Simuladores de Processos:
Destilação
Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira
Destilação
Os simuladores de processos da Engenharia Química possuem pacotes capazes de
simular vários processos e operações unitárias. Uma operação unitária bastante
utilizada nesses simuladores é a destilação.
A simulação utilizando a coluna shortcut é útil para obter uma primeira aproximação
do comportamento durante o projeto de uma coluna de destilação, tendo em vista
que não leva em consideração todos os parâmetros envolvidos nas diferentes colunas
de destilação existentes nos processos industriais. Nessa primeira aproximação, é
possível obter as primeiras informações sobre, por exemplo, o número de pratos que a
coluna deverá ter, ou qual a razão de refluxo mínima que poderá ser imposta.
A seguir está apresentado um exemplo de implementação de uma simulação de uma
coluna de destilação (coluna shortcut) no DWSIM.
Destilação
Exemplo 1:
Pretende-se utilizar uma coluna de destilação, para separar uma mistura de cinco
alcanos (C2 a C6). No processo de separação, o propano (C3H8) e o n-butano (C4H10) são
os “compostos chave” (“leve”e “pesado”, respectivamente). A alimentação entra na
coluna com uma vazão molar de 126 mol/s à pressão de 1,72 MPa e 380 K. Pretendese obter no destilado no máximo 2% em mol de n-butano (C4H10) e na corrente de
fundo (resíduo), 2% em mol de propano (C3H8) . Considere, inicialmente, uma razão de
refluxo igual a 5, condensador tipo “Totalcond”, uma pressão no condensador de 1,71
Mpa e no refervedor de 1,74 MPa. Simule:
a) O Refluxo mínimo; b) O número mínimo de estágios; c) o número de estágios para
as condições operacionais do problema; d) A carga térmica no condensador e no
refervedor; e) A vazão molar do fluxo de topo e de fundo; f) as frações molares de
cada componente nos fluxos de topo e de fundo.
Destilação
Representação do problema:
Destilação
Implementação – Etapa de projeto:
1) Adicione todas as espécies químicas envolvidas no sistema em uma nova simulação
no DWSIM. Escolha o pacote de fluidos de Peng-Robinson) e o sistema internacional
de unidades.
2) Adicione uma Coluna Shortcut com as configurações da figura. No fluxo F adicione os
fluxos molares dos componentes, a temperatura e a pressão. Analise os resultados.
Destilação
Resultados:
Destilação
Correção da razão de refluxo: A razão de refluxo de operação (r) é calculada por r=k*rmin,
tendo o utilizador de especificar o parâmetro k. Este parâmetro pode ser otimizado de
acordo com critérios econômicos e sabe-se que habitualmente o seu valor ótimo se situa
entre 1,05 e 1,3, ou seja, a razão de refluxo ótima é tipicamente 5 a 30% acima da
mínima. Aqui vamos considerar k = 1,2. Então, deve-se alterar a razão de reciclo para r=
3,5*1,2 = 4,2, obtendo-se os seguintes resultados:
Destilação
Simulando a coluna de destilação rigorosa (etapa de operação): Partindo da
aproximação obtida pela coluna shortcut, pode-se simular o comportamento da coluna
mais rigorosa. A seguir serão apresentadas, a título de exemplo, a simulação da coluna
de destilação com 23 estágios, fixando-se a razão de refluxo em 4,2 e a vazão do
produto de fundo em 98,4 mol/s de resíduo. Para realizar a simulação pode-se substituir
a coluna shortcut pela coluna rigorosa. Obs. Não é obrigatório realizar a simulação inicial
na coluna shortcut, porém pode facilitar a obtenção de um ponto de operação próximo
ao ideal. Foi adicionado também um aquecedor na entrada da coluna, com a finalidade
de facilitar o ajuste da mesma às condições operacionais da coluna.
Destilação
Coluna de destilação – editor de estágios: estime as pressões em cada estágio por
interpolação.
Destilação
Editor de conexões: Edite as conexões e depois clique em recalcular tudo.
Destilação
Verifique os resultados da simulação.
Observe que as especificações mínimas de 2% de n-butano no destilado e 2% de npropano no resíduo não foram atingidas. Para atingir esses valores mínimos deve-se
alterar as configurações de operação da coluna. Para isso vamos considerar que não seja
possível alterar o número de estágios. Vamos tentar corrigir a temperatura de
alimentação a fim de corrigir a fração molar de n-butano no destilado, que foi a variável
que mais se afastou da condição de ajuste.
Destilação
Correção da temperatura de alimentação: Adicione um ajuste ao fluxograma e selecione
como variável controlada a fração molar de n-butano no destilado e como variável
controlada a temperatura de saída do trocador de calor. Sugere-se um valor de ajuste de
0,019 e uma tolerância de 0,001.
Destilação
Correção da temperatura de alimentação:
Destilação
Correção da temperatura de alimentação: Resultado após o ajuste.
Destilação
Edite os perfis da coluna para verificar as variações de Temperatura, pressão e
composições em cada estágio.
Destilação
Exercício: Considere que seja adicionada uma retirada lateral com o máximo de butano
saindo na fase vapor da coluna do exemplo anterior. Considere um fluxo total de 50
mol/s dessa retirada lateral. Desconsidere, inicialmente, as condições de 2% de butano
no destilado e 2% de propano no resíduo e reduza a corrente de fundo para 48,4 mol/s.
Destilação
Observando a fração do butano na fase líquida nos estágios da coluna, nota-se que a
fração molar máxima de butano na fase líquida ocorre no estágio 20, nesse estágio
teremos o maior fluxo de butano na coluna. Adicione uma corrente de matéria lateral e
a conecte na coluna de destilação
Destilação
Resultados:
Destilação
Ajustando a temperatura de alimentação, obtém-se:
Para otimizar a coluna, deve-se alterar os parâmetros de entrada da coluna e otimizar a
produção dos produtos de interesse, considerando os custos envolvidos.