BASEADO EM EQUAÇÕES (EMSO) Dssertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenhara Químca, da Unversdade Federal de São Carlos, como parte dos requstos para a obtenção do título de Mestre em Engenhara Químca. Autor: José Izaquel Santos da Slva Orentador: Prof. Dr. Roberto de Campos Gordano Co-Orentador: Prof. Dr. Luz Fernando de Moura São Carlos, SP Julho/2012

3 Aos meus pas, José Vrgovno (em memóra) e Mara Amável. A Edlalsa, pela parcera, amzade e amor.

4 Este trabalho fo desenvolvdo no Laboratóro de Desenvolvmento e Automação de Boprocessos (LaDABo), e no kyatera, do Departamento de Engenhara Químca (DEQ) da Unversdade Federal de São Carlos (UFSCar). Contou com o apoo fnancero do programa PRH-ANP/MCT Nº 44.

5 AGRADECIMENTOS A Jeová Deus, por tudo. Aos professores doutores Roberto de Campos Gordano e Luz Fernando de Moura pelas orentações, dedcação, ensnamentos e amzade. Aos amgos Felpe Furlan e Gabrel Fonseca pela valorosa ajuda com o smulador de processos EMSO. Ao professor doutor Argmro Resende Secch pelos prestatvos esclarecmentos no uso do smulador de processos EMSO. Ao técnco Eudoro Lemos pelas númeras ajudas prestadas na solução de problemas com hardwares e softwares. Ao professor doutor Marco Gulett pela amzade e momentos de descontrações. Ao professor doutor Wu Hong Kwong pela amzade e descontração. Às secretáras do PPG-EQ/UFSCAR, Raquel, Renata, Cáta, pela dsponbldade e atenção nos dada. À Agênca Naconal do Petróleo ANP e à Fnancadora de Estudos e Projetos FINEP que por meo do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo, Gás e Bocombustíves PRH-ANP/MCT, fnanca o PRH 44 - Formação de Pessoal em Bocombustíves. À FAPESP pelo fnancamento do projeto temátco. Ao DEQ/UFSCar pela oportundade de estar aqu.

6 Não fques justo demas, nem te mostres excessvamente sábo. Eclesastes 7:16.

7 RESUMO A destlação de msturas hdroalcoólcas que surgem no processo de produção de etanol por rota fermentatva tem sdo bastante estudada. Contudo, três aspectos têm sdo frequentemente relevados: a varabldade nerente à fermentação, prncpalmente em ambente ndustral; a nfluênca sobre a almentação das colunas causada pela mstura de vnhos de prmera (1G) e segunda (2G) geração na mesma borrefnara; e a varação do nível da dorna volante ao longo da operação da destlara. Os dos prmeros aspectos resultam em varações da concentração de etanol e de outros sub-produtos da fermentação (como o álcool soamílco) na dorna volante. O tercero aspecto promove alterações nas vazões das bombas de almentação e consequentes osclações na temperatura de saída do trocador K (ou seja, na almentação da prmera coluna). Neste trabalho, utlzando o smulador EMSO (Envronment for Modelng, Smulaton and Optmzaton), estudou-se a natureza transente das perturbações na operação das colunas, utlzando uma coluna modelo para representar o trem de destlação A-A1-D, bem como o efeto da composção do vnho na dorna volante a ser bombeado para a destlação. Temperatura e nível de refervedor e condensador são controlados por malhas PID, e a representação da dnâmca da torre de pratos nclu correlações (já mplementadas no EMSO) para prever o acúmulo de líqudo sobre o vertedouro, a perda de carga no prato, dentre outros aspectos. O equlíbro líqudo-vapor (ELV) fo representado pela abordagem gamma-ph, usando a correlação UNIFAC-Dortmund para a fase líquda, e o modelo SRK para a fase vapor. Em um prmero momento fo estudado o processo dnâmco de destlação consderando o vnho composto por msturas etanol-água e etanolágua-álcool soamílco com o transcurso de tempo sufcente para que fosse atngdo o estado estaconáro. Compararam-se as respostas do smulador EMSO com resultados estaconáros obtdos no smulador de processos Aspen Plus (versão 7.3) da Aspen Tech, observando-se bastante semelhança entre os resultados das smulações nas duas plataformas. Posterormente, para melhor representar a complexdade da stuação real, nseru-se no EMSO modelo de bomba centrífuga e tubulação, nterlgando a dorna volante, o regenerador (trocador de calor K) responsável por pré-aquecer o vnho com a

8 vnhaça efluente do fundo da coluna A, e a própra coluna. As prncpas conclusões foram: a consderação da presença de álcool soamílco teve alguma nfluênca nos perfs transentes de composção e temperatura ao longo da coluna, mas a composção de topo fo pouco afetada. A varação de nível da dorna durante a operação, em cclos de esvazamento/enchmento, causou perturbações cíclcas nas varáves-resposta do sstema (vazões, temperaturas e frações molares dos efluentes do processo), cuja ampltude pode ser absorvda pelo sstema de controle. Perturbações degrau na dorna volante foram smuladas, com respostas consstentes nas smulações, como atestam os balanços globas de massa do processo. A mstura na dorna de vnho de menor teor alcoólco, eventualmente provndo do setor de etanol 2G, é absorvda após um cclo de recarga da dorna. No longo prazo, as respostas do modelo ndcam que, mantdas a razão de refluxo e as condções de topo de fundo da coluna, o sstema tende gradualmente a pontos de operação estável. Palavras-chave: Boetanol. Destlação multcomponente. Processo dnâmco. Smulador global. EMSO. Dorna volante.

9 ABSTRACT Dstllaton of hydroalcoholc mxtures that result from the fermentatve route of producton of ethanol has been wdely studed. Nonetheless, three ponts have not deserved specal attenton yet: the ndustral fermentaton ntrnsc varablty; the changes on the feed stream of the columns caused by the mxng of 1st (1G) and 2nd (2G) generaton wnes n the same borefnery; and the alteraton of the level n the buffer vat throughout the operaton of the ndustral plant. The two frst aspects result n changes of the concentraton of ethanol and other fermentaton by-products, such as soamyl alcohol n the buffer tank. The thrd aspect alters the flow mpelled by the feed pumps and, consequently, changes the outlet temperature of the K heat exchanger (.e. of the frst column feed stream). In ths work, the EMSO smulator (Envronment for Modelng, Smulaton and Optmzaton) was used to study transent perturbatons of the columns operaton, and the effect of wne composton n the buffer vat that wll be pumped for dstllaton, wth ad of a column model representng the dstllaton tran A-A1-D. Reboler and condenser temperatures and levels are controlled by PID loops, and the dynamc model of the tray column ncludes correlatons (already mplemented n EMSO) for lqud holdup, pressure drop n the tray, among other aspects. The gamma-ph approach, usng UNIFAC- Dortmund equaton for the lqud phase non-dealty and SRK model for the vapour, was used to represent vapor-lqud equlbrum (VLE). Frstly, the dynamcs of dstllaton of ethanol-water and ethanol-water-soamyl alcohol mxtures was smulated, up to steady state. The EMSO steady-state results were very smlar to Aspen-Pus (7.3) smulatons. Followng, n order to closer represent the complexty of the real stuaton, a model of the centrfugal pump plus tabulaton was nserted n EMSO, ntegrated to the K heat exchanger (that regenerates the energy of vnasse, pre-heatng the column feed) and to the column tself. The man conclusons were: the presence of soamyl alcohol nfluenced somehow the temperature and molar fractons transent profles n the column, but the composton of the top stream was not sensbly affected. Changes of the lqud level n the buffer vat durng the operaton, followng loadunload cycles, caused perodc perturbatons n the system output varables (flows, temperatures and mol fractons of the process outflow), whose ampltude

10 could be absorbed by the control system. Step perturbatons n the buffer vat were smulated, wth consstent responses, as assessed by the system global mass balance. Mxng wnes wth lower alcoholc contents, as the ones comng from the 2G process, causes effects that are dumped after one load-reload cycle of the vat. In long term, model responses ndcate that, kept the reflux rato and the top and bottom condtons n the column, the system gradually acheves stable operaton ponts. Keywords: Boethanol. Multcomponent dstllaton. Dynamc process. Global smulator. EMSO. Buffer vat.

11 LISTA DE FIGURAS Fgura 1 - Etapas do processamento do boetanol de prmera e segunda geração Fgura 2 - Quadro geral dos bocombustíves Fgura 3 - Dferentes rotas para a produção de boetanol Fgura 4 - Esquema do processo Melle-Bonot de fermentação Fgura 5 - Esquema smplfcado da confguração do processo de destlação empregado na ndústra para a produção de AEHC Fgura 6 - Representação esquemátca de um estágo genérco Fgura 7 - Interface gráfca do smulador EMSO Fgura 8 - Sstema de bombeamento do vnho Fgura 9 - Movmentação do ponto de operação do sstema de almentação, de acordo com o nível de vnho na dorna Fgura 10 - Modelo esquemátco de uma bomba Fgura 11 - Modelo esquemátco de um spltter Fgura 12 - Modelo esquemátco de um refervedor Fgura 13 - Modelo esquemátco de um condensador dnâmco Fgura 14 - Representação esquemátca de um estágo genérco Fgura 15 - Fluxograma do processo de destlação de etanol Fgura 16 - Esquema do processo proposto no Sstema Fgura 17 - Curvas do sstema e da bomba Fgura 18 - ELV da mstura etanol(1)-água(2) a 1 atm: comparação das prevsões no EMSO (UNIFAC-Dortmund/SRK) com dados expermentas (GMEHLING et al., 1988) Fgura 19 - ELV da mstura etanol(1)-álcool soamílco(2) a 1 atm: comparação das prevsões no EMSO (UNIFAC-Dortmund/SRK) com dados expermentas (GMEHLING et al., 1988) Fgura 20 - ELV da mstura água(1)-álcool soamílco(2) a 1 atm: comparação das prevsões no EMSO (UNIFAC-Dortmund/SRK) com dados expermentas (GMEHLING e ONKEN, 1982) Fgura 21 - Frações molares do etanol (1) e água (2) no estado líqudo ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 60 horas de operação)

12 Fgura 22 - Frações molares do etanol (1), água (2) e álcool soamílco (3) no estado líqudo ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 300 horas de operação) Fgura 23 - Frações molares do etanol (1) e água (2) água na fase vapor ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 60 horas de operação) Fgura 24 - Frações molares do etanol (1), água (2) e álcool soamílco (3) na fase vapor ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 300 horas de operação) Fgura 25 - Perfs de temperaturas ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 60 horas de operação) durante o processo de destlação da mstura etanol(1)-água(2) Fgura 26 - Perfs de temperaturas ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 300 horas de operação) durante o processo de destlação da mstura etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) Fgura 27 - Perfs de frações molares do etanol (1) em função do tempo no estágo 25 da coluna, obtdos com a smulação do processo de destlação das msturas etanol(1)-água(2) e etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO Fgura 28 - Perfs de temperaturas em função do tempo no estágo 25 da coluna, obtdos com a smulação do processo de destlação das msturas etanol(1)-água(2) e etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO Fgura 29 - Perfs de frações molares do etanol na fase vapor em função do tempo nos estágos 1, 5, 10, 15, 25 e 38, obtdos com a smulação do processo de destlação da mstura etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO Fgura 30 - Perfs de temperaturas em função do tempo para os estágos 1, 5, 10, 15, 25 e 38 da coluna, obtdos com a smulação do processo de destlação da mstura etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO Fgura 31 - Perfs de pressões em função do tempo nos estágos 1, 5, 10, 15, 25 e 38, obtdos com a smulação do processo de destlação das msturas etanol(1)-água(2) e etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO Fgura 32 - (a) Esvazamento da dorna volante no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna; (b) Vazão da bomba.

13 Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 33 - (a) Temperatura de entrada na coluna (Ts1); (b) Temperatura da vnhaça, Te2 (fludo quente de entrada no trocador de calor) no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 34 - (a) Vazão de almentação da coluna no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna; (b) Vnhaça; (c) Destlado; (d) Retrada lateral de vapor. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 35 - Calor no refervedor, consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna Fgura 36 - (a) Fração molar de etanol no destlado no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna; (b) Fração molar de etanol na vnhaça. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 37 - Fração molar de etanol na fase vapor no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna, nos estágos (est): (a) 1, (b) 5; (c) 15 e (d) 38. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 38 - Fração molar de etanol no vapor da retrada lateral no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 39 - Fração molar de etanol na fase líquda nos estágos (est) no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna: (a) 1, (b) 5; (c) 15 e (d) 38. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 40 - Fração molar de etanol na vnhaça (x1) no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna, com o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 41 - Fração molar de etanol na fase vapor com o tempo nos estágos (est): (a) 1, (b) 2; (c) 15 e (d) 38. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar)

14 Fgura 42 - Fração molar de etanol na fase líquda com o tempo nos estágos (est): (a) 1, (b) 2; (c) 15 e (d) 38. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 43 - Perfs de fração molar de etanol na retrada lateral de vapor. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 44 - Perfs de fração molar de etanol: (a) no destlado; (b) na vnhaça. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 45 - Balanço de massa (BM) na coluna ao longo do processo: (a) BM por componente (etanol); (b) BM global. Consderando uma almentação com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) Fgura 46 - BM por componente (etanol) para o vnho a 5% em fração molar de etanol (verfcação da tendênca do perfl) Fgura 47 - (a) Esvazamento e enchmento da dorna; (b) Vazão da bomba; (c) Temperatura de entrada na coluna (Ts1); (d) Temperatura da vnhaça (Te2). Consderando o enchmento da dorna com vnho de mesma concentração ncal (2 a 5% em fração molar de etanol) Fgura 48 - Calor no refervedor (Q R ), consderando o enchmento da dorna com vnho de mesma concentração ncal (2 a 5% em fração molar de etanol) Fgura 49 - (a) Vazão de almentação da coluna; (b) Vnhaça; (c) Destlado; (d) Retrada lateral de vapor. Consderando o enchmento da dorna com vnho de mesma concentração ncal (2 a 5% em fração molar de etanol) Fgura 50 - (a) Esvazamento e enchmento da dorna; (b) Vazão da bomba Fgura 51 - (a) Fração molar de etanol no vnho sando da dorna volante; (b) Detalhes do momento em que há a mstura do vnho exstente na dorna (fração molar de etanol gual a 0,05) com o vnho de segunda geração (fração molar de etanol gual a 0,03) almentando a dorna volante Fgura 52 - (a) Temperatura da almentação da coluna (Ts1); (b) Temperatura da vnhaça (Ts2) Fgura 53 - Fração molar de etanol no vapor da retrada lateral Fgura 54 - Perfs de fração molar de etanol: (a) no destlado; (b) na vnhaça. 94 Fgura 55 - (a) Vazões de almentação da coluna e da vnhaça; (b) Vazão do destlado

15 Fgura 56 - Vazão da retrada lateral de vapor Fgura 57 - Consumo de calor no refervedor Fgura 58 - Balanço de massa (BM) no sstema ao longo do processo: (a) BM por componente (etanol); (b) BM global Fgura 59 - Versão do EMSO utlzada nesta dssertação Fgura 60 - Interface do EMSO: um exemplo de modelos usados; teste de consstênca; montagem de um FlowSheet Fgura 61 - Interface do EMSO: escolha de modelos para resolver os sstemas de equações

16 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Número de estágos nas colunas de destlação convenconal de etanol Tabela 2 - Confguração do Sstema Tabela 3 - Frações molares dos prncpas componentes presentes na carga consderada neste trabalho e em uma carga típca ndustral, desconsderando a presença de eletróltos Tabela 4 - Confguração de cada ponto marcado no Sstema Tabela 5 - Confguração de cada trecho do Sstema Tabela 6 - Confguração da coluna do Sstema Tabela 7 - Coefcente global de troca térmca em trocadores de calor Tabela 8 - Percentual de acúmulo de massa na coluna

17 LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS A cross A h A p EMSO f F n F out h n h out h w H S Level M L M V M P out P n Q R Re T T out T n Trocador K v L v V V ref V tray Z Z1 Área da seção transversal Área total dos furos do prato Área útl do prato Sgla para Envronment for Modelng Smulaton and Optmzaton Fator de atrto Vazão molar da corrente que entra no equpamento Vazão molar da corrente que sa do equpamento Entalpa da corrente que entra no equpamento Entalpa da corrente que sa do equpamento É a altura do vertedouro É a altua manométrca total do sstema É o nível de líqudo no prato Acúmulo molar de líqudo Acúmulo molar de vapor Acúmulo molar do componente Pressão da corrente que sa do equpamento Pressão da corrente que entra no equpamento Carga térmca no refervedor Número de Reynolds Temperatura Temperatura da corrente que sa do equpamento Temperatura da corrente que entra no equpamento Trocador de calor do tpo Kettle Volume molar da fase líquda Volume molar da fase vapor Volume do refervedor É o volume do prato Fração vaporzada da corrente Fator de compressbldade do componente na fase vapor Nível de vnho na dorna volante

18 Z2 z n z out V fˆ L fˆ f x y V ˆ L ˆ 1G 2G Altura da almentação na coluna de destlação Fração molar do componente na corrente que entra no equpamento Fração molar do componente na corrente que sa do equpamento Vscosdade absoluta Fugacdade da espéce na fase vapor Fugacdade da espéce na fase líquda Fugacdade da espéce pura Fração molar do componente na fase líquda Fração molar do componente na fase vapor Coefcente de fugacdade do componente na fase vapor Coefcente de fugacdade do componente na fase líquda Coefcente de atvdade do componente na fase líquda Símbolo para enfatzar o etanol de prmera geração Símbolo para enfatzar o etanol de segunda geração

19 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO REVISÃO DA LITERATURA Agrondústra da cana-de-açúcar no Brasl Produção de boetanol Destlação de boetanol Desdratação do boetanol Determnação de propredades termodnâmcas Equlíbro de fases Modelagem de colunas de destlação em regme estaconáro Modelagem de colunas de destlação em regme transente Smuladores de processos Smulador de processos EMSO Bombas centrífugas Controle de processos METODOLOGIA Modelagem matemátca dos equpamentos Hdráulca de Pratos Modelos termodnâmcos usados Sstemas estudados na smulação do processo de destlação de etanol Sstema Sstema RESULTADOS E DISCUSSÃO Valdação dos modelos termodnâmcos adotados Processo de destlação (Sstema 1) Processo de destlação (Sstema 2) Facldades e dfculdades com o smulador EMSO CONCLUSÕES PROPOSTAS DE CONTINUIDADE REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

20 1 INTRODUÇÃO O uso do petróleo, gás natural e seus dervados como fonte condensada de energa está assocado a város problemas, como as mudanças clmátcas e segurança no seu abastecmento. Esses são desafos que assolam a humandade nos das de hoje (BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL, 2008). Assm, há, ultmamente, uma corrda ntensa por fontes de energa alternatvas, que substtuam o petróleo na matrz energétca mundal. O uso da bomassa é uma alternatva tecnológca para substtur os combustíves fosses (BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL, 2008). De acordo com Goldemberg (2009), o etanol é um excelente substtuto para a gasolna. No Brasl, de acordo com o Banco Naconal de Desenvolvmento Econômco e Socal (2008), o etanol produzdo a partr da cana-de-açúcar, além de ter custo compettvo, já pode substtur grande parte da gasolna que é consumda. Mutos estudos vem sendo realzados a respeto das característcas bológcas da cana-de-açúcar como planta, as técncas de produção do álcool e os seus coprodutos, como boeletrcdade, avançando o estado da arte do que é chamado de tecnologa de prmera geração, ou seja, do etanol produzdo a partr do caldo de cana. Há, anda, ntensa dscussão sobre as tecnologas de segunda geração para a produção de etanol, que se dá através de rotas boquímcas para processamento de bomassa lgnocelulósca (nclusve o bagaço de cana-de-açúcar), bem como de tecnologas de gasefcação de bomassa. Na Fgura 1 são demonstradas as prncpas etapas necessáras para a obtenção do boetanol de prmera e segunda geração (este por rota boquímca). Percebe-se que não é um processo smples, pos envolve mutas operações untáras de forma smultânea, cuja otmzação requer que sejam empregados concetos da engenhara de (bo)processos e da boquímca, sempre à luz de questões econômcas de produção. 19

21 Fgura 1 - Etapas do processamento do boetanol de prmera e segunda geração. Fonte - Adaptado de GOLDEMBERG, A operação de separação de componentes de uma mstura por destlação é um dos mas antgos e mportantes processos utlzados na ndústra químca e petroquímca. Entretanto, é uma das operações que mas demanda energa dentre estes processos (LOCKETT, 1986). A smulação de processos de separação, em especal de colunas de destlação, é uma área muto mportante na smulação de processos dnâmcos. Os prmeros trabalhos com metodologas propostas para solução de sstemas de separação modelados prato a prato surgram na década de Porém, só a partr da década de 1950, com o advento do computador dgtal, foram desenvolvdos novos algortmos e smuladores para aplcação ndustral, nclusve. Posterormente, ncou-se a modelagem da dnâmca de processos de destlação, prevendo-se nclusve o comportamento hdrodnâmco nos estágos (STAUDT, 2007). Assm, com computadores mas efcentes e algortmos numércos mas robustos, é possível resolver de forma mas rápda os modelos desenvolvdos para esta fnaldade. Os smuladores de processos químcos podem ser classfcados quanto ao modo como resolvem as equações dos modelos envolvdos. Estas podem ser resolvdas segundo uma sequênca específca (em geral concdente com a 20

22 sequênca físca dos equpamentos), conhecda como abordagem modular sequencal. Outra abordagem agrupa todas as equações envolvdas no processo e as resolve de forma smultânea. Os sstemas que empregam tal arqutetura são denomnados globas, ou baseados em equações (STAUDT, 2007; FURLAN et al., 2010). EMSO é a sgla para Envronment for Modelng, Smulaton and Optmzaton. Essa plataforma suporta smulações em modo dnâmco e estaconáro smplesmente seleconando e conectando blocos de modelos. O smulador EMSO pode ser utlzado de forma genérca e nos mas varados ramos da Engenhara. Apresenta váras característcas mportantes que auxlam no desenvolvmento de modelos e na realzação de smulações como: análse de consstênca de undades de medda, verfcação de sngulardade do sstema e consstênca das condções ncas. Alado a sso, o usuáro pode anda desenvolver seus própros modelos utlzando lnguagem de modelagem própra (VRTECH, 2005). Este trabalho faz parte do Programa de Recursos Humanos da Agênca Naconal de Petróleo (PRH-ANP), um programa de âmbto naconal que tem por objetvo formar pessoal especalzado de nível superor para atender à demanda da ndústra do petróleo, gás natural e bocombustíves, seja na área operaconal, seja para a realzação de pesqusas. Portanto, esta dssertação está nserda no PRH-44, que dá ênfase à Formação de Pessoal em Bocombustíves, com sede na Unversdade Federal de São Carlos (UFSCar). Este trabalho também está nserdo no projeto temátco do programa BIOEN, Boprocess Systems Engneerng (BSE) Appled to the Producton of Boethanol from Sugarcane Bagasse, fnancado pela FAPESP (proc. 2008/ ). Exstem mutos desafos no que tange aos processos de destlação de etanol. Desde o modo como é feta a operação das colunas, até os problemas envolvendo a demanda de carga no processo, juntamente com a necessdade de um ambente capaz de smular o processo e obter respostas consstentes. Assm, o objetvo desta dssertação fo smular processo dnâmco de destlação de boetanol de prmera e/ou segunda geração, nclundo um sstema de bombeamento e tubulações nterlgando o "tanque pulmão" (dorna volante) do trecho de destlação, bem como regenerador de calor da vnhaça. A nfluênca 21

23 de um tercero componente (álcool soamílco) sobre os perfs etanol-água na coluna fo também analsada. Objetva-se, ao fnal, estudar a natureza transente do processo. Para sso, utlzou-se o smulador de processos EMSO, que devdo suas facldades de manuseo, surge como uma ferramenta capaz de responder às necessdades do processo. 22

24 2 REVISÃO DA LITERATURA 2.1 Agrondústra da cana-de-açúcar no Brasl O setor sucroalcoolero tem bastante relevânca na economa braslera. Além do açúcar, as usnas podem ter foco na produção de etanol, boeletrcdade, alcoolquímcos e na comercalzação de crédtos de carbono. Tecnologas que aumentam a produtvdade e reduzem custos têm, portanto, grande nteresse para a ndústra dessa área (NEVES et al., 2010). De acordo com Carvalho (2007), a cultura da cana alcança quase todos os estados brasleros e ocupa cerca de 9% da superfíce agrícola do país. As usnas de açúcar e álcool geram, aproxmadamente, 270 kg de bagaço (50% de umdade) por tonelada de cana-de-açúcar. Deste total, estma-se que apenas 50% sejam sufcentes para suprr a energa necessára para a planta (BAUDEL et al., 2005). O excedente pode ser venddo para outras ndústras com o mesmo ntuto de geração de energa ou pode ser transformado em ração para anmas, empregado na geração de energa elétrca ou transformado em etanol de segunda geração (2G). 2.2 Produção de boetanol A produção de bocombustíves com base em matéras-prmas vegetas pode ser efetuada por dstntas rotas tecnológcas, cada uma delas com dferentes vantagens e lmtações. O boetanol se destaca por ser alternatva com maturdade ndustral, já efetvamente nserdo nas matrzes energétcas de dversos países (BNDES/CGEE, 2008). Algumas matéras-prmas e suas vantagens para a produção de boetanol são mostradas na Fgura 2. Medante rotas bológcas, o boetanol pode ser produzdo com base em qualquer bomassa que contenha quantdades sgnfcatvas de amdo ou açúcares. 23

25 Fgura 2 - Quadro geral dos bocombustíves. Fonte - BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL, Consderando a produção com base em açúcares, como é o caso da cana e da beterraba, o processo é mas smples e envolve uma etapa a menos do que a produção a partr de matéra-prma amlácea (como o molho), já que os açúcares estão dsponíves na bomassa, sem necessdade de hdrolsar o amdo. A Fgura 3 sntetza as rotas tecnológcas para produção de boetanol, consderando as dferentes matéras-prmas de nteresse. Segundo o Banco Naconal de Desenvolvmento Econômco e Socal (2008), a produção de boetanol utlzando celulose anda não tem mpacto real no contexto energétco atual, contando anda com obstáculos tecnológcos e econômcos por superar. 24

26 Fgura 3 - Dferentes rotas para a produção de boetanol. Fonte - BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL, No Brasl, a produção do boetanol a partr da cana-de-açúcar ocorre em larga escala, fazendo com que o desenvolvmento de novas fontes de energa esteja lgado a esse ramo agrondustral. 2.3 Destlação de boetanol O sstema etanol-água, em termos de equlíbro líqudo-vapor, consttu uma mstura líquda não deal. Seus componentes formam um azeótropo com fração molar de aproxmadamente 89% de etanol (ou 95,6% em massa) a 1atm (PRAUSNITZ et al., 1986). A destlação é uma operação untára de separação que se basea nas dferenças de volatldade dos componentes de uma mstura líquda. A destlação do etanol em nível ndustral é consttuída por uma sére de colunas de destlação, as quas tem seu número varado conforme o tpo e qualdade do álcool que se deseja. 25

27 Como o processo de destlação é contínuo e o mas dfunddo processo ndustral de fermentação alcoólca (pela levedura Saccharomyces cerevsae), o processo Melle-Bonot, é descontínuo, faz-se necessáro um acoplamento entre eles. Essa lgação ocorre na chamada dorna volante, onde o vnho delevedurado é armazenado (Fgura 4). Fgura 4 - Esquema do processo Melle-Bonot de fermentação. Fonte - Adaptado de FRITZEN et al., O vnho que vem da fermentação possu em sua composção 7 a 10 GL (% em volume) de etanol, e água com teores de 89% a 93% em volume, além de outros componentes, como glcerol, alcoós homólogos superores, furfural, aldeído acétco, ácdos succínco e acétco, dentre outros, em quantdades bem menores. Há anda sóldos representados por bagaclhos, leveduras e bactéras, outros solutos como açúcares não-fermentescíves, sas mneras, matéras albumnodes e outros, e gases dssolvdos, prncpalmente CO 2 e SO 2 (COPERSUCAR, 2010). O vnho resultante da centrfugação do mosto fermentado é envado para a dorna volante, a qual almenta a destlara, onde é produzdo o álcool etílco hdratado carburante (AEHC), que possu entre 92,6 e 93,8 ºINPM, ou seja, 92,6 e 93,8% de etanol em massa. Nas undades de desdratação é obtdo o álcool etílco andro (AEAC), com teor alcoólco de, no mínmo, 99,3 ºINPM (BRASIL 1, 2005, apud BATISTA, 2008). Nas usnas brasleras, costuma-se usar cnco colunas no processo de produção de álcool hdratado, como mostrado na Fgura 5. 1 BRASIL. Resolução ANP n. 36, de 06/12/2005. Dáro Ofcal da Unão, Brasíla, 07/12/

28 Fgura 5 - Esquema smplfcado da confguração do processo de destlação empregado na ndústra para a produção de AEHC. Fonte - Adaptado de DIAS, A coluna A é conhecda como coluna de esgotamento do vnho, A1 de depuração do vnho e D, de concentração de álcool de segunda, onde se concentram os componentes mas volátes, os quas poderam contamnar o álcool hdratado. O conjunto dessas três colunas é chamado no chão de fábrca de coluna de destlação. O segundo conjunto de colunas, formado pelas colunas B1 e B, é chamado de coluna de retfcação. É nesse conjunto que é obtdo o etanol andro. O óleo fúsel, que é composto por alcoós de cadea longa, pode ser retrado na coluna B (PÉREZ et al., 2001). O prncpal componente do óleo fúsel é o álcool soamílco. Segundo Batsta (2008), esta retrada é ndspensável para o bom funconamento desta coluna e obtenção de álcool hdratado de boa qualdade. Estes alcoós encontram-se dluídos no topo das colunas A e B1, concentrando-se na fase vapor e sendo conduzdos à coluna B. Nesta coluna, o teor de etanol aumenta rapdamente à medda que se sobe do fundo para o topo, de forma que a volatldade desses alcoós 27

29 superores dmnu e eles tendem a se concentrar na fase líquda. Assm, a concentração dos alcoós que compõem o óleo fúsel atnge os maores valores na regão próxma à base da coluna B, de onde devem ser retrados. A não retrada nessa regão provoca o seu acúmulo no nteror da coluna, prejudcando a operação do equpamento e a obtenção de um álcool hdratado com teor alcoólco desejado. Deve-se atentar para o fato de que a confguração apresentada na Fgura 5 vem sendo utlzada há mutos anos em usnas brasleras e não fo orgnalmente projetada para este processo, mas adaptada para a produção de álcool combustível (JUNQUEIRA, 2010). Devdo a sso, confgurações mas adequadas e otmzadas deste processo são empregadas em algumas destlaras. Na Tabela 1 pode ser vsualzado o número de estágos em cada coluna do conjunto destlação empregado no processo convenconal na ndústra. Tabela 1 - Número de estágos nas colunas de destlação convenconal de etanol. Coluna Número de estágos de equlíbro A A1 8 D 6 B 45 B1 18 Fonte - BATISTA, Alguns trabalhos encontrados na lteratura ctam algumas mudanças e/ou adaptações realzadas no processo de destlação convenconal de etanol hdratado, alguns propondo unr as colunas A, A1 e D, formando uma únca coluna AA1D (com dâmetros guas), além da coluna BB1 (BATISTA, 2008). 28

30 2.4 Desdratação do boetanol Quando se quer produzr álcool andro, um processo além da destlação é desejado. Com sso faz-se necessára a concentração do álcool hdratado (a pelo menos 99,3% de etanol em massa). Então, processos adconas são requerdos para complementar a destlação convenconal: destlação azeotrópca, destlação extratva e adsorção em peneras moleculares. A destlação azeotrópca (azeotrópca heterogênea) consste na adção de um tercero componente (conhecdo como componente de arraste) com a fnaldade de formar um novo azeótropo com um ou mas dos componentes presentes ncalmente na mstura. O novo azeótropo é retrado no topo (conhecdo como azeótropo de mínmo) ou no fundo (azeótropo de máxmo) da coluna, enquanto um dos componentes da mstura orgnal é obtdo puro na outra extremdade da coluna (BRITO, 1997). Faz-se necessára a utlzação de outra coluna para recuperar o componente de arraste. Já na destlação extratva (azeotrópca homogênea), um solvente (tercero componente) é adconado à mstura azeotrópca orgnal, de modo que a volatldade relatva dos componentes é alterada, através da mudança dos coefcentes de atvdade dos componentes (ITO, 2002). A desdratação do etanol por meo da adsorção em peneras moleculares é feta com a utlzação de um leto de zeóltas para adsorver a água presente no etanol hdratado, produzndo etanol andro. O dâmetro nomnal dos poros das zeóltas empregadas no processo de desdratação de etanol é de 3 Å, onde se adsorvem as moléculas de água (dâmetro de van de Walls da ordem de 2,8 Å), separando-se do etanol, que tem dâmetro da ordem de 4,4 Å (HUANG et al., 2008). Outra forma de promover a desdratação do etanol é através da destlação extratva salna, onde o agente de separação é um sal, mstura de sas ou soluções salnas (DIAS, 2008). A desdratação do etanol também pode ser feta através da pervaporação e permeação de vapor (HUANG et al., 2008). A separação de componentes através da pervaporação se dá por meo da vaporzação parcal da mstura líquda através de uma membrana. 29

31 2.5 Determnação de propredades termodnâmcas A modelagem clássca dos processos de destlação se basea na termodnâmca do equlíbro líqudo-vapor nos estágos, consderando eventuas desvos por meo de uma efcênca de prato. Com sso, é ndspensável que haja uma caracterzação termodnâmca do comportamento da mstura. De acordo com Gordano (1985), o levantamento de dados expermentas de equlíbro líqudo-vapor de msturas compreende a medção das propredades termodnâmcas que caracterzam o sstema em estudo, como temperaturas, pressões e composções de uma ou mas fases. Contudo, estas varáves estão nter-relaconadas por equações termodnâmcas, o que torna, em tese, desnecessára a medção de todas elas. Quando há a consderação dos desvos da dealdade no cálculo do equlíbro líqudo-vapor, torna-se necessáro conhecer parâmetros característcos da mstura em questão Equlíbro de fases Nos processos da ndústra químca, comumente ocorrerem stuações onde é ndspensável aplcar concetos relatvos ao equlíbro termodnâmco de fases. Uma fase de um sstema é, por defnção, uma porção homogênea da matéra. É de se saber que o termo homogêneo sgnfca que todas as propredades são, ao menos em prmera aproxmação, unformes ao longo da fase. Um sstema é consttuído por uma únca fase se tver a mesma composção químca e propredades ntensvas guas em toda parte. Por outro lado, quando estão presentes duas ou mas fases, as π fases e m componentes obedecem aos crtéros de equlíbro: T P μ μ (1) (2) ( ) T... T (1a) (1) (2) ( ) P... P (1b) (1) (2) ( ) 1 μ1... μ1 (1c) (1) (2) ( ) 2 μ 2... μ 2 (1d) 30

32 ... μ (1) m μ... μ (1e) (2) m ( ) m Quando as fases não estão em equlíbro, ocorre transferênca de massa entre elas até que as gualdades da equação (1) se restabeleçam. Logo, um sstema em equlíbro é aquele que se mantém em condções nas quas não há tendêncas para ocorrer uma modfcação de estado. Devdo ao fato de que pressão e temperatura são varáves mas faclmente mensuráves, a propredade termodnâmca da Energa Lvre de Gbbs é a mas utlzada nos cálculos de equlíbro de fases. O processo de recondução do sstema ao estado de equlíbro ocorre com a dmnução da Energa Lvre de Gbbs, à temperatura e pressão constantes. Essa propredade possu o valor mínmo na condção de equlíbro, sendo então válda a segunte expressão: ( ), 0 dg (2) T P Assm, a condção de equlíbro de mínma Energa Lvre de Gbbs é condção para garantr o estado de equlíbro e establdade do sstema (MODELL; REID, 1974). Múltplas fases nas mesmas T e P estão em equlíbro quando a fugacdade de cada espéce consttunte é a mesma em todas as fases. Este crtéro de equlíbro é normalmente utlzado por Engenheros Químcos na resolução de problemas envolvendo equlíbro de fases, em substtução à gualdade de potencas químcos, pos a fugacdade tende a zero quando a pressão va a zero, enquanto que o potencal químco va a menos nfnto. Assm, a gualdade de fugacdades é um crtéro de Equlíbro Líqudo- Vapor (ELV), equação (3), Prausntz et al. (1986) e Smth et al. (2007). fˆ v fˆ fˆ l fˆ ( T, P, x ou y ) (=1,2,...,N) (3) 31

33 Onde, v fˆ é a fugacdade do componente na fase vapor (saturado); l fˆ é a fugacdade do componente na fase líquda (saturado); A fugacdade do componente na fase vapor é dada pela equação (4). Onde o coefcente de fugacdade do componente na fase vapor, das varáves temperatura, pressão e composção. v ˆ, é função f ˆ v v y ˆ P (4) Onde, y = fração molar do componente na fase vapor; v ˆ = coefcente de fugacdade do componente na mstura contda na fase vapor, que é obtdo a partr de relações P-V-T ; P = pressão do sstema. Para o cálculo da fugacdade da fase líquda, exstem duas alternatvas: uma baseada no conceto de atvdade, mostrado na equação (5a), e outra baseada no fator de compressbldade, apresentada na equação (5b) (SANDLER, 1989). f ˆ x f (5a) l f ˆ l l x ˆ P (5b) Onde, x = fração molar do componente na fase líquda; f = fugacdade da espéce pura; = (P,T,x ) = coefcente de atvdade de na fase líquda. Pela equação (5a), a fugacdade do componente na mstura contda na fase líquda é obtda a partr do seu respectvo coefcente de atvdade na fase 32

34 líquda,, e da respectva fugacdade líquda de referênca, f. O coefcente de atvdade depende da temperatura e composção da fase líquda, e pode ser relaconado à Energa Lvre de Gbbs em Excesso através da equação (6). E ( G / RT) n T, P, n j ln (6) Pode-se calcular o ELV utlzando a condção de gualdade entre as equações (4) e (5a); desta forma, tem-se: y ˆ P x f (7) v Com sso, tem-se a chamada abordagem - (gamma-ph), equação (7). Essa abordagem é mas empregada em processos que ocorrem em pressões baxas e/ou moderadas. Os sobrescrtos v e l da equação (7) não precsam ser utlzados nesta expressão porque é suposto que ˆ se refere à fase vapor, e que propredades dos componentes na fase líquda. e f são Consderando como referênca o estado do componente na condção de líqudo puro na temperatura do sstema, o cálculo da fugacdade líquda de referênca é efetuado pela equação (8). f l sat sat sat V ( P P ) P exp (8) RT Onde a exponencal é conhecda como fator de correção de Poyntng, que expressa os desvos da fase líquda devdo ao efeto da pressão. Assm, substtundo (8) em (7), tem-se: l sat v sat sat V ( P P ) y P x P ˆ exp (9) RT 33

35 Fazendo uma smplfcação, de forma que se tenha uma razão de coefcentes de fugacdade, surge a próxma expressão: sat y P x P (10) Onde, v ˆ sat V exp l ( P P RT sat ) (11) Como o fator de Poyntng, em pressões baxas e moderadas, típcas da destlação, dfere muto pouco da undade, a sua omssão ntroduz um erro desprezível, logo a equação (11) é smplfcação para: ˆ (12) v sat Onde, = a razão de coefcentes de fugacdade; sat =coefcente de fugacdade do componente no estado de saturação; v ˆ = coefcente de fugacdade da espéce em solução. Para facltar os cálculos, algumas smplfcações são fetas usualmente. Sob baxas pressões, sem a presença de ácdos carboxílcos (PERRY e GREEN 1999), supõe-se o modelo de gás deal para a fase vapor, mplcando 1, e consdera-se o fator de correção de Poyntng gual à undade devdo ao comportamento de fludo ncompressível da fase líquda, tem-se: y P sat x P (13) Com sso, pode-se explctar y de acordo com a equação (14). 34

36 y sat x P (14) P vapor, O coefcente de fugacdade do componente na mstura contda na fase v ˆ, pode ser calculado pela equação (15), dada a segur, que é uma equação do tpo P = f(t,v,n 1,n 2,...,n c ): v 1 ˆ P RT ln dv ln Z RT V n (15) T V n V,, j Onde, Z= fator de compressbldade do componente na fase vapor. Outra abordagem que merece destaque no cálculo ELV é a abordagem - (ph-ph), onde se tem as seguntes fugacdades: fˆ V V y ˆ P (16) fˆ L x ˆ L P (17) Da gualdade entre as equações (16) e (17), tem-se: v l y ˆ P x ˆ P y ˆ v x ˆ l (18) O coefcente de fugacdade pode ser calculado com o uso de uma equação PVT que represente convenentemente os fludos reas em questão. O cálculo de v ˆ é, portanto, medato (desde que se tenha uma equação PVT para a mstura válda desde P=0 até P do sstema). Já quando se deseja o cálculo de l ˆ, entretanto, o problema se complca, pos é necessára uma equação PVT que represente bem a mstura desde P=0 até a fase líquda, ou seja, a equação deve ser ntegrada desde um estado de gás deal, passando 35

37 pelo vapor saturado, transção de fases até líqudo saturado à T do sstema. Poucas equações satsfazem essa condção. Algumas correlações como as de Benedct-Webb-Rubn (para hdrocarbonetos), Soave e Peng-Robnson são as que fornecem melhores resultados. Mesmo com estes nconvenentes, esta abordagem ph-ph é utlzada com razoável frequênca. Ao longo do tempo, mutas relações PVT têm sdo propostas na lteratura. A maora delas, no entanto, são ou totalmente ou parcalmente empírcas, mpossbltando seu uso generalzado. Já para a fase líquda, a expressão para o coefcente de atvdade em função da temperatura T e fração molar x, é geralmente obtda a partr de um modelo para a Energa Lvre de Gbbs em Excesso, conforme a equação (6). Nesses modelos, a energa de nteração entre as moléculas é consderada na forma de parâmetros de nteração bnáros, que são obtdos a partr do ajuste de dados expermentas (PRAUSNITZ et al., 1986). Estes modelos se dstnguem em dos tpos: 1 : Modelos que contêm parâmetros obtdos no ajuste de dados expermentas de equlíbro do sstema em estudo. Exemplos destes modelos são as equações de Margules, van Laar, Wlson, UNIQUAC e NRTL; 2 : Modelos que contêm parâmetros obtdos a partr dos grupos presentes nas moléculas que consttuem cada componente do sstema em estudo. Exemplos destes modelos são os denomnados métodos de contrbução de grupos, UNIFAC e ASOG. 2.6 Modelagem de colunas de destlação em regme estaconáro O modelo matemátco clássco para uma coluna de destlação nclu equações báscas: balanço de massa (M), relações de equlíbro (E), o somatóro das frações molares (S) e o balanço de energa (H). Essas equações são normalmente desgnadas de equações MESH (BRITO, 1997). A Fgura 6 mostra a representação esquemátca de um prato, onde o número de estágos fo numerado da base para o topo da coluna. Segundo a estrutura desenvolvda por Naphtal e Sandholm (1971), são mostradas as funções dscrepâncas, D1, D2 e D3 (que se aproxmam de zero quando o 36

38 método numérco converge), obtdas a partr dos balanços e das relações de equlíbro: Fgura 6 - Representação esquemátca de um estágo genérco. Onde, F é a almentação, L é a vazão de líqudo, V é a vazão de vapor, R é a vazão de retrada lateral, H é a entalpa do vapor, h é a entalpa do líqudo, x é a fração molar do componente no líqudo, y é a fração molar do componente no vapor. Balanço de massa para o componente no estago j: L F V F V L D1, jl, j.x1,j 1 Vj 1.y j1 L.x,j V.y j, j Fj.x, j Fj.y, j Rj.y, j Rj.x, j 0 (19) Balanço global de energa no prato j: L F V F V L D2 j L j.hj1 Vj 1.Hj 1 L j.hj V j.hj Fj.hj Fj.Hj R j.hj R j.hj 0 (20) Relações de equlíbro: D3 y K.x 0 (21), j, j, j, j Brto (1997) e Pescarn (1996), em seus trabalhos, fzeram uso dos concetos de efcênca de prato de Murphree. A defnção de Murphree relacona o comportamento de um estágo real com o de um estágo deal, admtndo-se que o líqudo esteja completamente msturado no prato. A 37

39 efcênca pode ser defnda para ambas as fases, sendo que para a fase gasosa pode ser escrta como: η V, j y y, j *, j y y, j1 (22), j1 e para a fase líquda como sendo: Onde, η L, j x é a efcênca; x, j-1, j * (23) x, j-1 x, j x é a fração molar no seo da fase líquda; x* é a fração molar de líqudo que está em equlíbro com y; y é a fração molar no seo da fase vapor; y* é a fração molar de vapor que está em equlíbro com x. 2.7 Modelagem de colunas de destlação em regme transente Brto (1997) fez um levantamento sobre dnâmca de colunas de destlação. De acordo com seus relatos, o nteresse pela dnâmca de colunas de destlação vem desde a década de Gan et al. (1986) publcaram trabalhos nessa área. Em seus artgos, descrevem modelos, tratam do aspecto numérco e também estudam partdas e paradas de colunas de destlação. Choe e Luyben (1987) fzeram uma comuncação onde comparavam o efeto de consderar ou não o holdup da fase vapor desprezível. Eles chegaram à conclusão de que o holdup da fase vapor somente tem nfluênca quando a densdade do vapor se torna sgnfcatva quando comparada com a do líqudo. Isto acontece, normalmente, para pressões entre 5 e 10 atm. Um dos objetvos do estudo da dnâmca de um processo é defnr seu sstema de controle. Skogestad e Morar (1988) avalaram a dnâmca de colunas de destlação, abordando exclusvamente o aspecto do controle. 38

40 Em smuladores dnâmcos de colunas, um conjunto de equações dferencas e algébrcas deve resolvdo. Perregaard et al. (1992) avalaram duas formas de resolver esse sstema de equações algébrco-dferencas (DAE - Dfferental-Algebrac-Equatons): a prmera resolve os dos tpos de equações smultaneamente. Na segunda estratéga, o sstema DAE é tranformado em um sstema de equações dferencas ordnáras (ODE - Ordnary-Dfferental- Equatons), com uma convergênca à parte das equações algébrcas. Staudt (2007) estudou a partda de colunas, bem como estratégas de controle para o processo. Outras referêncas recentes que tratam do tema são Lu et al. (2011), Gl et al. (2012), Luyben (2012). 2.8 Smuladores de processos Smuladores comercas populares, como os aplcatvos Aspen Plus e Aspen Hysys, baseam-se na arqutetura modular, onde a convergênca de recclos da planta é feta de modo teratvo. Já nos smuladores globas, a convergênca de recclos não é questão relevante, uma vez que todas as equações são resolvdas smultaneamente. Enquanto smuladores modulares podem ncorporar rotnas de convergênca específcas para cada módulo, os smuladores baseados em equações, por resolvê-las todas smultaneamente, devem necessaramente empregar algortmos mas genércos. Para processos de destlação, exstem técncas clásscas para auxlar na convergênca do problema, que podem ser mas faclmente ncorporadas em smuladores modulares do que em globas. 2.9 Smulador de processos EMSO No smulador EMSO (Envronment for Modelng, Smulaton and Optmzaton), todos os modelos são mplementados em uma lnguagem de modelagem smples, e podem ser nspeconados e edtados lvremente pelo usuáro. 39

41 O EMSO é um smulador de processos de enfoque global, que utlza a abordagem baseada em equações. Seus modelos matemátcos, tanto os nternos ao ambente como os desenvolvdos ad hoc, são acessíves ao usuáro (SOARES, 2003). Essas característcas são mportantes para aplcações em pesqusa e desenvolvmento, onde constantemente são estudados equpamentos não convenconas. O EMSO possu outras característcas que o tornam flexível em aplcações, como a possbldade de se adconarem plug-ns na forma de bblotecas dnâmcas (dll s), para realzar cálculos que não são possíves ou são pouco prátcos dentro da lnguagem de modelagem do EMSO (RODRIGUES et al., 2006). Outra possbldade é adconar novos solvers e/ou rotnas de otmzação ao smulador. Esta plataforma pode ser usada em smulações estaconáras e dnâmcas, na estmação de parâmetros, reconclação de dados, otmzação estaconára e dnâmca, dentre outros. Sua nterface gráfca faclta a comuncação com o usuáro, tornando-se ágl e de fácl manuseo (veja a Fgura 7). O EMSO, faz parte do projeto ALSOC (Ambente Lvre para Smulação, Otmzação e Controle), o qual se propõe a desenvolver contnuamente um ambente ntegrado de síntese, modelagem, smulação, controle e otmzação de processos, com característcas de modulardade, reutlzação e nterfaceamento padrão. O EMSO se encontra dsponível de forma lvre e gratuta no portal ALSOC: 40

42 Fgura 7 - Interface gráfca do smulador EMSO. Fonte - SECCHI; BISCAIA JR, Bombas centrífugas As bombas centrífugas são conhecdas por fornecerem energa cnétca aos líqudos no rotor e por transformarem essa energa em elevação de pressão na carcaça. Dessa forma pode-se aplcar o balanço de Energa Mecânca ao modelo genérco mostrado na Fgura 8, onde o líqudo escoa do ponto 1 (nível da dorna volante) até o ponto 4 (entrada da coluna AA1D). Fgura 8 - Sstema de bombeamento do vnho. 41

43 A energa mecânca (E), expressa em undades de carga (energa por peso), em qualquer ponto pode é dada pela relação 24: 2 P v E z g 2g (24) No contexto da fgura anteror (Fgura 8), resulta que a altura manométrca total do sstema em função da vazão, H S, seja: H S E 3 E 2 (25) Essa relação pode ser levada para os pontos extremos pela equação de Bernoull, onde lw 12 e lw 34 são, respectvamente, as perdas de carga na sucção (trecho 1-2, Fgura 8) e no recalque da bomba (trecho 3-4, Fgura 8). H S E 4 lw34 E1 lw12 (26) 2 2 ( P4 P1 ) v4 v1 H S ( z4 z1) g 2g 2g (27) Da equação 27 resulta que o sstema fca dependente de Z 1, o nível de fludo na dorna volante. Neste contexto, a energa cnétca no ponto 1 pode ser desconsderada, vsto que a velocdade al é bem pequena em relação ao ponto 4. A Fgura 9 mostra o efeto na vazão na movmentação do ponto de operação do sstema de almentação. 42

44 Fgura 9 - Movmentação do ponto de operação do sstema de almentação, de acordo com o nível de vnho na dorna Controle de processos As plantas químcas, em sua essênca, operam de forma que atendam a determnadas especfcações, sejam estas mpostas pelo projeto e pelas condções técncas, econômcas e/ou socas. Em qualquer confguração de controle, o controlador é o atuador que recebe as nformações das meddas e mplementam as ações de controle apropradas para ajustar os valores das varáves manpuladas (STEPHANOPOULOS, 1984; KWONG, 2010). Bascamente, usam-se três tpos báscos de controladores: Proporconal (P), Proporconal-IntegraI (PI) e Proporconal-Integral-Dervatvo (PID). No controlador Proporconal (P), a saída é proporconal ao erro. No Controlador Proporconal-Integral (PI), o snal de atuação relaconado ao erro é dado pelo termo Proporconal (controlador P) mas um termo de ntegração desse erro. Já nos controladores Proporconal-Integral-Dervatvo (PID), consderam-se os termos usados no controlador PI mas um termo dferencal do erro. Exstem outras técncas de controle, como por exemplo, o MBC (Model Based Control), entretanto estas não fazem parte do escopo desta dssertação. 43

45 3 METODOLOGIA Boa parte do trabalho de smulação nesta dssertação fo desenvolvda no ambente EMSO, no qual todos os modelos pré-exstentes são rgorosos, prato-a-prato, se baseam na consderação de equlíbro termodnâmco entre as fases líquda e vapor (nclundo efcêncas de Murphree), e permtem cálculos referentes à hdráulca de pratos. As smulações foram realzadas para duas stuações: a) estudo da presença do óleo fúsel na carga da coluna, smulada como apenas a coluna AA1D e b) estudo do efeto da queda do nível da dorna volante e da varação da concentração do vnho pela adção alternada de soluções dluídas e concentradas à dorna. Esta análse buscou dentfcar as perturbações provocadas pela varação na vazão, na concentração e na temperatura de entrada, o que por s só justfca o uso de um smulador robusto para a análse de regmes transentes. A segur, nos tópcos 3.1 e 3.1.1, segue a descrção matemátca de alguns modelos dos equpamentos usados nesta dssertação. Vale ressaltar que os modelos dos pratos, refervedor, condensador, spltter, bomba do refluxo da coluna, controladores PID e as correntes do processo estão dsponíves na bbloteca de modelos do smulador EMSO (EML - EMSO Model Lbrary), os quas podem ser acessados e manpulados faclmente pelo usuáro. 3.1 Modelagem matemátca dos equpamentos Bomba Um modelo de bomba (Fgura 10) fo usado para ntroduzr a corrente de destlado na coluna de destlação. O modelo nclu um acréscmo de pressão da sua corrente de saída com relação à corrente de entrada. 44

46 Fgura 10 - Modelo esquemátco de uma bomba. Fonte - Adaptado de STAUDT, As equações que regem este modelo podem ser vsualzadas como seguem, onde temos o balanço de massa (equações 28 e 29), entalpa (equação 30), pressão (equação 31) e massa específca (equação 32). F = F (28) z = z = 1,2,. c (29) h = h + M (30) P = P + P (31) = ( ) + (32) Onde, M w é a massa molar méda da mstura, υ é a fração vaporzada da corrente, é a massa específca e os superscrtos L e V são utlzados para especfcar o caso líqudo e vapor, respectvamente. h out e h n são as entalpas de saída e entrada, respectvamente. z n e z out são as frações molares de entrada e saída do componente. A temperatura e a fração vaporzada da corrente que sa da bomba são calculadas pelo pacote termodnâmco (pacote VRTherm, que é uma bbloteca de rotnas para cálculos termodnâmcos), fazendo uso de funções externas ao smulador, no caso funções de plugns. 45

47 Spltter (dvsor de correntes) Na Fgura 11 pode ser vsualzado um esquema smplfcado de um spltter, que é um dvsor de correntes, que é utlzado em modelos de colunas de destlação para separar a corrente de topo em destlado e refluxo. Ou seja, no spltter, a corrente de entrada se separa em duas correntes de saída. É necessáro especfcar um valor da fração (frac) do quanto de Fn rá para uma das correntes de saída. Fgura 11 - Modelo esquemátco de um spltter. Fonte - Adaptado de STAUDT, A segur, seguem as equações relaconadas a este equpamento. F = F. frac (33) F + F = F (34) T = T (35) T = T (36) P = P (37) P = P (38) 46

48 z = z = 1,2,. c (39) z = z = 1,2,. c (40) h = h ou h = h(t, P, z ) (41) h = h ou h = h(t, P, z ) (42) v = v ou v = v(t, P, z ) (43) v = v ou v = v(t, P, z ) (44) Refervedor O modelo do refervedor usado nesta dssertação fo o de um refervedor dnâmco, representando um refervedor do tpo Kettle (Fgura 12). O refervedor recebe uma corrente de almentação (vnda do fundo da coluna) e possu duas correntes de saída, uma líquda e outra vapor, além de receber calor. Este refervedor é consderado como mas um estágo de equlíbro da coluna, em condções de mstura perfeta em ambas as fases. O modelo do refervedor é composto pelas equações 45 a 62. Fgura 12 - Modelo esquemátco de um refervedor. Fonte - Adaptado de STAUDT,

49 Balanço molar por componente: = F. x F. x F. y = 1,2,, c (45) Balanço de energa: = F. h F. h F. h + Q (46) Acúmulos: M = M. x + M. y = 1,2,, c (47) E = M. h + M. h P. V (48) Restrções das frações molares: x = 1 (49) x = y (50) Equlíbro químco, mecânco e térmco:. x =. y = 1,2,, c (51) P = P (52) T = T (53) Restrções geométrcas: V = M. V + M. V (54) Nível de líqudo: Level =. (55) 48

50 Apesar dsso, é necessáro fazer os cálculos das propredades termodnâmcas, que são calculadas através de rotnas externas, usando o VRTherm: h = h (T, P, x ) (56) h = h (T, P, y ) (57) v = v (T, P, x ) (58) v = v (T, P, y ) (59) = (T, P, x ) = 1,2,, c (60) = (T, P, y ) = 1,2,, c (61) ρ = ρ (T, P, y ) (62) Condensador Um modelo de condensador dnâmco (Fgura 13) fo usado e suas equações báscas estão expostas a segur: Fgura 13 - Modelo esquemátco de um condensador dnâmco. Fonte - Adaptado de STAUDT,

51 Balanço molar por componente: = F. y F.x F. y = 1,2,, c (63) Balanço de energa: = F. h F. h F. h + Q (64) Acúmulos: M = M. x + M. y = 1,2,, c (65) E = M. h + M. h P. V (66) Restrções das frações molares: x = 1 (67) x = y (68) Equlíbro químco, mecânco e térmco:. x =. y = 1,2,, c (69) P = P (70) T = T (71) Restrções geométrcas: V = M. v + M. v (72) Nível de líqudo: Level =. (73) Assm como no refervedor, os cálculos das propredades termodnâmcas são fetos através de rotnas externas, usando o VRTherm: 50

52 h = h (T, P, x ) (74) h = h (T, P, y ) (75) v = v (T, P, x ) (76) v = v (T, P, y ) (77) = (T, P, x ) = 1,2,, c (78) = (T, P, y ) = 1,2,, c (79) Estágo de Equlíbro (Prato) O modelo de estágo usado nesta dssertação fo utlzado com base no trabalho de Gan et al. (1986), descrto por Staudt (2007). Na Fgura 14 se encontra o esquema de um prato. Fgura 14 - Representação esquemátca de um estágo genérco. Fonte - Adaptado de STAUDT,

53 Balanço molar por componente: = F. z + F. x + F. y F = 1,2,...,c. x F. y R. x R. y (80) Balanço de energa: = F. h + F. h + F. h F. h Acúmulos: F. h R. h R. h + Q (81) M = M. x + M. y = 1,2,, c (82) E = M. h + M. h P. V (83) Restrções das frações molares: x = 1 (84) x = y (85) Equlíbro químco, mecânco e térmco:. x =. y = 1,2,, c (86) P = P (87) T = T (88) Efcênca de Murphree: E = (89) Restrções geométrcas: V = M. v + M. v (90) 52

54 Nível de líqudo: Level =. (91) Os cálculos das propredades termodnâmcas foram fetos através de rotnas externas, usando o VRTherm: h = h (T, P, x ) (92) h = h (T, P, y ) (93) v = v (T, P, x ) (94) v = v (T, P, y ) (95) = (T, P, x ) = 1,2,, c (96) = (T, P, y ) = 1,2,, c (97) No modelo de prato utlzado, tem-se que A p é a área útl do prato (área total do prato - área do downcomer), V tray é o volume total do prato, Level é o nível de líqudo e y eq é a composção do vapor que está em equlíbro com o líqudo. Mesmo assm, anda se fazem necessáras duas equações (equações 98 e 99) para o cálculo das vazões de líqudo e vapor do prato que são funções das propredades físcas dos fludos, da geometra do prato, da queda de pressão e do acúmulo de líqudo em cada estágo. F = F (M, geometra, propredades físcas) (98) F = F ( P, geometra, propredades físcas) (99) 53

55 3.1.1 Hdráulca de Pratos Alguns modelos de cálculos referentes à hdráulca de pratos estão bem mplementados no EMSO, os quas podem ser encontrados em Staudt (2007). Nesta dssertação, utlzaram-se modelos de pratos perfurados, fazendo uso das correlações de Reepmeyer et al. (2003) para o cálculo da queda de pressão em função da vazão de vapor (F v ) sando do prato (equação 100). F =.. (100) Tem-se que, A é a área total dos furos do prato; v é o volume de vapor no prato; α é o coefcente de queda de pressão no prato seco, utlzado como parâmetro de ajuste. Com relação à vazão de líqudo, nesta dssertação, fo usada a equação (101), apresentada por Wang et al. (2003). A altura de líqudo, Level, no prato fo calculada através da equação 102, baseada em Locket (1986). F = α. l.. / (101) Level = A. h + B. F + C. + D (102) Onde α e β são parâmetros de ajuste do modelo; Level é o nível de líqudo no prato (m); l é o comprmento do vertedouro (m); h é a altura do vertedouro (m); F é fator superfcal dos parâmetros geométrcos, h e l, e da vazão volumétrca de líqudo, Q. Os parâmetros A, B, C e D da equação 102 varam conforme o tpo de prato e mstura a ser destlada. Alguns valores podem ser encontrados em Lockett (1986). Os parâmetros dos modelos utlzados se encontram dsponíves na bbloteca do EMSO. 54

56 3.2 Modelos termodnâmcos usados Como os equpamentos de destlação operam em pressões baxas ou moderadas (próxmas à atmosférca), optou-se pela formulação "gama-f" do equlíbro líqudo vapor (ELV), conforme descrto no tópco 2 desta dssertação. Para a execução das smulações do processo de destlação no EMSO, utlzou-se o pacote termodnâmco VRTherm (VRTECH, 2005). Consderando os modelos dsponíves no VRTherm, para prever o ELV da mstura, fo utlzado o modelo termodnâmco UNIFAC-Dortmund/SRK (o qual usa o UNIFAC modfcado para os cálculos da fase líquda, e a equação cúbcas de estado de Redlch-Kwong para os cálculos da fase vapor). Esses modelos foram descrtos no tópco 2 desta dssertação. Para testar os modelos termodnâmcos utlzados, foram usados dados expermentas do ELV de msturas bnáras para os componentes presentes na carga da coluna, que foram comparados com resultados do cálculo do ELV obtdos no EMSO, consderando as msturas bnáras etanol-água, etanol-álcool soamílco e água-álcool soamílco. Os dados expermentas foram obtdos na coletânea DECHEMA (GMEHLING e at., 1988; GMEHLING e at., 1982). de etanol 3.3 Sstemas estudados na smulação do processo de destlação Sstema 1 Na Fgura 15 encontra-se o esquema do sstema estudado na prmera etapa da Dssertação. O modelo da coluna de destlação fo construído através do conceto de composção (dervado da Programação Orentada a Objetos, OOP), uma das funconaldades do EMSO. Com sso, todas as undades da coluna, ou seja, os estágos de equlíbro, trocador de calor, spltters, etc., foram modelados. Assm, fo gerado um conjunto de sub-modelos que conectados 55

57 entre s formam o modelo de todo o sstema de separação em análse. Fo utlzada a efcênca de prato de Murphree para a fase vapor com um valor constante para todos os estágos gual a 1. Foram também mplementadas as seguntes estruturas de controle PID: controle de nível do condensador pela manpulação da vazão do produto de topo; controle de nível do refervedor através da manpulação da vazão do produto de fundo; controle das temperaturas do condensador e refervedor, manpulando suas respectvas cargas térmcas. Fgura 15 - Fluxograma do processo de destlação de etanol. Foram fetas, no EMSO, smulações dnâmcas do processo de destlação da mstura etanol-água, e em seguda fo adconado o tercero componente (álcool soamílco) para verfcar a sua nfluênca nas respostas. As smulações foram também realzadas em regme estaconáro no smulador de processos Aspen Plus (versão 7.3) da Aspen Tech, utlzando o módulo RadFrac, que é um modelo rgoroso dsponível no Aspen Plus e que pode ser usado para város tpos de operações de fraconamento líqudo-vapor. O modelo termodnâmco utlzado no EMSO fo o UNIFAC-Dortmund/SRK, e no Aspen Plus fo o UNIF-DMD (Dortmund Modfed UNIFAC-RKS). A 56

58 confguração das colunas utlzadas em ambos os smuladores está na Tabela 2. As composções do vnho utlzadas neste estudo se encontram na Tabela 3. Optou-se pelo aquecmento com um refervedor para se evtar o efeto dludor na vnhaça com borbotagem de vapor d'água. O comprmento e a altura do vertedouro do prato fo de, respectvamente, 2 e 0,4 metros. Tabela 2 - Confguração do Sstema 1. Coluna AA1D (EMSO) AA1D (Aspen Plus) nº de pratos Refervedor parcal 1 1 Q Refervedor (kw) Controlado 230 Condensador total 1 1 Prato de almentação Razão de refluxo Ef. Murphree vapor 1 1 T (ºC) Almentação P(atm) 1,6 1,6 F(kmol/h) Tabela 3 - Frações molares dos prncpas componentes presentes na carga consderada neste trabalho e em uma carga típca ndustral, desconsderando a presença de eletróltos. Componente Fração molar (este trabalho) Fração molar (JUNQUEIRA, 2010) Etanol 0, ,03010 Água 0, ,96850 Álcool soamílco 0, ,00043 Glcerol - 0,00082 Glcose - 0,00017 Fonte - JUNQUEIRA,

59 Escolheu-se trabalhar com as frações em base molar, pos os modelos utlzados no EMSO já preexstam com base molar. As constantes dos controladores PID utlzados nas smulações foram as já exstentes no EMSO (valores default) Sstema 2 A outra parte do desenvolvmento desta Dssertação dz respeto à mplementação do sstema de bombeamento e almentação da coluna do Sstema 1. Com sso fo modelado o sstema nclundo uma dorna volante, uma bomba centrífuga e um trocador de calor (trocador K), além da presença de retrada lateral de vapor na coluna, como pode ser vsualzado na Fgura 16. Também aqu optou-se pelo aquecmento com refervedor. O chaveamento da dorna, que pode ser entenddo como abertura e fechamento da válvula da corrente de almentação da dorna volante, é uma nteressante opção para se estudar efetos da oferta de carga para a coluna. Além do mas, o acoplamento entre um processo que se pode dzer semcontínuo/batelada almentada (processo fermentatvo) e um contínuo (processo de destlação) pode ser ajustado com o emprego da dorna volante, também conhecda como tanque pulmão. 58

60 Fgura 16 - Esquema do processo proposto no Sstema A dorna volante e a tubulação Fo feta a modelagem da dorna volante, consderando o balanço de massa, descrto a segur. Balanço global de massa na dorna: = F + F (103) Balanço na dorna por componente : = (z x ) (104) 59

61 x = (105) n = π Z (106) Onde, V dorn é o volume de vnho na dorna volante (m 3 ); F sa é a vazão de saída de vnho da dorna volante (m 3 /h); F en é a vazão de almentação de vnho da dorna volante (kmol/h); M m é a massa molar méda da mstura (kg/kmol); ρ é a densdade da mstura (kg/m 3 ); x é a fração molar do componente no vnho da dorna volante; z é a fração molar do componente no vnho da almentação da dorna volante; n é o número de mols do componente no vnho; n é o número total de mols no vnho; Z é o nível de vnho na dorna volante (m); As dmensões da dorna volante clíndrca foram: 10 m de altura por 5 m de dâmetro. A vazão molar de vnho delevedurado para a recarga da dorna fo fxada em 500 kmol/h. Nas Tabelas 4 e 5 se encontram dados referentes ao nível de cada ponto e os comprmentos dos trechos das tubulações do sstema. Tabela 4 - Confguração de cada ponto marcado no Sstema 2. Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Ponto 5 Ponto 6 Nível (m) varável Tabela 5 - Confguração de cada trecho do Sstema 2. Trecho 1 2 Trecho 3 4 Trecho 4 5 Trecho 5 6 Comprmento (m) Dâmetro (m) 0,10 0,09 0,09 0,09 60

62 A coluna Na Tabela 6 encontram-se nformações da coluna usada nesta etapa do trabalho. O comprmento e a altura do vertedouro do prato fo de, respectvamente, 2 e 0,4 metros. Tabela 6 - Confguração da coluna do Sstema 2. COLUNA nº de pratos 38 Refervedor parcal 1 Q Refervedor (kw) calculado Condensador total 1 Prato de almentação 7 Razão de refluxo 10 Ef. Murphree vapor 0,7 Estágo de retrada lateral A bomba centrífuga A altura manométrca do sstema fo caracterzada através do balanço de energa mecânca, e pode ser verfcado na equação 107. Percebe-se que ela fca dependente da energa nos pontos 1 e 6, bem como da perda de carga ao longo do camnho até a coluna de destlação. H S E E1 lw j 6 (107) Onde, H S é a altura manométrca do sstema, em metros; E 1 é a energa mecânca no ponto 1, em metros; E 6 é a energa mecânca no ponto 6, em metros; lwj é a perda de carga, em metros. 61

63 lw j lw 12 lw34 lw45 lw56 (108) Darcy). As perdas de carga, lw j, foram calculadas pela equação 109 (Equação de 2 ( L Leq ) vel lw f (109) D 2g Onde, f é o fator de atrto; L é o comprmento da tubulação, em metros; Leq é o comprmento equvalente em metros, devdo às perda de carga localzadas (neste trabalho, o comprmento equvalente fo de 30 m); D é o dâmetro da tubulação, em metros (neste trabalho, on dâmetro da sucção fo de 10 cm, e no recalque, 9 cm); vel é a velocdade de escoamento de fludo, em m/s; g é a aceleração da gravdade, em m/s 2 ; O fator de atrto (f) fo calculado em função do número de Reynolds. Para regmes de escoamento turbulento, utlzou-se a equação 110 (equação de Swamee-Jan). f 0,25 5,74 log 0,9 3,7 Re D 2 (110) Onde, é a rugosdade absoluta do materal da tubulação; R e é o número de Reynolds, dado pela equação 111:.vel. D Re (111) 62

64 é a densdade do fludo, em kg/m3 ; é vscosdade do fludo (Pa.s). Para regmes de escoamento lamnar, o cálculo do fator de atrto fo feto através da equação 112 (fator de atrto de Darcy). 64 f (112) Re A regão de transção entre os regmes de escoamento fo admtda como parte da modaldade de escoamento turbulento. Expandndo-se a equação 107, obtém-se a equação 113, que é a equação atualzada da curva do sstema. H ( P P ) ( vel vel ) ( Z Z ) g 2g (113) S 6 1 lw j Onde, Z 1 é o nível de líqudo na dorna volante, em metros; Z 6 é a altura da almentação na coluna de destlação, em metros; P 6 é a pressão de almentação, em atm; P 1 é pressão na superfíce do nível Z 1, em atm; vel 6 é a velocdade em Z 6, em m/s. vel 1 é a velocdade em Z 1, em m/s. Para que as condções do sstema fossem satsfetas, escolheu-se uma bomba Schneder de 2 CV, modelo ME A equação que relacona a altura manométrca (m.c.a.) fornecda pela bomba em função da vazão volumétrca (m³/h) fo obtda através de um ajuste polnomal (Fgura 17) dos dados fornecdos pelo fabrcante. Como já fo mostrado no tem 2, quando o volume da dorna vara, a vazão se altera, deslocando o ponto de operação (ver a curva em vermelho na Fgura 17). 63

65 Fgura 17 - Curvas do sstema e da bomba O trocador K O trocador de calor fo modelado de forma que recuperasse o calor da vnhaça, pré-aquecendo o vnho. A área de troca térmca fo consderada gual a 5 m 2, e o coefcente de troca térmca fo extraído de Bspang (2012), conforme a Tabela 7. Escolheu-se o menor valor para U (W.m -2.K -1 ), gual a 150, que se refere ao materal tubular, pelo qual escoa líqudo. Esta escolha fo feta para que fosse possível atuar com uma área de troca térmca maor, conforme a equação 114. Essa hpótese fo adotada para maxmzar a troca térmca entre os dos fludos. A equação 114 é a que rege essa troca. Q U. A. T ml (114) Onde, Q é o calor trocado entre os fludos quente e fro, em kw; U é o coefcente global de troca térmca, em kw.m -2.K -1 ; 64

66 A é a área de troca térmca, em m 2 ; T ml é a méda logarítmca entre as temperaturas das correntes de entrada e saída co trocador de calor. Tabela 7 - Coefcente global de troca térmca em trocadores de calor. Tpo Aquecmento ou resframento tubular Condções de Aplcação Gases a pressão atmosférca dentro e fora dos tubos Gases a alta pressão dentro e fora dos tubos Líqudos de um lado e gás a pressão atmosférca do outro lado dos tubos. Gás a alta pressão dentro dos tubos e líqudo fora. U W/(m 2 K) Líqudos dentro e fora dos tubos Vapor fora e líqudo dentro dos tubos Fonte - BSPANG, Todas as smulações do Sstema 2 foram ncalzadas com os resultados estaconáros de uma smulação feta com uma dorna de dâmetro muto grande, de 500 m (este dâmetro possbltou que a varação do nível da dorna não fosse sgnfcatva), com um vnho (etanol-água) contendo 5% em base molar de etanol. Assm, as smulações no Sstema 2 foram fetas em duas stuações: Prmera stuação: ncavam-se as smulações com a dorna volante chea de vnho a 5% de etanol (fração molar). Quando atngdo um nível mínmo (50 cm) de vnho em seu nteror, a almentação era chaveada para uma segunda dorna contendo 5, 4, 3 e 2% de etanol (base molar). Em seguda, quando o líqudo no nteror dessa segunda dorna atngsse o nível mínmo de 50 cm, lgava-se a almentação de um novo vnho de mesma composção da dorna (5, 4, 3 ou 2% molar de etanol). Quando o nível de vnho era lgeramente nferor ao lmte da dorna, fechava-se a almentação. Assm, nestas smulações, o prmero estágo de esvazamento era dstnto dos demas 65

67 (exceto para o caso em que as duas dornas tvessem 5% de etanol, feto apenas para verfcar a consstênca das respostas). Em todos os casos, a vazão de enchmento da dorna fo de 500 kmol/h. Segunda stuação: apenas uma dorna era dsponível no sstema; o sstema fo ncalzado com dados estaconáros (nclundo a dorna volante) do vnho a 5% em fração molar de etanol. Ao se chegar a um nível mínmo, 50 cm, de vnho na dorna, era lgada a vazão de almentação da dorna com vnho a 3% em fração molar de etanol. O balanço de massa transente na dorna era resolvdo, calculando-se a gradatva dlução da almentação da coluna (no prmero caso, essa perturbação era um degrau). No Sstema 2 também foram mplementadas estratégas de controle PID no topo e fundo da coluna. O nível de líqudo do refervedor e do condensador fo controlado, manpulando-se a válvula da corrente de fundo e de destlado. As temperaturas do refervedor e do condensador foram controladas, manpulando suas respectvas cargas térmcas. 66

68 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO As smulações buscaram dos objetvos: 1) estudar os efetos da presença de óleo fúsel, representado pelo álcool soamílco, no vnho; 2) estudar os efetos da varação de nível da dorna volante e da concentração de etanol no vnho delevedurado na resposta transente do sstema, utlzando-se perturbações degrau nas correntes de recarga da dorna. 4.1 Valdação dos modelos termodnâmcos adotados A opção pela formulação "gamma-ph" do equlíbro gerou a necessdade da adoção de um modelo para o cálculo do coefcente de fugacdade da fase vapor e de outro para o coefcente de atvdade. Para o prmero, optou-se pela equação cúbca de Redlch-Kwong-Soave (SRK) e para o segundo, a formulação UNIFAC-Dortmund, ambas dsponíves no módulo VRTherm. Para avalação dos eventuas desvos em relação a dados expermentas, fez-se uma análse comparatva de frações molares, tanto na fase líquda quanto na fase vapor. As Fguras 18, 19 e 20 mostram os dagramas xy para as msturas bnáras etanol-água, etanol-álcool soamílco e água-álcool soamílco. Nelas, os pontos em preto representam dados expermentas da lteratura e os pontos em verde, o modelo SRK gerados pelo EMSO. Nota-se um lgero afastamento nas regões de baxa concentração, fato que pode ter sdo causado pelo fato de que a mplementação UNIFAC do VRTherm utlzada neste trabalho faz uso da formulação UNIFAC(Dortmund), porém com a parametrzação PSRK, que é a equação predtva de contrbução de grupo de Soave-Redlch-Kwong, (DOI: /j.flud ). Entretanto percebeu-se que o ajuste deste modelo aos dados expermentas ocorre com uma dscrepânca razoável, para os casos de nteresse deste trabalho. Levando-se em conta que os parâmetros de nteração bnára do UNIFAC são generalzados, a partr de contrbuções de grupo, pode se consderar satsfatóro o ajuste. Verfca-se que o modelo usado prevu de forma satsfatóra o ELV em ambas as msturas. Na Fgura 20, verfca-se uma regão tracejada, onde a mstura água-álcool soamílco forma duas fases líqudas. 67

69 Fgura 18 - ELV da mstura etanol(1)-água(2) a 1 atm: comparação das prevsões no EMSO (UNIFAC-Dortmund/SRK) com dados expermentas (GMEHLING et al., 1988). Fgura 19 - ELV da mstura etanol(1)-álcool soamílco(2) a 1 atm: comparação das prevsões no EMSO (UNIFAC-Dortmund/SRK) com dados expermentas (GMEHLING et al., 1988). 68

70 Fgura 20 - ELV da mstura água(1)-álcool soamílco(2) a 1 atm: comparação das prevsões no EMSO (UNIFAC-Dortmund/SRK) com dados expermentas (GMEHLING e ONKEN, 1982). 4.2 Processo de destlação (Sstema 1) Foram fetas smulações dnâmcas do processo de destlação das msturas etanol-água e etanol-água-álcool soamílco para smular a nfluènca de um tercero componente nos perfs etanol-água. Escolheu-se o álcool soamílco por ser o prncpal componente do óleo fúsel. Nas Fguras 21 a 26 encontram-se os resultados da smulação no estado estaconáro do processo de destlação da mstura etanol-água, com e sem a presença do álcool soamílco, obtdas no Aspen Plus, comparados com os obtdos no EMSO após ser atngdo o regme. Percebe-se que o smulador EMSO respondeu de forma semelhante ao Aspen Plus. Os perfs estaconáros em ambos os smuladores tem qualtatvamente a mesma tendênca, embora se note um desvo sstemátco entre eles, que pode ser atrbuído ao modelo termodnâmco utlzado para o cálculo dos coefcentes de atvdade em ambos os smuladores. 69

71 Fgura 21 - Frações molares do etanol (1) e água (2) no estado líqudo ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 60 horas de operação). Fgura 22 - Frações molares do etanol (1), água (2) e álcool soamílco (3) no estado líqudo ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 300 horas de operação). Fgura 23 - Frações molares do etanol (1) e água (2) água na fase vapor ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 60 horas de operação). Fgura 24 - Frações molares do etanol (1), água (2) e álcool soamílco (3) na fase vapor ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 300 horas de operação). 70

72 Fgura 25 - Perfs de temperaturas ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 60 horas de operação) durante o processo de destlação da mstura etanol(1)-água(2). Fgura 26 - Perfs de temperaturas ao longo da coluna no Aspen Plus (estado estaconáro) e no EMSO (após 300 horas de operação) durante o processo de destlação da mstura etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3). Os prncpas resultados referentes às smulações dnâmcas do Sstema 1 estão mostrados nas Fguras 27 a 31. A queda de pressão na coluna observada nas smulações fo da ordem de 4 mbar. As estratégas de controle mplementadas fzeram com que o sstema se aproxmasse do estado estaconáro ao fnal do período smulado. Na Fgura 27, o perfl de fração molar do vapor de etanol na mstura ternára só alcança o estado estaconáro a partr de 160 horas de smulação computaconal. Isso se deve ao maor calor específco da fase líquda e à maor entalpa de vaporzação do álcool soamílco. Verfca-se na Fgura 28 que a presença do álcool soamílco fez com que houvesse um leve deslocamento da temperatura para valores maores. 71

73 Fgura 27 - Perfs de frações molares do etanol (1) em função do tempo no estágo 25 da coluna, obtdos com a smulação do processo de destlação das msturas etanol(1)-água(2) e etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO. x1, y1 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 y1 (mstura bnára) y1 (mstura ternára) x1 (mstura bnára) x1 (mstura ternára) 0, tempo (h) Fgura 28 - Perfs de temperaturas em função do tempo no estágo 25 da coluna, obtdos com a smulação do processo de destlação das msturas etanol(1)-água(2) e etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO T (mstura bnára) T (mstura ternára) 105 T ( C) tempo (h) 72

74 Na Fgura 29 são verfcados os perfs de fração molar do etanol na fase vapor em alguns estágos seleconados. Observa-se que as osclações desaparecem quando se atnge o estado estaconáro, sso também sgnfca que as perturbações foram amortecdas pelas ações dos controladores. Fgura 29 - Perfs de frações molares do etanol na fase vapor em função do tempo nos estágos 1, 5, 10, 15, 25 e 38, obtdos com a smulação do processo de destlação da mstura etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO. y1 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 estágo 1 estágo 5 estágo 10 estágo 15 estágo 25 estágo tempo (h) Verfca-se, nos perfs de temperaturas na Fgura 30, que, até o tempo de 20 horas de smulação computaconal, os controladores empregados responderam às perturbações de forma estável, forçando os perfs chegar ao estado estaconáro. 73

75 Fgura 30 - Perfs de temperaturas em função do tempo para os estágos 1, 5, 10, 15, 25 e 38 da coluna, obtdos com a smulação do processo de destlação da mstura etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO estágo 1 estágo 5 estágo 10 estáso 15 estágo 25 estágo T ( C) tempo (h) Os perfs de pressões na coluna podem ser vsualzados na Fgura 31. Quando alcançado o regme estaconáro, as pressões em cada estágo tendem a um valor próxmo de 1,6 atm nas smulações da mstura bnára (ss bn), e 1,72 atm nas smulações da mstura ternára (ss ter). Entretanto percebeu-se uma perda de carga em torno de 4 mbar (3,95*10-3 atm) na coluna. 74

76 Fgura 31 - Perfs de pressões em função do tempo nos estágos 1, 5, 10, 15, 25 e 38, obtdos com a smulação do processo de destlação das msturas etanol(1)-água(2) e etanol(1)-água(2)-álcool soamílco(3) no EMSO. P (atm) 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 estágo 1 (ss ter) estágo 1 (ss bn) estágo 10 (ss ter) estágo 10 (ss bn) estágo 25 (ss ter) estágo 25 (ss bn) estágo 38 (ss ter) estágo 38 (ss bn) Sstema ternáro (ss tern) Sstema bnáro (ss bn) tempo (h) De manera geral, conclu-se que o modelo respondeu de forma consstente. O EMSO e o Aspen Plus mostraram comportamentos smlares no regme estaconáro, e as smulações dnâmcas no EMSO apontaram um efeto sensível da presença do álcool soamílco nos perfs dentro da coluna e no tempo para se atngr o estado estaconáro. Os perfs de fração molar de etanol e de temperatura no regme estaconáro, entretanto, foram pouco nfluencados pela presença do álcool soamílco, como se pode ver comparando as Fguras 21 com a 22, 23 com a 24 e 25 com a

77 4.3 Processo de destlação (Sstema 2) As Fguras 32 a 58 mostram resultados referentes à smulação do processo de destlação de etanol, nclundo o bombeamento do vnho da dorna volante. Essa dorna era esvazada até se atngr o nível de 50 cm. Vale ressaltar que as smulações do Sstema 2 foram ncadas com valores estaconáros obtdos de smulações do processo que utlzou uma dorna de dâmetro muto grande, com um vnho etanol-água a 5% em fração molar de etanol. Nas Fguras 32 a 40, os resultados se referem ao prmero cclo de esvazamento da dorna volante. Verfca-se que o nível de vnho na dorna dmnu com o tempo (Fgura 32a), e à medda que sso ocorre, a vazão de bombeamento também dmnu (Fgura 32b), causando leve osclação na temperatura do vnho de saída do trocador de calor (Ts1, Fgura 33a). A temperatura do fludo quente (vnhaça) no trocador sofreu uma rápda osclação nas prmeras 6 horas, entretanto tende a um valor constante para todas as frações molares (2, 3, 4 e 5%) de etanol no vnho (Fgura 33b). Fgura 32 - (a) Esvazamento da dorna volante no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna; (b) Vazão da bomba. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). 76

78 Fgura 33 - (a) Temperatura de entrada na coluna (Ts1); (b) Temperatura da vnhaça, Te2 (fludo quente de entrada no trocador de calor) no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). Na Fgura 34 podem ser verfcados os perfs de vazão de almentação da coluna (Fgura 34a), vnhaça (Fgura 34b), destlado (Fgura 34c). A vazão da retrada lateral de vapor fo mantda constante, como pode ser verfcado na Fgura 34d, com valor de 5 kmol/h para todas as stuações. Percebe-se que os perfs apresentados para todos os vnhos, 2 a 5% de etanol em base molar, apresentam comportamento smlar, vsto que a vazão de bombeamento pouco é nfluencada pela fração de etanol no vnho. 77

79 Fgura 34 - (a) Vazão de almentação da coluna no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna; (b) Vnhaça; (c) Destlado; (d) Retrada lateral de vapor. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). O calor fornecdo ao refervedor pode ser verfcado na Fgura 35. Percebese que há uma grande osclação no níco do processo, decorrente da ação dos controladores, os quas tentam manter a temperatura no valor especfcado. A dferença observada nos perfs da Fgura 35 pode ser causada pela dferença entre as frações de etanol no vnho, e também pela smlardade entre os valores das vazões de vnhaça para os quatro tpos de vnho. 78

80 Fgura 35 - Calor no refervedor, consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar) no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna. Na Fgura 36a é obsevado que a recuperação do etanol é maor quando se tem uma carga mas rca neste componente, embora haja pouca dferença para os vnhos analsados. Percebe-se que há uma perda sgnfcatva de etanol na vnhaça (Fgura 36b), mas sem afetar as conclusões deste trabalho. Verfcase que o vnho mas pobre em etanol apresenta uma menor fração molar deste na vnhaça. Fgura 36 - (a) Fração molar de etanol no destlado no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna; (b) Fração molar de etanol na vnhaça. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). 79

81 A Fgura 37 mostra perfs de fração molar do etanol na fase vapor em alguns estágos de equlíbro da coluna (estágos 1, 5, 15 e 38). O baxo teor de etanol almentado na coluna acarreta uma menor quantdade deste álcool no vapor sando de cada estágo, comparado com um vnho de maor teor. Fgura 37 - Fração molar de etanol na fase vapor no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna, nos estágos (est): (a) 1, (b) 5; (c) 15 e (d) 38. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). Percebe-se que as característcas do vnho a ser destlado mpactam na composção do vapor de retrada lateral, mostrando que é necessáro um vnho mas rco em etanol para que se tenha uma retrada mas rca neste componente (Fgura 38). 80

82 Fgura 38 - Fração molar de etanol no vapor da retrada lateral no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). A Fgura 39 mostra os valores das frações molares de etanol no líqudo nos estágos 1, 5, 15 e 38. As frações de etanol na vnhaça são mostradas na Fgura

83 Fgura 39 - Fração molar de etanol na fase líquda nos estágos (est) no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna: (a) 1, (b) 5; (c) 15 e (d) 38. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). 82

84 Fgura 40 - Fração molar de etanol na vnhaça (x1) no prmero cclo de operação após o chaveamento para a segunda dorna, com o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). Nas Fguras 41 a 49 são mostrados resultados das smulações do Sstema 2, entretanto as smulações são fetas com um tempo bem maor (até 600 horas de smulação computaconal). Percebe-se que os valores das varáves mostradas sofrem osclações devdo ao enchmento e esvazamento da dorna volante. Entretanto estes valores camnham para um valor médo constante (seguem uma tendênca peródca). Na Fgura 45 pode ser observado que o balanço de massa tende a um valor próxmo de zero, e que, devdo à varação da carga, observa-se na Fgura 45b que, hora o balanço é postvo, hora é negatvo, entretanto a área postva tende a ser gual à área negatva lmtada pelo exo das abscssas. Verfca-se, na Fgura 46, que o acúmulo tende a ser mnmzado com o tempo para o vnho a 5% em fração molar de etanol. 83

85 Fgura 41 - Fração molar de etanol na fase vapor com o tempo nos estágos (est): (a) 1, (b) 2; (c) 15 e (d) 38. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). 84

86 Fgura 42 - Fração molar de etanol na fase líquda com o tempo nos estágos (est): (a) 1, (b) 2; (c) 15 e (d) 38. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). 85

87 Fgura 43 - Perfs de fração molar de etanol na retrada lateral de vapor. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). Fgura 44 - Perfs de fração molar de etanol: (a) no destlado; (b) na vnhaça. Consderando o enchmento da dorna com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). 86

88 Fgura 45 - Balanço de massa (BM) na coluna ao longo do processo: (a) BM por componente (etanol); (b) BM global. Consderando uma almentação com vnho de 2 a 5% de etanol (fração molar). Fgura 46 - BM por componente (etanol) para o vnho a 5% em fração molar de etanol (verfcação da tendênca do perfl). Os perfs de nível de vnho na dorna volante, da vazão volumétrca da bomba e as temperaturas de saída do trocador K se encontram na Fgura 47. Pequenas osclações podem ser observadas nas Fguras 47c e 47d, as quas 87

89 são atrbuídas à ação de enchmento e esvazamento da dorna volante, bem como da ação dos controladores. Fgura 47 - (a) Esvazamento e enchmento da dorna; (b) Vazão da bomba; (c) Temperatura de entrada na coluna (Ts1); (d) Temperatura da vnhaça (Te2). Consderando o enchmento da dorna com vnho de mesma concentração ncal (2 a 5% em fração molar de etanol). O consumo de energa pelo refervedor pode ser observado na Fgura 48. Verfca-se que os perfs tendem a um valor médo, entretanto as osclações são atrbuídas à varação da carga na coluna. Na Fgura 49 podem ser observadas todas as vazões de entrada e saída da coluna de destlação. 88

90 Fgura 48 - Calor no refervedor (Q R ), consderando o enchmento da dorna com vnho de mesma concentração ncal (2 a 5% em fração molar de etanol). 89

91 Fgura 49 - (a) Vazão de almentação da coluna; (b) Vnhaça; (c) Destlado; (d) Retrada lateral de vapor. Consderando o enchmento da dorna com vnho de mesma concentração ncal (2 a 5% em fração molar de etanol). A área abaxo da curva da vazão molar (kmol/h) da carga da coluna observada na Fgura 49a, que relacona o quanto de massa entra na coluna, fo comparada com os acúmulos globas vstos na Fgura 45b (também ntegrando a curva ao longo do tempo). Na Tabela 7 pode ser verfcado que os resultados (calculados no software Orgn 6) mostraram que o acúmulo de massa na coluna é muto pequeno em relação ao que entra na coluna. Este fato fo verfcado em todas as smulações fetas (na Tabela 7 são mostrados valores para a dorna com vnho a 5% em fração molar de etanol, entretanto, para os outros vnhos analsados, os valores são smlares). 90

92 Tabela 7 - Percentual de acúmulo de massa na coluna. Área (kmol) % Acumulado BM global (Fgura 45b) 0, , Carga da coluna (Fgura 49a) As Fguras 50 a 58 mostram resultados das smulações do Sstema 2, nclundo uma almentação na dorna (quando essa se esvaza) com vnho dluído, atrbuído à segunda geração (consderando etanol-água), contendo 3% de etanol (molar) e com a ncalzação do sstema com valores estaconáros do vnho a 5% em fração molar de etanol. Em outras palavras, agora há uma dlução do etanol na dorna, em razão do menor teor da nova almentação. O nível de vnho e a vazão volumétrca da bomba são mostrados na Fgura 50, na qual nota-se o comportamento de esvazamento e enchmento da dorna volante. Na Fgura 51 percebe-se que a adção do vnho de menor concentração de etanol fez com que a mstura resultante tenha uma quantdade de etanol que decresce até se establzar em determnado tempo de smulação. Fgura 50 - (a) Esvazamento e enchmento da dorna; (b) Vazão da bomba. 91

93 Fgura 51 - (a) Fração molar de etanol no vnho sando da dorna volante; (b) Detalhes do momento em que há a mstura do vnho exstente na dorna (fração molar de etanol gual a 0,05) com o vnho de segunda geração (fração molar de etanol gual a 0,03) almentando a dorna volante. As temperaturas da almentação e da vnhaça são mostradas na Fgura 52. A temperatura do vnho que sa do trocador tem leve osclação nos nstantes ncas, e, assm que se nca a mstura dos vnhos, percebe-se um aumento leve na temperatura, vsto que há uma dlução do vnho. Entretanto este aumento não chega a ser relevante, vsto que ocorre na casa dos décmos ou centésmos de graus, assm os perfs tendem a um valor constante. 92

94 Fgura 52 - (a) Temperatura da almentação da coluna (Ts1); (b) Temperatura da vnhaça (Ts2). A varação na fração molar de etanol na carga (vde Fgura 51) acarreta em osclações ao longo da coluna, como pode ser representado pelo perfl de etanol no vapor de retrada lateral (Fgura 53). A dlução do vnho causa um decréscmo na recuperação de etanol na coluna. Na Fgura 54a, percebe-se que esta dlução ocasonou queda na fração de etanol no destlado, bem como na dmnução da fração do mesmo na vnhaça (Fgura 54b). Fgura 53 - Fração molar de etanol no vapor da retrada lateral. 93

95 Fgura 54 - Perfs de fração molar de etanol: (a) no destlado; (b) na vnhaça. As vazões molares de entrada e saída da coluna são mostradas nas Fguras 55 e 56. A vazão de vapor de retrada lateral fo mantda constante gual a 5 kmol/h (Fgura 56). A varação na fração molar de etanol na dorna, ncada no nstante em que se msturam os vnhos, causa uma perturbação no sstema, ocasonando osclações na carga térmca requerda pelo refervedor (Fgura 57). Entretanto este consumo de energa dmnu com o transcorrer do processo. Fgura 55 - (a) Vazões de almentação da coluna e da vnhaça; (b) Vazão do destlado. 94

96 Fgura 56 - Vazão da retrada lateral de vapor. Fgura 57 - Consumo de calor no refervedor. 95

97 O balanço de massa no sstema é mostrado na Fgura 58. Verfca-se que, como o processo é dnâmco e há cclos de enchmento-esvazamento da dorna, há acúmulos negatvos e postvos, e que à medda que o tempo passa, esse acúmulo tende a um valor constante próxmo de zero (ver Tabela 8). Fgura 58 - Balanço de massa (BM) no sstema ao longo do processo: (a) BM por componente (etanol); (b) BM global. A área abaxo da curva da vazão molar (kmol/h) da carga da coluna observada na Fgura 55a, que reporta o quanto de massa entra na coluna, fo relaconada com os acúmulos globas mostrados na Fgura 58b. Os resultados (calculados no Orgn 6) mostraram que a relação entre o mínmo que acumula e a quantdade da carga permte observar que a quantdade que acumula é rrelevante, uma vez que o percentual de acúmulo é bem pequeno (Tabela 8). Tabela 8 - Percentual de acúmulo de massa na coluna. Área (kmol) % Acumulado BM global (Fgura 58a) 6,9888 1, Carga da coluna (Fgura 55a)

98 4.4 Facldades e dfculdades com o smulador EMSO A versão do EMSO utlzada neste trabalho fo a , que pode ser vsualzada na Fgura 59. O EMSO surge como uma ferramenta capaz de responder de forma robusta às smulações dos mas dversos processos da ndustral químca, dentre outras aplcações geras. Com sua estrutura, o EMSO se torna de fácl utlzação, além de ser de boa comuncação com o usuáro. Como este smulador de processos já possu uma bbloteca de modelos, o usuáro pode usar estes modelos e adaptar para uma stuação de nteressse, montando o seu FlowSheet (ver Fgura 60). Fgura 59 - Versão do EMSO utlzada nesta dssertação. Fonte - ENVIRONMENT FOR MODELING, SIMULATION AND OPTIMIZATION - EMSO, Os solvers exstentes no EMSO, tanto para resolver as EDO's quanto as DAE's funconam bem, além do mas o usuáro pode escolher o solver de sua preferênca. Outra característca postva encontrada no EMSO é sua capacdade de checar a consstênca do sstema, analsando seus graus de lberdade (nclusve dnâmcos). Com apenas um clck no local ndcado, a análse é feta de forma medata (ver as Fguras 60 e 61). E enquanto o grau de lberdade não for zerado e enquanto as condções ncas referentes às equações dferencas não forem atenddas, não se ncam as smulações. O EMSO também alerta ao usuáro sobre possíves ncompatbldades entre undades de meddas, e ndca o exato local onde se encontra esta dscrepânca. Além do mas, o usuáro pode vsualzar o número de varáves e o número de equações do sstema, bem como o número de especfcações fetas. 97

99 Dentre estas e outras vantagens, a facldade de utlzar a herança para gerar submodelos faz do EMSO um smulador muto atratvo. Entretanto, há dfculdades no uso do EMSO, prncpalmente quando o usuáro tem pouca famlardade com o modelo que se utlza. A maor delas é a ncalzação das smulações, vsto que se faz necessáro ter uma ncalzação consstente, exgndo um bom conhecmento do sstema e de seu modelo pelo usuáro. Como o sstema aqu estudado era complexo, a falta de uma boa ncazação dfcultava o níco do processo. Todava, quando se tem dados consstentes para ncalzar, as smulaçõs fluem. Com sso, a convergênca é alcançada de forma robusta e rápda (em menos tempo de smulação computaconal). Outra dfculdade vvda fo o problema com índce estrutural dferencal maor que 1, fato que dexa o sstema mas dfícl de ser resolvdo. As rotnas de cálculos exstentes no pacote VRTherm não conseguem resolver o sstema de equações quando o índce é maor que 1, exgndo que seja feta uma redução do mesmo para 1, fato que pode ser alcançado mudando algumas especfcações, dentre outros meos. Contudo não é tarefa fácl mudar uma especfcação quando se tem um sstema de grandes dmensões, como o estudado aqu. De todo modo, essa dfculdade certamente é superada quando se conhece bem o sstema em questão. Como um comentáro fnal, o ambente EMSO, com suas vantagens e facldades, é uma ferramenta poderosa. Um processo químco ndustral complexo pode ser seguramente estudado aqu e respostas consstentes podem ser obtdas. 98

100 Fgura 60 - Interface do EMSO: um exemplo de modelos usados; teste de consstênca; montagem de um FlowSheet. Fgura 61 - Interface do EMSO: escolha de modelos para resolver os sstemas de equações. 99