TORRE DE EXTRAÇÃO - SIMULAÇÃO

Prévia do material em texto

PERCENTUAL DE PARTICIPAÇÃO: 
 
Emily de Souza Leal – 100% 
Isabela Nogueira Marques Ribeiro – 100% 
Victor Hugo de Almeida Fortes Gregorio – 100% 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Universidade Salvador – UNIFACS 
Escola de Arquitetura, Engenharia e TI 
Curso: Engenharia Química 
Professora: Mariana Murari 
Disciplina: Simulação de Processos 
Período: 2018.2 
 
 
 
 
 
 
Simulação de uma coluna de extração líquido-líquido utilizando 
ASPEN PLUS V8.8 
 
Emily de Souza Leal 
Isabela Nogueira Marques Ribeiro 
Victor Hugo de Almeida Fortes Gregorio 
 
 
 
 
 
 
Salvador, Bahia 
07 de Novembro de 2018 
 
 
 
 
 
 
 
 
Simulação de uma coluna de extração líquido-líquido utilizando 
ASPEN PLUS V8.8 
 
Emily de Souza Leal 
 Isabela Nogueira Marques Ribeiro 
Victor Hugo de Almeida Fortes Gregorio 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Salvador, Bahia 
07 de Novembro de 2018 
Trabalho de simulação de uma torre de extração 
apresentado à disciplina Simulação de Processos, 
do curso de graduação em engenharia química da 
Universidade Salvador - UNIFACS, como critério 
parcial para obtenção da nota referente à 2ª 
avaliação. 
Orientadora: Mariana Murari 
1. INTRODUÇÃO 
O processo de extração consiste em uma operação de separação de um ou mais 
componentes com base na diferença de solubilidade. Essa separação ocorre quando duas 
fases de composições distintas são colocadas em contato e assim pode ocorrer a 
transferência de uma fase a outra e vice-versa, até atingir o equilíbrio. Dentre os diferentes 
tipos de extração (sólido-líquido, líquido-líquido e supercrítica), o presente estudo de caso 
se refere à extração líquido-líquido, na qual separa-se os componentes de uma mistura 
homogênea pela adição de uma segunda fase (solvente orgânico ou inorgânico), imiscível 
ou parcialmente miscível à solução original. Dessa forma, os diferentes componentes da 
mistura se distribuem entre as duas fases, conforme as condições de equilíbrio do sistema. 
Ao passo que os componentes são extraídos da mistura inicial, a fase rica em 
solvente que recebe o soluto se transforma em extrato e a fase original, com menos 
solvente e na qual se encontra extraído o soluto, se transforma em refinado. Sendo assim, 
o soluto é o único transferido da solução original para a fase do solvente. 
Opta-se geralmente pelo processo de extração quando não se é viável a destilação, 
o que pode ser devido a proximidade das volatilidades dos componentes e ao maior gasto 
de energia que ocorre na destilação. 
 
1.1 Escolha do Solvente 
 
Com relação ao solvente a ser utilizado na extração, há critérios para sua escolha. 
Esses critérios estão divididos em classes, cada um com sua importância relativa para seu 
processo. As classes são representadas a seguir. 
Separabilidade do solvente: O solvente deve ser capaz de provocar a formação 
de uma fase separada da fase rica, além de desagregar facilmente dessa fase. Para isso, 
cinco critérios estão relacionados com esta capacidade, como: 
• Solubilidade, onde o solvente precisa ser o mais miscível possível para ter 
uma maior afinidade com o soluto e não para o diluente; 
• Densidade, onde os valores devem ser distintos para os solventes e 
diluente, facilitando a separação das fases formadas por decantação; 
• Tensão interfacial, na qual o refinado ou extrato tem que obter um elevado 
valor para provocar o rápido coalescimento das gotas formadas; 
• Estabilidade e reatividade química, em que o solvente não pode reagir com 
as substâncias do sistema; 
• Viscosidade, que apresenta um favorecimento para transferência de 
matéria com baixas viscosidades. 
 
Performance do solvente: Representa a capacidade do solvente extrair o 
composto (soluto) da carga. Três fatores são importantes: 
• Coeficiente de distribuição do soluto nas fases: relação da concentração 
do soluto na fase extrato para a da fase refinado e indica a tendência de 
distribuição do soluto nas fases. Se for superior a 1, melhor a recuperação 
do solvente. 
• Seletividade: capacidade de o solvente extrair o soluto sem extrair o 
diluente. 
• Capacidade: quantidade de solvente necessário para tratar a carga. Em 
menores quantidades obtém-se melhor extração em termos de processo e 
de custo. 
 
Aceitabilidade do sistema: Outros processos que afetam o custo do processo e 
operação, como: corrosividade, pressão de vapor (melhor que sejam menores), 
inflamabilidade e toxicidade, recuperabilidade, além de custo e disponibilidade. 
 
1.2 Equipamentos utilizados no processo de extração 
 
Uma torre de extração necessita de um número de estágio de equilíbrio, e quanto 
mais estágios, maior a extração. Os equipamentos utilizados numa torre de extração são 
semelhantes a uma torre de destilação. Os principais equipamentos são: 
• Torre de dispersão: Essa torre é considerada a mais simples, uma vez que 
não possui equipamentos no seu interior para aumentar a área de contato. 
Geralmente utiliza essa torre quando uma das fases possui uma elevada 
densidade; 
• Torre de recheios: Também conhecida como colunas com contato 
contínuo por possuir recheios no seu interior, que são capazes de aumentar 
o contato do soluto e solvente. Nas colunas com recheio a eficiência é 
maior, tornando-se mais econômica. Porém, possuem perdas de carga 
muito alta e ocorre a formação de caminhos preferenciais prejudicando a 
eficiência da torre; 
• Torre com pratos: É a responsável pela separação das fases com a 
agitação da mistura obtida somente com o contato entre o soluto e solvente 
no interior da coluna. São chamadas como colunas com contatos em 
estágios. 
• Torre agitada ou com discos rotativos (RDC): Os discos são utilizados 
em torres de extração mais modernas para aumentar a eficiência do contato 
entre o soluto e solvente e garantir maior rendimento e produtos com 
melhor qualidade. 
 
1.3 Fatores que influenciam na extração 
 
Relação solvente/carga: Esta relação é proporcional a sua eficiência no processo 
de extração. Contudo, uma maior concentração de solvente na solução irá aumentar o 
potencial de transferência de massa do soluto para a fase líquida do solvente, como 
consequência ocorrerá a formação do extrato. 
Qualidade do solvente: Ao final da extração, quando o solvente é recuperado, 
quanto menor a quantidade de soluto ao retornar para a torre de extração, melhor será a 
extração, pois sua composição estará mais afastada da composição de equilíbrio com a 
carga e maior será a transferência de soluto da fase da solução (carga) para a fase solvente. 
Temperatura: Ambas as fases possuem uma boa solubilidade que aumenta com a 
elevação da temperatura, logo a composição de ambas as fases que estão em equilíbrio 
muda, variando a temperatura. Isto pode influenciar de forma negativa na finalidade da 
extração. Portanto, sempre devemos operar com temperaturas recomendadas para o 
processo de extração, para que não ocorra a dissolução de parte ou até mesmo de todo o 
solvente na carga ou vice-versa, impedindo a separação das duas fases líquidas. 
 
1.4 Modo operacional 
 
O modo operacional das colunas de extração pode ser classificado, destacando as 
condições que serão adotadas para o processo, de acordo com o sentido da corrente e 
números de etapas. Sendo classificado da seguinte forma: 
• Sentido das Correntes: Co-corrente, Contracorrente e Corrente cruzada. 
• Número de Etapas: Única etapa e múltiplo estágio. 
 
1.4.1 Sentido das correntes 
 
Co-corrente:corrente que segue a mesma direção que outra, que corre ou escoa 
no mesmo sentido. Utilizado quando o soluto tem boa afinidade com o solvente extrator, 
necessitando de pouco tempo de contato. 
Contracorrente: corrente que flui junto a uma outra corrente, porém em sentido 
oposto, corrente que segue direção oposta à corrente principal. Arranjos eficientes, 
alimentação entra em contato várias vezes com o solvente extrator, solvente extrator puro 
introduzido em uma das extremidades, entra em contato com penúltimo refinado, 
utilizado para maiores tempos de contato entre soluto e solvente extrator, aumento de 
tempo de contato favorece transferência de massa, sistemas múltiplos estágios, produto 
com elevada concentração. 
Corrente cruzada: também denominada extração por contato múltiplo com 
solvente, solvente puro tem contato continuamente com alimentação, na qual soluto é 
progressivamente removido, refinado altamente purificado, extrato rico em soluto 
(componente de interesse). Desvantagem: uso excessivo de solvente, consequentemente 
possui um alto custo. 
 
1.4.2 Número de Etapas 
 
Único estágio possui uma única etapa, porém múltiplos estágios pode ser uma 
única torre com diferentes sessões ou podem ser várias torres pequenas de uma única 
sessão. Contudo, a quantidade de estágios irá depender do nível de pureza que se quer 
alcançar. 
 
2. OBJETIVO 
 
Simulação de uma coluna de extração através do simulador Aspen Plus V8.8 e 
apresentado em forma de tutorial de acordo com o estudo de caso escolhido, com 
finalidade de entender os princípios da simulação e modelagem do equipamento. E 
conseguinte avaliar os resultados obtidos, baseando-se nos modelos termodinâmicos 
apresentados. 
 
3. METODOLOGIA 
Como ferramenta para a simulação foi utilizado o software Aspen Plus, frente a 
seu renome e ampla gama de soluções para indústria e processos de engenharia em geral, 
sendo um programa de fácil compreensão, permitindo rápida análise e dimensionamento 
de forma a avaliar as melhores condições e eficiência para o processo. Apresenta uma 
ampla variedade de tarefas de engenharia química, entre eles as descrições de 
propriedades termodinâmicas de uma mistura de substâncias, permitindo a análise do 
comportamento de equipamentos específicos ou de uma unidade petroquímica em estado 
estacionário. 
3.1 MODELO TERMODINÂMICO 
De forma que a simulação apresente comportamentos paralelos com a realidade, 
deve ser utilizado um modelo termodinâmico que mais se adeque ao sistema que fora 
proposto. Para a simulação de processos, além das variáveis de entrada do sistema 
estudado é necessário o conhecimento das sustâncias presentes no mesmo, permitindo a 
definição do modelo termodinâmico a ser utilizado. 
A termodinâmica de um sistema apresenta grande importância no processo de 
simulação de um sistema em estudo, fornecendo informações teóricas necessárias para 
compreender e calcular as propriedades físico-químicas de substâncias químicas. Como 
um método que apresenta maiores vantagens econômicas, maior semelhança com a 
realidade e fácil solução, é preferível o cálculo dos dados de equilíbrio a partir as 
informações das substâncias e comportamento de sua mistura. 
Frente a maior necessidade de precisão nas propriedades líquidas de uma mistura 
foi escolhido um modelo que melhor representam as mesmas, por desconsiderar a pressão 
para base de cálculo, estando em função da temperatura e composição do sistema. 
O modelo UNIFAC, amplamente utilizado para calcular os coeficientes de 
atividade em sistemas multicomponentes pressupõe que a mistura líquida consiste de uma 
solução de unidades estruturais que fazem parte da constituição molecular, não 
considerando as mesmas como sendo uma mistura destas moléculas. As vantagens da 
utilização do UNIFAC consistem em utilizar uma ampla base de dados de forma a ajustar 
a temperatura requerida como parâmetro dos grupos de interação para equilíbrio líquido-
líquido, líquido-vapor, entalpia de excesso e gama infinito. 
O método UNIFAC admite que o coeficiente de atividade do componente i de uma 
mistura líquida resulta de duas contribuições: uma contribuição combinatória (ou 
contribuição entrópica) e uma contribuição residual: 
 
 ln 𝑦𝑖
𝐶 + ln 𝑦𝑖
𝑅 (1) 
 
 𝛹𝑛𝑚 = exp⁡(−⁡
𝑎𝑛𝑚
𝑇⁄ ) (2) 
 
Apesar de muito utilizado, o modelo apresenta diversas limitações, como exemplo 
é possível citar a dificuldade em diferenciar alguns isômeros, não incluir componentes 
supercríticos e gases não condensáveis, desconsiderando efeitos de proximidade, o que 
acaba diferenciando os parâmetros utilizados no equilíbrio líquido- líquido e líquido-gás, 
que acaba ocasionando a necessidade de constantes modificações no mesmo. 
 
4. ESTUDO DE CASO 
Realizar a separação de n-heptano e benzeno, através da utilização de uma coluna 
de extração, tendo o dimetilformamida e água como solventes. Na alimentação, a corrente 
de carga entra a uma pressão de 20 psia, a uma temperatura de 20ºC e fluxo de 300 lbmol/h 
de n-heptano e 100 lbmol/h de benzeno. A corrente do solvente corresponde a 750 lbmol/h 
de dimetilformamida e 250 lbmol/h de água, nas mesmas condições de temperatura e 
pressão da alimentação de carga. 
Deseja-se analisar a influência do número de pratos e da temperatura para o 
sistema, para definir qual a melhor eficiência para o sistema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
De acordo com o estudo de caso, em seguida pretende-se analisar quais as 
melhores mudanças realizadas para verificar a melhor eficiência do sistema, através da 
modificação de duas condições que são parâmetros que influenciam na extração. Desta 
forma, realizou-se mais duas simulações, a primeira modificando a temperatura da 
corrente de entrada para 50º C e a segunda modificando a quantidade de estágios para 10 
estágios de separação. 
 
5. TUTORIAL 
Para realizar a simulação do estudo de caso apresentado utilizou-se a ferramenta 
Aspen Plus V8.8 seguindo os seguintes passos: 
1º Passo: Ao abrir o programa aparece uma janela para iniciar, clica-se em “New” 
e em seguida aparecerá outra janela para criar uma nova simulação, então clica-se em 
Alimentação 
Extrato 
Rafinado 
Solventes 
N-heptano 300 lbmol/h 
Benzeno 100 lbmol/h 
Dimetil-formamida 750 lbmol/h 
Água 250 lbmol/h 
1 
5 
“Create”. 
 
 
2º Passo: Selecionar todas as substâncias químicas envolvidas no sistema e inserir no 
simulador. Inicialmente seleciona em “Components”, a opção “Find” para buscar a 
substância desejada. 
 
 
 
3º Passo: Depois de inserir os componentes é necessário fazer a escolha do modelo 
termodinâmico adequado. Clica em “Methods”, e em seguida escolhe o modelo na opção 
“Method name”, no caso é selecionado UNIFAC, de acordo com o estudo de caso 
apresentado que se trata de uma mistura binária e deseja-se realizar a extração líquido-
líquido considerando as interações moleculares. 
 
4º Passo: Nesta etapa temos que selecionar as unidades que serão trabalhadas no Aspen. 
Altera-se a unidade de medida padrão “METCBAR” para unidade inglesa “ENG”. Clica 
em “Setup”, em seguida em “Specifications” e em seguida em “Global unit set” muda de 
“METCBAR” para “ENG”. 
 
5º Passo: Para obter o diagrama ternário, primeiro clica em “Ternary Diag”, em seguida 
irá aparecer uma aba em que clica-se em “Continue to Aspen Plus Ternary Diag”, logo 
depois faz as mudanças necessárias, acrescentando os componentes, a temperatura, a 
pressão de acordo com as imagens abaixo. 
 
 
 
 
6º Passo: Nasimulação iremos escolher o tipo de coluna de extração utilizada no estudo. 
Clica na opção “Simulation” em que aparece a aba “MainFlowsheet”. Para escolher a 
coluna utilizada, deve clicar na aba “Columns” e selecionar o modelo “Extract”. 
 
 
7º Passo: Nesta etapa ocorre a determinação das correntes. Clique sobre a opção 
“Material” e depois adicione as correntes à coluna de extração. As correntes são 
adicionadas nas setas vermelhas. Em seguida é só renomear a coluna e as correntes. 
 
 
8º Passo: Nesta etapa é necessário configurar os dados das correntes e da torre de extração. 
Para mudar os dados da corrente “F” é necessário clicar duas vezes sobre sua linha e 
assim vai abrir uma aba de nome “F(MATERIAL), você irá mudar os dados de 
temperatura, pressão, vazão molar e fração dos componentes, como nas imagens abaixo. 
Esta etapa também será seguida para a corrente “S”. 
 
 
 
 
9º Passo: Nesta etapa serão feitas as modificações dos dados da coluna de extração. Clica-
se na coluna duas vezes para adicionar tais dados referente ao número de estágios, 
componentes que irão para o rafinado e extrato, estágio para correntes de alimentação e 
solvente e pressão. 
 
 
 
 
 
 
 
10º Passo: Para obter os resultados, deve-se clicar no comando “ContolPanel”, e em 
seguida clicar na seta nomeada de “Run” para o programa simular, se não ocorrer erros, 
irá aparecer a seguinte mensagem. 
 
11º Passo: Para analisar os resultados obtidos vai na aba “Results Summary” e em seguida 
em “Streams”. 
 
12º Passo: Para analisar os resultados referente a composição, temperatura e estágios, 
deve-se clicar na aba “Blocks” e em seguida clicar em “EXTCOL” e “Profiles”. 
 
13º Passo: Para analisar o processo mudando a temperatura da corrente de entrada F e S 
para 50ºC. Clica-se duas vezes na corrente e altera a temperatura de entrada de 20ºC para 
50ºC, realizar procedimento nas duas correntes de entrada. 
 
 
 
 
14º Passo: Nesta etapa deve-se também trocar a temperatura da torre de extração. Clica 
duas vezes na coluna de extração e aperta em “Estimates” no lado esquerdo da tela e muda 
a temperatura para 50º C. Em seguida deve-se clicar em “Run” na parte superior da janela 
para poder rodar a simulação novamente com os novos dados inseridos. E em seguida 
clicar em “Results Summary” e depois em “Streams” para analisar os resultados obtidos. 
 
 
 
15º Passo: Após analisar a influência da temperatura, deve-se analisar a influência do 
número de pratos, em que inicialmente altera-se novamente a temperatura inicial do 
sistema para 20ºC, tanto nas correntes quanto na coluna de extração, modificando de 50ºC 
para 20ºC. Além disso deve-se modificar o número de pratos da coluna de extração de 5 
pratos para 10 pratos. E por fim clicar em “Run” para rodar a simulação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
16º Passo: Para analisar os resultados com a mudança do número de pratos deve-se clicar 
em “Results Summary” e em seguidas clicar em “Streams”. 
 
 
6. CONCLUSÕES 
 
Através dos resultados obtidos foi possível verificar a variação na obtenção do 
benzeno no extrato devido às mudanças realizadas na temperatura e no número de 
estágios. Sendo assim, é possível identificar quais os fatores que influenciam na 
simulação do sistema, além da relação solvente-carga e a qualidade do solvente. De 
acordo com a simulação realizada foi perceptível que o aumento da temperatura diminuiu 
a quantidade de benzeno na corrente de extrato, em que neste caso se deseja ter a maior 
recuperação de benzeno possível. Com o aumento de estágios, observou-se o aumento da 
quantidade de benzeno na corrente de extrato, favorecendo então o processo, logo o 
sistema atuando com 20º C e 10 estágios apresentou uma maior eficiência, com maior 
obtenção de benzeno na corrente de extrato. Desta forma, o simulador é uma importante 
ferramenta para analisar os parâmetros e as variáveis que influenciam no processo. 
Entretanto, a escolha do modelo termodinâmico também é de suma importância para 
alcançar resultados coerentes de acordo com as substâncias utilizadas e com o sistema 
desenvolvido, a fim de obter o máximo de resultados coerentes com a realidade. 
 
7. REFERÊNCIAS 
 
CORRÊA, T. E. Simulação e melhorias de uma unidade de extração de aromáticos, 
Trabalho de Conclusão de Curso. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 
Departamento de Engenharia Química, Porto Alegre, 2010. 
 
GÓIS, L. M. N. Estudo e Desenvolvimento de um Extrator de Pratos Perfurados 
Pulsantes. 1995. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Faculdade de Engenharia 
Química, Universidade Estadual de Campinas, São Paulo. 
 
MUZENDA, E. From UNIQUAC to Modified UNIFAC Dortmund : A Discussion. 3rd 
International Conference on Medical Sciences and Chemical Engineering 
(ICMSCE’2013), n. 5, p. 32–41, 2013. 
 
SANTOS, G. R. UNIFAC-CAMPINAS: Um novo modelo UNIFAC para a predição do 
equilíbrio líquido-líquido. 2005. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Faculdade 
de Engenharia Química, Universidade Estadual de Campinas, São Paulo.