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Pensando nisto, neste trabalho foi realizado um estudo no simulador iiSE, de uma coluna de destilação, inserida no processo de produção de compostos aromáticos, ...
Tipologia: Notas de aula
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SIMULAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE UMA TORRE DE
DESTILAÇÃO DA UNIDADE DE PGH VISANDO REDUÇÃO DO
Beck, Bianca Lopes. Simulação e Otimização de uma torre de destilação da Unidade de PGH visando redução do consumo energético / Bianca Lopes Beck. -- 2021. 42 f. Orientador: Rafael de Pelegrini Soares, D.Sc. Trabalho (Conclusão de curso) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Departamento de Engenharia Química, Porto Alegre, BR-RS, 2021.
destilação, modelos termodinâmicos, simulação, otimização energética. I. Soares, Rafael de Pelegrini., orient. II. Título.
Agradeço aos meus pais, Lourdes e Wilson, e ao meu irmão Gabriel, por todo amor, carinho, apoio e incentivo ao longo da minha trajetória, por nunca medirem esforços para que eu chegasse até aqui e que mesmo de longe, sempre estiveram presentes.
Aos meus amigos que me acompanham desde o ensino médio pelo companhei- rismo, em especial ao Eduardo, à Tainá, à Nadine e ao Leonhard por serem minha família em Porto Alegre. As amizades que fiz durante o curso, em especial à Natália, à Alessandra, à Mônia, à Sabrina, à Luana e à Bárbara, por deixarem os semestres mais leves e felizes.
À equipe de Aromáticos da Braskem por me proporcionarem um ambiente de muito aprendizado e crescimento durante meu estágio. Em especial ao Iuri, ao Ro- ger e à Bruna pelo apoio na realização deste trabalho.
À UFRGS, à Escola de Engenharia, ao Departamento de Engenharia Química, a todos os professores por proporcionarem um ensino de qualidade. Em especial ao professor Rafael por toda orientação neste trabalho.
A todos aqueles com quem convivi ao longo desses anos de curso e que me incen- tivaram.
Muito obrigada!
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Colunas de destilação são predominantes nas indústrias químicas e petroquímicas para a separação de misturas. Elas garantem grandes volumes de produção, mas são responsáveis por mais de 50% do custo operacional. Pensando nisto, neste trabalho foi realizado um estudo no simulador iiSE, de uma coluna de destilação, inserida no processo de produção de compostos aromáticos, com o objetivo de diminuir o gasto energético. A coluna estudada separa gases leves e gás ácido do corte C6-C8 Bihidro- genado. Após avaliação dos dados do processo, o conjunto termodinâmico escolhido foi a equação de estado de Peng Robinson e a regra de mistura de van der Waals, os quais foram validados com os dados reais do processo. A partir disso, foram verifica- das as restrições operacionais e de qualidade do processo e pôde-se avaliar o impacto da razão de refluxo e da pressão de operação da coluna. Os dados da simulação mos- traram uma oportunidade de redução de 28% do calor do refervedor da coluna, apenas com a diminuição da razão de refluxo, mantendo todos os produtos especificados. Para uma redução ainda maior, é necessário mudar a pressão de operação da coluna, che- gando em uma redução de 42%, representando uma diferença de 968,8 kW de energia. Em compensação, neste caso é preciso de um sistema de resfriamento mais eficiente e a instalação de uma bomba no fundo da coluna com um gasto de energia de 18,5 kW.
Palavras-chave: destilação, modelos termodinâmicos, simulação, otimização energé- tica.
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Figura 1.1 Configuração típica de uma coluna de destilação. Fonte: (WHITE, 2012)...................................... 2
Figura 2.1 Rede de reações para o 1,7-octadieno................... 4 Figura 2.2 Reação de dessulfurização......................... 4 Figura 2.3 Fluxograma de processo do 2° estágio de reação. Fonte: (DERRIEN, 1986)...................................... 6
Figura 3.1 Diagrama de fases para mistura Benzeno(1)/Sulfeto de Hidrogê- nio(2), T= 422 K................................ 16 Figura 3.2 Diagrama de fases para mistura Benzeno(1)/Etilbenzeno(2), P= 1atm. 16 Figura 3.3 Diagrama de fases para mistura Tolueno(1)/N-hexano(2), T = 313, K........................................ 16 Figura 3.4 Diagrama de processo da simulação da coluna estabilizadora no iiSE 17 Figura 3.5 Composição mássica da corrente de fundo e de topo da coluna esta- bilizadora................................... 18 Figura 3.6 Comparação do perfil de temperatura da torre.............. 20 Figura 3.7 Otimização do calor do refervedor alterando a razão de refluxo. Fun- ção objetivo em Watts............................ 22
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Tabela 2.1 Fração mássica da Gasolina de Pirólise nos processos de Hidrogena- ção. Fonte:(FARIA, 2011).......................... 5 Tabela 2.2 Parâmetros Atrr para algumas equações de estado cúbica. Fonte:(KORETSKY, 2007).......................... 9
Tabela 3.1 Composição representativa da corrente de entrada........... 14 Tabela 3.2 Dados utilizados para a simulação da coluna estabilizadora...... 15 Tabela 3.3 Composição mássica das correntes (dados reais vs dados simulados. 19 Tabela 3.4 Resultados da simulação para o Q retirado no condensador e o Q cedido no refervedor............................. 20 Tabela 3.5 Resultado obtido para o calor do refervedor com R = 5,4........ 22 Tabela 3.6 Resultados obtidos das variáveis para a minimização do consumo de vapor...................................... 23 Tabela 3.7 Resultados obtidos das variáveis para a minimização do consumo de vapor com restrição da temperatura de topo............... 24
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∆T Diferença entre as temperatura K
γi Coeficiente de atividade do componente i na mistura −
φ^ ˆli Coeficiente de fugacidade i em uma mistura na fase líquida −
φ^ ˆvi Coeficiente de fugacidade i em uma mistura na fase vapor −
φ^ ˆi Coeficiente de fugacidade i em uma mistura −
f^ ˆi◦^ Fugacidade da espécie i em uma mistura na referência Pa
fˆil Fugacidade da espécie i em uma mistura na fase líquida Pa
fˆiid Fugacidade da espécie i em uma solução ideal Pa
fˆi Fugacidade da espécie i em uma mistura Pa
a Parâmetros das equações cúbicas de estado −
Atrr Parâmetros das equações cúbicas de estado −
b Parâmetro de covolume das equações cúbicas de estado −
fi Fugacidade da espécie i pura Pa
gE^ Energia de Gibbs em excesso da solução J mol−^1
kij Parâmetro de interação binária entre as substânicas i e j
P Pressão kgf/cm^2
Q Calor desprendido por tempo J h−^1
R Constante dos gases 8 ,314 J mol−^1 K
T Temperatura absoluta K
v Volume molar m^3 /mol
xi Fração molar da espécie i na fase líquida −
xi
yi Fração molar da espécie i na fase vapor −
Sobrescritos
◦ Referência
E Propriedade em excesso
l Fase líquida
v Fase vapor
Siglas
BTX Benzeno,Tolueno e Xilenos
COSMO-SAC COnductor-like Screening MOdel Segment Activity Coefficient
ELV Equlíbrio Líquido-Vapor
EOS Equações de Estado Cúbicas
GPB Gasolina de Pirólise Bruta
H2S Sulfeto de Hidrogênio
iiSE Industrial Integrated Simulation Environment
NRTL Non-Random Two Liquid
PGH Hidrogenação de Gasolina de Pirólise
PR Peng-Robinson
PSRK Predictive Soave-Redlich-Kwong
PvT Pressão, volume e Temperatura
RK Redlich-Kwong
SCMR Self-Consistent Mixing Rule
SRK Soave-Redlich-Kwong
UNIFAC UNIQUAC Functional-group Activity Coefficient
vdW van der Waals
1.1 Motivação e Objetivo
Na unidade industrial em estudo, a corrente de GPB passa por duas seções de reação e por colunas de destilação. Ao final deste processo é obtido o corte denomi- nado C6-C8 Bihidrogenado, do qual posteriormente será extraído a corrente de BTX.
Este trabalho tem como objetivo fazer a simulação e otimização de uma torre de destilação que separa o corte C6-C8 Bihidrogenado de gases leves. A coluna a ser estudada possui uma configuração similar ao apresentado na Figura 1.1. No sistema da figura, com vazão e pressão constantes, as principais variáveis controladas são o refervedor e a taxa de refluxo. Assim, a partir de mudanças dos pontos de operação se pretende ter ganhos energéticos, reduzindo o consumo de vapor.
FIGURA 1.1. Configuração típica de uma coluna de destilação. Fonte: (WHITE, 2012).
1.2 Estrutura do trabalho
O trabalho esta dividido em 4 capítulos. No primeiro deles foi apresentado uma breve introdução ao tema e o objetivo proposto. O capítulo 2 contém a revisão biblio- gráfica sobre os assuntos estudados, como o processo produtivo, destilação e modelos termodinâmicos. No capítulo 3 é descrita a metodologia e software utilizados para o desenvolvimento do trabalho, além dos resultados obtidos e discussões. Por fim, no capítulo 4, são apresentadas as conclusões e propostas para trabalhos futuros.
A Gasolina de Pirólise Bruta (GPB) é uma mistura de hidrocarbonetos entre 5 e 11 carbonos, que contém compostos aromáticos, naftênicos, olefínicos e parafínicos (ROJAS; ZEPPIERI, 2014). Diversos compostos insaturados desta corrente são instá- veis e necessitam ser hidrogenados para posteriormente obter-se solventes de interesse comercial, como BTX (DERRIEN, 1986). A hidrogenação é realizada através de dois es- tágios de reação, esta unidade é chamada de Hidrogenação de Gasolina de Pirólise (PGH ou DPG) e o processo pode ter algumas variantes dependendo da tecnologia de referência.
No primeiro estágio de reação ocorre a hidrogenação seletiva em fase líquida, com o objetivo de eliminar componentes que tendem a polimerizar e formar gomas nos processos posteriores, como as diolefinas e os alquenilaromáticos. Após passar pelo reator o processo pode ser integrado, e o efluente do reator ser enviado para o segundo estágio de reação, ou pode possuir fracionamentos intermediários que sepa- ram a corrente nas frações de interesse. A principal delas é o corte que possui entre 6 e 8 carbonos em sua maioria, denominada C6-C8 Monohidrogenado, o qual é enviado para o segundo estágio de reação.
Nesse trabalho será dado enfoque maior ao segundo estágio de reação, pois após a etapa de reação está localizada a torre de destilação a ser estudada. Este estágio de re-
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estágio ocorre a hidrogenação principalmente das diolefinas e estireno e no segundo estágio das diolefinas e estireno residuais, olefinas e compostos sulfurados.
TABELA 2.1. Fração mássica da Gasolina de Pirólise nos processos de Hidrogenação. Fonte:(FARIA, 2011).
Composição GPB Após 1° estágio de reação Após 2° estágio de reação Diolefinas e Estireno 10,6 0,3 0 Olefinas 3,0 2,4 0 Benzeno 43,7 43,7 43, Tolueno 21,7 21,7 21, Xilenos e Etilbenzeno 11,3 11,3 11, Enxofre total (ppm) 150 145 0, Enxofre tiofênico (ppm) 120 120 0,
O fluxo do processo do segundo estágio está representado de forma simplificada na Figura 2.3. A figura representa os dois estágios de reação integrados, no qual o efluente do reator é misturado com a corrente de gás hidrogênio e são pré-aquecidos em trocadores de calor e depois aquecidos no forno, o qual controla a temperatura do reator. As reações ocorrem em fase vapor, com temperatura de entrada acima de 230°C (no reator as temperaturas são mais elevadas em comparação com o primeiro estágio de reação). O efluente do reator é resfriado em trocadores de calor e enviado para um vaso de flash. A fase vapor do vaso é purgada para a rede de gás combustível e o líquido (C6-C8 Bihidrogenado) alimenta a coluna estabilizadora.
A coluna estabilizadora possui o objetivo de eliminar do corte C6-C8 Bihidroge- nado o gás ácido (H 2 S) e outros compostos leves. No processo estudado, o produto de fundo deve possuir teor de enxofre menor que 1 ppm e é enviado para os tanques de armazenamento por diferencial de pressão, o que determina a pressão de operação da coluna.
De acordo com Faria (2011), existem diversos trabalhos na literatura que abor- dam o estudo das reações do primeiro e segundo estágio, visando o desenvolvimento de novos catalisadores, seletividade das reações de hidrogenação e estudo da cinética das reações. Diferentemente das condições de operação e consumo energético das tor- res de destilação envolvidas no processo, que possuem poucos estudos.
FIGURA 2.3. Fluxograma de processo do 2° estágio de reação. Fonte: (DERRIEN, 1986).
2.2 Processo de Destilação
Destilação é o método de separação de misturas mais utilizado nas indústrias químicas e petroquímicas, sendo responsável por mais de 90 % das separações indus- triais (GORAK; SORENSEN, 2014). Este método é baseado no aquecimento da mis- tura, formando uma fase líquida e outra fase vapor que fluem em contracorrente entre si, permitindo a transferência de calor e massa entre as fases em equilíbrio. Assim, a se- paração ocorre de acordo com a volatilidade relativa entre os componentes da mistura, que indica a tendência de cada componente vaporizar.
Em geral, os componentes da mistura estão nas duas fases em equilíbrio, mas em quantidades relativas diferentes, sendo que o líquido esta no seu ponto de bolha e o vapor que está no seu ponto de orvalho. Os componentes se dividem nas fases de acordo com as suas volatilidades e, no final, os mais voláteis se concentram no vapor (corrente de topo da coluna) e os menos voláteis no líquido (corrente de fundo da coluna) (FOUST, 1982).
A energia necessária para aquecer a mistura entra no sistema através de um re- fervedor, o qual é responsável por evaporar a corrente de fundo que volta ao sistema.
