ÁREA: Tecnologia
TÍTULO: SIMULAÇÃO DA COLUNA COM INTEGRAÇÃO INTERNA DE CALOR (CDIIC) NA SEPARAÇÃO DA MISTURA METANOL-ÀGUA.
AUTORES: J. L. PULIDO (UNICAMP) ; M. R. WOLF (UNICAMP) ; R. MACIEL FILHO (UNICAMP)
RESUMO: As colunas com integração interna de calor (CDIIC) apresentam um grande potencial na diminuição no consumo da energia em processos de destilação. Basicamente, a configuração trata-se de uma coluna concêntrica, onde a seção de retificação trabalha a maior pressão e temperatura, aproveitando-se o calor para ser transferido à seção de esgotamento. Hoje não é uma realidade na indústria, devido à falta de dados experimentais em uma escala suficientemente grande. Neste trabalho estuda-se a configuração da coluna CDIIC para a mistura metanol-água criando estratégias de convergência para o análise do arranjo. Este trabalho apresenta uma nova perspectiva em processos de separação.
PALAVRAS CHAVES: processos de separação, integração de calor, coluna cdiic.
INTRODUÇÃO: Na atualidade é de maior interesse para as industrias químicas e alcoolquímicas projetos que permitam diminuir o consumo de energia, além disso a implementação de novas tecnologias limpas que permitam o menor impacto ao meio ambiente e favoreçam a processos sustentáveis. Hoje uma grande quantidade de pesquisas foi desenvolvida para chegar a novas tecnologias que diminuam o custo de operação e permitam aproveitar a energia presente nos processos.
Este novo conceito de coluna de destilação parte do principio exposto por Mah et al. (1977) no estudo estudo de vaporização e refluxo secundário (SRV) apresentando melhorias na eficiência energética da coluna de destilação, nesta proposta é manipulando o refluxo e as pressões da coluna para o arranjo. A coluna com integração interna de calor “CDIIC” é conhecida na literatura como Heat Integrated Distillation Column (HIDiC) para efeitos do presente trabalho é descrita como coluna CDIIC.
O conceito de coluna CDIIC introduzido por Mah et al. permitiu o desenvolvimento do conceito de aproveitamento de calor. O trabalho de Nakaiwa et al. (1997), foi um dos primeiros estudos em relação ao aproveitamento do calor da seção de retificação, incluindo na configuração da coluna um compressor e uma válvula para o ajuste e aumento da pressão e os fluxos, este novo arranjo permite diminuir o consumo energético do refervedor.
No presente trabalho se estudo a coluna CDIIC, com o objeto de estabelecer parâmetros que permitam conhecer o comportamento da coluna pelo meio do software comercial Aspen Plus. Os resultados obtidos apresentam diminuição do consumo energético da coluna CDIIC comparado com a coluna convencional. A coluna CDIIC apresenta uma grande perspectiva na diminuição do consumo de energia em processos de destilação.
MATERIAL E MÉTODOS: Para o desenvolvimento da coluna CDIIC é de grande importância o estudo de configurações de coluna que permitam conhecer e ter mais certeza do comportamento desta configuração e sua geometria. No presente estudo, foi simulada uma aproximação da coluna CDIIC fazendo uso do software Aspen Plus e criando estratégias de convergência que permitem avaliar o arranjo interno e as possibilidades de troca de calor.
Para a simulação se estabeleceram condições de equilíbrio e convergencia. A análise do comportamento da transferência de calor é planejado para troca de correntes de calor prato a prato ao longo da coluna. A simulação foi desenvolvida para condições de convergência com alimentação equimolar. O conceito de bomba de calor é incluído para manter as condições de operação pelo meio de um compressor e uma válvula. No presente trabalho se estudo a mistura equimolar metanol-água, sendo uma mistura que não apresenta complicações para o análise da simulação. As simulações desenvolvidas de coluna CDIIC foram modelos aproximados devido a que os simuladores convencionais não contem esta configuração dentro da base de dados como operação unitaria. Pulido e wolf. (2008), estudaram diferentes configurações de transferência de coluna CDIIC apresentando resultados na diminuição do consumo energético com respeito à convencional.
Para o desenvolvimento do projeto da coluna com integração de calor, foram estudadas as condições de operação e simuladas na plataforma comercial Aspen Plus, a modelagem de coluna de destilação com integração interna de calor foi feito mantendo o conceito de desenho concêntrico estabelecendo configurações na seção de retificação e esgotamento.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Os resultados obtidos das simulações de coluna CDIIC são obtidos pelo meio da variação na interconexão térmica entre as duas seções, o numero de pratos foi estabelecido pelo meio de métodos short cut, a transferência de calor é simplificada nos estágios onde os platôs não têm contato.
A compressão do vapor na entrada da seção de retificação permite o aumento da temperatura do vapor, isto aumenta o fluxo e as taxas de vapor na seção. Nas configurações de coluna CDIIC apresentaram resultados favoráveis na convergência e obtenção de dados o que favorece na obtenção de resultados da configuração. Para a obtenção dos dados de equilíbrio liquido-vapor, foi utilizado o modelo NRTL e o desenvolvimento da simulação foi estabelecido para o equilíbrio entre pratos, operando em estado estacionário e sem perdas de pressão nas seções. O calor é transferido da seção de retificação para a seção de esgotamento prato a prato ao longo da coluna, pelo meio de correntes de calor constantes.Os resultados obtidos da simulação são apresentados seguidamente:
ITEM RESULTADO
Número de Pratos por seção 11
Pressão Retificação 0.2022(MPa)
Pressão Esgotamento 0.1013(MPa)
Q Refervedor 928,270534(KW)
Q Condensador -1323,1564(KW)
Fração de Metanol no topo 0.82
Fração de Água no fundo 0,98
Observou-se que separações de misturas com pontos de ebulição cercanos, a coluna CDIIC apresenta uma recuperação semelhante à coluna convencional, diminuindo o consumo de energia necessário para a separação. A configuração da coluna CDIIC favorece a separação de misturas com pontos de ebulição muito próximos devido à diferença de pressão entre as duas seções.
CONCLUSÕES: A separação da mistura metanol-água é de grande importância na indústria esta separação apresenta grandes possibilidade de separação na coluna CDIIC diminuindo a carga energetica e a altura comparada com o projeto convencional.
A transferência de calor da seção de retificação para a seção de esgotamento permite diminuir o consumo de energia do refervedor. A coluna CDIIC se encontra limitada pela energia requerida no compressor para o aumento da pressão na seção de retificação o qual é de grande importâcia para estudos posteriores.
AGRADECIMENTOS: Os autores reconhecem o apoio financeiro da FAPESP e os laboratórios LDPS e LOPCA da Universidade Estadual de Campinas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: MAH, R.; NICHOLAS, J.J.; WODNIK, R. B. Distillation with secondary reflux and vaporization, a comparative evaluation. AIChE J. 23,651-658, 1977.
NAKAIWA, M.; HUANG, K.; OWA, M.; AKIYA, T.; NAKANE, T.; SATO, M.; TAKAMATSU, T. Energy savings in heat-integrated distillation columns. Energy. 22(6), 621-625, 1997.
PULIDO, J. L. Estudio de u nuevo concepto de columna de destilación: columna de destilación con integración interna de calor ´HIDiC`. Universidad Industrial de Santander. Tesis de grado de ingeniero químico. 2008.
