H. C. S. FERNANDES 1, J. NOGUEIRA 2, A. C. B. ARAÚJO 3. para contato: 1. INTRODUÇÃO

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Transcrição:

RESOLUÇÃO DE SISTEMAS FLASH UTILIZANDO AS EQUAÇÕES DE ESTADO PENG-ROBINSON, REDLICH- KWONG E SOAVE-REDLICH-KWONG ATRAVÉS DO MÉTODO DE SUBSTITUIÇÕES SUCESSIVAS H. C. S. FERNANDES 1, J. NOGUEIRA 2, A. C. B. ARAÚJO 3 1 2 3 Unversdade Federal de Camna Grande, Deartamento de Engenhara Químa E-mal ara ontato: hellder@gmal.om RESUMO - Esta esqusa tem omo objetvo desenvolver um aote de ódgos omutaonas que ossbltaram a resolução de roblemas envolvendo equações de estado (EOS). Entre elas estão o álulo de roredades termodnâmas va equações de Peng-Robnson (EOS-PR), Redlh-Kwong (EOS-RK) e Soava-Redlh-Kwong (EOS-SRK). Fo também mlementado um modelo ara a resolução de um flash multomonente, hamado de método das substtuções suessvas e este fo alado a uma sstema ontendo os hdroarbonetos roano, n-butano, n-entano e n-hexano. A valdação dos resultados foram fetas om base em uma smulação mlementada no software Asen Plus. Nos álulos valdados foram obtdos desvos nferores a 1% ara o aso da EOS-PR e nferores a 3% no aso da EOS-RK e EOS-SRK, mostrando a boa resão na utlzação dos ódgos. 1. INTRODUÇÃO As resoluções de equações de estado são de fundamental mortâna ara o estudo termodnâmo na solução de roblemas da engenhara químa. Devdo ao grau de omlexdade aresentado or algumas das equações torna-se neessáro o desenvolvmento de ferramentas omutaonas aazes de redzer om exatdão a relação exstente entre as roredades, esta tarefa é bastante mortante na engenhara químa, os estas equações odem ser utlzadas na avalação de desemenho, além de serem de fundamental mortâna ara que trabalhos de modelagem e smulação alanem resultados satsfatóros. Para se determnar a solução das equações são neessáros arâmetros termodnâmos das substanas em estudo de ada aso e ara se valdar os resultados será utlzada smulações no software Asen Plus. Área temáta: Engenhara das Searações e Termodnâma 1

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Equações de Estado (EOS) A equação de Peng-Robson (EOS-PR) é reomendada ara hdroarbonetos em roessamento de gás, refnara e roessos etroquímos. Segundo Peng e Robnson (1976) o modelo é da segunte forma: a V b V ( V b) b( V b) (1) b m m m m x b j a x x a a k 0.42748 a 0.5 j ( j ) (1 j ) 2 2 0.08662 b k (1) (2) kj kj kj T T (3) j (2) (3) (4) (5) (6) Onde, a e b são os arâmetros de orreção da não dealdade das substânas, onde a está relaonado om a força de atração ntermoleular e b om volume das moléulas. O arâmetro k j reresenta a nteração entre as moléulas e j resetvamente. A equação de Redlh-Kwong (EOS-RK) que ode ser usado ara sstemas à baxa ressão om um bom resultado (máxmo de 8 atm). Tal ondção é exlada elo fato da equação não ossur um bom omortamento quando a não dealdade da fase vaor é alta. Também não se é ndada ara uso álulo de roredades em fase líquda. Segundo Redlh e Kwong (1949) o modelo é da segunte forma: a 0.5 T (7) Vm b Vm ( Vm b) (8) b x b a x a a 0.42748023 b 0.08664035 2 2.5 (9) (10) (11) Área temáta: Engenhara das Searações e Termodnâma 2

Outra equação é a Soave-Redlh-Kwong (EOS-SRK). Seu modelo se adéqua tanto a baxas omo a altas ressões e ode ser utlzado ara sstemas de hdroarbonetos e gases leves omo H 2 S CO 2 e N 2. Um novo arâmetro de nteração entre as moléulas é ntroduzdo. Segundo Soave (1972) o modelo é da segunte forma: a Vm b ( Vm )( Vm b) (12) a ( a0 a1) (13) b xb (14) 0 (1 (1 T )) x j a x x a a k 0.5 j ( j ) (1 j ) 0.5 1/3 a1 x x j aa j lj j 0.427 a 2 2 r 2 2 0.08664 b 2 0.48508 1.55171 0.15613 k (1) (2) kj kj kj T T (3) l (1) (2) j lj lj lj T T Nos dos modelos anterores (EOS-RK e EOS-SRK ) os arâmetros a e b tem o mesmo sgnfado físo dos mesmos arâmetros na equação de EOS-PR. Entretanto um novo arâmetro é nserdo na equação SRK, que é mas uma orreção do volume moleular onsderando agora o fator aêntro das moléulas. O arâmetro lj é uma medção da dfuldade físa de nteração entre as moléulas em vrtude de sua geometra. (3) j 3 (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) 2.2 Sstema Flash Consderando um sstema em estado estaonáro e em estado de equlíbro omo mostrado na Fgura 1 a segur: Área temáta: Engenhara das Searações e Termodnâma 3

Fgura 1 - Estado de equlíbro entre as fases Onde F é a almentação do sstema om uma omosção z ( = número de omonentes), uma vaorzação flash oorre a uma dada temeratura e ressão (T e P), orgnando duas orrentes de saída, uma líquda, nomeada de L, omo omosção x e uma vaor, V, om omosção y. Para um flash, as seguntes equações são resolvdas ara se determnar omletamente o sstema: 0 F V L 0 Fz Vy Lx 0 K x y (24) (25) (26) As equações ama são resetvamente o balanço de massa geral, o balanço de omonentes em ambas as fases e as equações de equlíbro ara ada um dos omonentes. Pode-se rearranjar a equação 26 a fm de se obter uma equação ara os termos x e y : z x 1 (K 1) (27) Kz 1 (K 1) y Onde o termo Ψ orresonde a fração vaorzada V/F. Sabendo que o somatóro das frações em ambas as fases é gual a 1: (28) z ( K 1) C C C C y x ( y x ) 0 1 1 1 1 1 (K 1) (29) A equação 29 é onheda omo equação de Rahford-Re e é utlzada ara a a resolução de um sstema flash om temeratura e ressão esefada. O método de resolução através desta equação é onhedo omo método das substtuções suessvas (SSM) e também utlza a segunte equação: Área temáta: Engenhara das Searações e Termodnâma 4

K P T ex 5.37(1 w)(1 ) P T (30) A equação 30 é onheda omo a equação de Wlson. Segundo Naj (2008) ara a solução do sstema flash deve-se segur o segunte algortmo aresentado na Fgura 2 a segur: Fgura 2 Algortmo ara resolução de um sstema flash elo método SSM (fonte: Naj, 2008) 3. METODOLOGIA Para a resolução das equações de estado (RK, SRK e PR) e o método de resolução do flash (SSM), desenvolveu-se um ódgo omutaonal utlzando as equações dos modelos e alou-se em flash que reebe omo almentação uma mstura de roano, n-butano, n- entano e n-hexano om as seguntes omosções: 0,1, 0,2, 0,3 e 0,4. A temeratura e ressão de oeração do sstema é de 95 C e 7 bar resetvamente. Área temáta: Engenhara das Searações e Termodnâma 5

Para a valdação dos ódgos mlementou-se a mesma oluna no smulador Asen Plus e omarou-se os valores obtdos. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Prmeramente utlzando-se as equações de estado (EOS) Peng-Robnson, Redlh- Kwong e Soave-Redlh-Kwong, e o modelo matemáto ara álulo do flash (SSM), determnou-se a fração vaorzada da almentação. Os resultados odem ser observados nas tabela 1. O desvo (erro relatvo) também fo alulado om base na equação 31 a segur, onde V e é o valor dos modelos e V t é o valor do smulador Asen Plus. Ve Vt (%) *100 V t Tabela 1 - Fração de Vaor alulada ara ada EOS Fração de Vaor Códgos Asen Desvo(%) mlementados Plus PR 0,16050 0,160529 0,01807 RK 0,16190 0,164232 1,41994 SRK 0,18430 0,193592 4,79979 (31) Observa-se que os valores obtdos ara a fração de vaor do flash utlzando os três modelos de equação de estado, aresentados na Tabela 1, ossuem um erro menor que 5% quando omarado ao valor do smulador omeral. Sendo o modelo de Peng-Robson o que aresentou o melhor omortamento, o qual o desvo entre os valores fo de aroxmadamente 0,018%. A exlação ara o desvo mas aentuado nos outros dos modelos está no fato de que o modelo de Redlh-Kwong não aresenta bons resultados ara a ressão utlzada, que fo de 7 bar e o róro smulador omeral faz orreções quando o sstema se aresenta em tal ondção (orreções não aladas no ódgo mlementado). Já no aso do modelo de Soave-Redlh-Kwong, exste o segundo arâmetro de nteração entre as substânas e este é dflmente enontrado na lteratura, or sso, utlzou-se o valor de zero ara estes arâmetros no ódgo desenvolvdo, dferentemente do smulador omeral que se utlzou ara valdar os ódgos, o qual ossu um bano de dados nterno om os valores de tas arâmetros nteratvos. Cálulou-se também as omosções de ada um dos omonentes da mstura em ambas as fases líquda e vaor utlzando as dferentes equações de estado, os valores obtdos estão nas Tabelas 2 à 4. Tabela 2 - Comosções da fase líquda e vaor ara a EOS-PR Códgos Asen Plus Desvo(%) mlementados Comosção LIQ VAP LIQ VAP LIQ VAP Proano 0,066561 0,274861 0,066562 0,274863 0,00150 0,00073 N-butano 0,178339 0,313288 0,178336 0,313289 0,00168 0,00032 N-Pentano 0,309620 0,249667 0,309625 0,249669 0,00161 0,00080 N-Hexano 0,445470 0,162176 0,445478 0,162179 0,00180 0,00185 Soma 1 1 1 1 Área temáta: Engenhara das Searações e Termodnâma 6

Tabela 3 - Comosções da fase líquda e vaor ara a EOS-RK Códgos mlementados Asen Plus Desvo(%) Comosção LIQ VAP LIQ VAP LIQ VAP Proano 0,068227 0,276657 0,066102 0,272506 3,2147 1,5232 N-Butano 0,180680 0,320988 0,177856 0,312687 1,5878 2,6547 N-Pentano 0,326892 0,26998 0,309327 0,252536 5,6784 6,9075 N-Hexano 0,424202 0,152375 0,446715 0,162271 5,0396 6,0984 Soma 1 1 1 1 Tabela 4 - Comosções da fase líquda e vaor ara a EOS-SRK Códgos mlementados Asen Plus ERRO(%) Comosção LIQ VAP LIQ VAP LIQ VAP Proano 0,06483 0,27062 0,06355 0,25182 2,0187 7,4659 N-Butano 0,17653 0,31383 0,16923 0,32813 4,3140 4,3585 N-Pentano 0,30993 0,25181 0,31132 0,25284 0,4461 0,4085 N-Hexano 0,44869 0,16372 0,45588 0,16719 1,5780 2,0736 Soma 1 1 1 1 Pelas mesmas razões já exladas ara o aso do álulo da fração vaorzada, os resultados obtdos om o ódgo mlementado da EOS Peng-Robson obtveram os menores desvos se aroxmando muto dos valores do software omeral, onde os mesmos faram em valores róxmos a 0,001%, mostrando uma boa alabldade da modelagem. 5. CONCLUSÃO Pode-se onlur que a utlzação da equação de estado Peng-Robnson junto om o método de substtução suessva ara a resolução de roblemas envolvendo flash tem uma boa aroxmação dos valores reas ara os hdroarbonetos estudados (roano, n-butano, n- entano e n-hexano), obtendo-se desvos de aroxmadamente 0,001 ara as omosções das fases e 0,01% ara o álulo de fração vaorzada. Valendo salentar que o método utlzado nternamente ara a resolução do roblema no software omeral é hamado de método nsde-out, que é muto mas robusto que o modelo mlementado (SSM). As outras equações de estado mlementadas não aresentaram resultados tão bons quando omarado om a de Peng-Robnson rnalmente elas ondções do sstema alado, no aso da equação de Redlh-Kwong, e ela dfuldade de se enontrar alguns arâmetros das substânas uras no aso do modelo de Soave-Redlh-Kwong. 6. REFERÊNCIAS Naj, H.S., Conventonal and rad flash alulatons for the Soave-Redlh-Kwong and Peng- Robnson equatons of state, Emrates Journal for Engneerng Researh, 13 (3), (2008),. 81-91. Área temáta: Engenhara das Searações e Termodnâma 7

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