Processo de separação de uma mistura contendo benzeno

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PROJETO DE UM PROCESSO DE SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DE 
UMA MISTURA CONTENDO BENZENO, TOLUENO E ETILBENZENO 
 
A ProTech Process Engineering Ltda presta serviço de consultoria e 
trabalha com o desenvolvimento de projetos de engenharia com descrições de 
planos elaborados ou simples. 
Este projeto tem o objetivo apresentar uma unidade produtiva para a 
separação dos componentes de uma mistura. Onde a mistura apresenta a 
seguinte condição físicas: 
Parâmetro Valor 
Temperatura (K) 420,588 
Pressão (bar) 2,5 
Fração de vapor 0 (líquido saturado) 
Fração molar: 
Benzeno 15% 
Tolueno 45% 
Etilbenzeno 40% 
 
 Esta proposta apresentada pela Pro-tech se refere a um projeto de 
separação de uma mistura contendo benzeno, tolueno e etilbenzeno, com uma 
vazão mássica de 15 ton/hora e com as seguintes restrições: 
• Obter benzeno com 98% base molar e com no máximo 50°C (323,15 K) 
e 1,15 bar; 
• Obter tolueno com 98% base molar e com no máximo 50°C e 1,15 bar; 
• Obter o etilbenzeno com 99% base molar e com no máximo 50°C e 1,15 
bar; 
Para isso essa proposta apresenta três etapas e contemplam as seguintes 
informações e justificativas: 
• Etapa 1. A descrição do processo, destacando as principais operações 
unitárias, suas funções e condições de operação. 
• Etapa 2. Apresentação do fluxograma de blocos e processo da unidade, 
acompanhado da tabela de inventário de processos; 
• Etapa 3. Custo anual de operação da unidade. 
 
HIPÓTESES E CONSIDERAÇÕES 
- Um ano possui 320 dias trabalhados; 
- Valores de entalpia obtidos através do software COCO em conjunto com o 
Chemsep; 
- Valores e coeficientes utilizados para o cálculo das colunas e trocadores de 
calor foram os mesmos fornecidos em sala durante aulas anteriores; 
 
 RESULTADOS E AVALIAÇÕES 
 
 Etapa 1. Descrição do processo 
 
O processo consiste na recuperação dos produtos que compõe a mistura: 
benzeno, tolueno, etilbenzeno. A corrente de entrada (S-102) , contendo 
benzeno, tolueno, etilbenzeno a 2,45 bar passa por uma válvula redutora de 
pressão (V-101) para que atinja a 1,15 bar, pressão ideal de trabalho definida 
para entrar na primeira coluna de destilação (T-101).Nessa coluna é feita a 
separação em duas correntes, a fração de topo da coluna (S-201) contém 
benzeno e tolueno e a fração do fundo(S-301) contem tolueno e benzeno. Essa 
separação ocorre dessa forma devido aos valores da temperatura de ebulição 
dos componentes presentes na mistura (Tabela 1). 
 
Tabela 1. Ponto de ebulição de cada componente presente na mistura. 
 
 Temperatura de 
ebulição (°C) 
Massa molecular 
Benzeno 80,1 78,11 
Tolueno 110,6 92,14 
Etilbenzeno 136 106,17 
 
 
A corrente do topo do destilador T-101 entra no destilador de purificação 
(T-201) gerando uma corrente de topo (S-202) contendo benzeno e uma corrente 
de fundo (S-203) com tolueno. E a corrente do fundo (S-301) do destilador T-101 
entra no destilador de purificação (T-301) gerando uma corrente de topo (S-302) 
contendo tolueno e uma corrente de fundo(S-303) com etilbenzeno. Assim os 
componentes são separados e é possível obtê-los com a pureza desejada. 
Por fim, as frações de topo e fundo dos destiladores T-201 e T-301 
passam por trocadores de calor, para que saiam a uma temperatura de 50°C, 
conforme solicitado a Pro-tech. 
Tendo em vista que em todas as correntes os componentes foram obtidos 
com um grau de pureza acima de 98% dessa forma tem-se que não foi gerada 
nenhuma corrente de descarte nesse processo. Dessa forma as correntes 
obtidas poderão servir de matéria prima para outros processos químicos. 
 
Segue a condições operacionais do processo: 
 
Válvula de expansão (V-101) 
 
Temperatura de entrada:420,6 K 
Temperatura de saída: 391,15 K 
Pressão de entrada: 2,5 bar 
Pressão de saída: 1,15 bar 
 
Em uma válvula que opera adiabaticamente, induziu-se a diminuição da 
pressão da corrente(S-101) para que ela chegasse à coluna de destilação (T-
101) na pressão requerida das correntes de saída do processo. 
 
Coluna de destilação (T-101) 
 
Razão de refluxo:3,349 
Número de pratos: 24 
Chave leve: benzeno e tolueno; 
Chave pesada: tolueno e etilbenzeno 
Especificação de condensação: condensação total 
Pressão do condensador: 1,15 bar 
Pressão do reboiler: 1,15 bar 
 
Adotou-se um número de prato igual a 24, pois foi a menor carga térmica 
encontrada e com razão de refluxo mais baixa. Além disso, foi possível verificar 
que conforme o número de pratos é aumentado, diminui o a razão de refluxo e 
diminui a quantidade de calor necessário para operar o condensador e o reboiler. 
Dessa forma adotou-se uma razão de refluxo de 3,349, uma vez que é a mais 
adequada para esta condição de projeto, conforme apresentado na Tabela 2. 
 
Tabela 2. Verificação dos dados da coluna de destilação (T-101). 
 
Número de pratos 20 22 24 
Razão de refluxo 4,012 4,201 3,349 
Carga térmica reboiler (MW) 1,852 1,536 1,370 
Carga térmica condensador (MW) -2,089 -1,773 -1,608 
 
Coluna de destilação (T-201) 
 
Razão de refluxo:1,400 
Número de pratos: 24 
Chave leve: benzeno; 
Chave pesada: tolueno; 
Especificação de condensação: condensação total 
Pressão do condensador: 1,15 bar 
Pressão do reboiler: 1,15 bar 
 
Adotou-se um número de prato igual a 24, pois foi a menor carga térmica 
encontrada e com razão de refluxo mais baixa. Além disso, foi possível verificar 
que conforme o número de pratos é aumentado, diminui o a razão de refluxo e 
diminui a quantidade de calor necessário para operar o condensador e o reboiler. 
Dessa forma adotou-se uma razão de refluxo de 40% acima do refluxo mínimo, 
uma vez que é a mais adequada para esta condição de projeto, conforme 
apresentado na Tabela 3. 
 
Tabela 3. Verificação dos dados da coluna de destilação (T-201). 
 
Número de pratos 20 22 24 
Razão de refluxo 1,770 1,490 1,400 
Carga térmica reboiler (MW) 0,559 0,503 0,485 
Carga térmica condensador (MW) -0,550 -0,496 -0,478 
 
 
 
Coluna de destilação (T-301) 
 
Razão de refluxo:2,497 
Número de pratos: 35 
Chave leve: tolueno; 
Chave pesada: etilbenzeno; 
Especificação de condensação: condensação total 
Pressão do condensador: 1,15 bar 
Pressão do reboiler: 1,15 bar 
 
Adotou-se um número de prato igual a 35, pois foi a menor carga térmica 
encontrada e com razão de refluxo mais baixa. Além disso, foi possível verificar 
que conforme o número de pratos é aumentado, diminui o a razão de refluxo e 
diminui a quantidade de calor necessário para operar o condensador e o reboiler. 
Dessa foma adotou-se uma razão de refluxo de 2,497, uma vez que é a mais 
adequada para esta condição de projeto, conforme apresentado na Tabela 4. 
 
Tabela 4. Verificação dos dados da coluna de destilação (T-301). 
 
Número de pratos 20 30 35 
Razão de refluxo 5,021 2,675 2,497 
Carga térmica reboiler (MW) 2,698 1,826 1,739 
Carga térmica condensador (MW) -2,679 -1,807 -1,719 
 
Trocadores de calor (TC-105, TC-106, TC-107 e TC-108) 
 
Temperatura final: 323,15 K 
Pressão: 1,15 bar 
Diminui-se a temperatura das correntes (S-202, S-203, S-302 e S-303) 
para 50°C (323,15K) e manteve-se a pressão constante, obedecendo às 
restrições estabelecidas para o projeto. 
 
 
Etapa 2. Apresentação do fluxograma de blocos e processo da unidade, e 
da tabela de inventário de processos. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Fluxograma de blocos 
 
 
Figura 2-Fluxograma de Processos 
 
Após definir as operações utilizadas no processo de separação da mistura 
foi realizado uma simulação no software COCO obtendo-se os seguintes 
resultados para as correntes apresentados na Tabela 5. 
 
 
Tabela 5. Inventário do Processo 
 
 
 
Etapa 3. Custo anual de operação da unidade 
 
 
 
Tabela 6. Custo com os trocadores de calor 
 
Trocador de calor GJ/h GJ/ano Custo anual 
TC-105 0,109 838,271 $296,75 
TC-106 0,189 1453,248 $514,45 
TC-107 0,589 4524,982 $1.601,84 
TC-108 1,147 8806,745 $3.117,59TOTAL 
 
$5.530,63 
 
 
Tabela 7. Custo com a coluna de destilação (TC-101) para a separação dos componentes. 
 
GJ/h GJ/ano Custo anual 
Condensador 5,788 44449,966 $15.735,29 
Reboiler 4,934 37891,031 $141.589,52 
TOTAL 
 
$157.324,81 
 
Corrente Pressão 
(bar) 
Temperatura 
(K) 
Vazão 
mássica 
(ton/h) 
Fração 
molar de 
benzeno 
Fração 
molar de 
Tolueno 
Fração 
molar de 
Etilbenzeno 
Vazão 
mássica 
de 
Benzeno 
(ton/h) 
Vazão 
mássica de 
Etilbenzeno 
(ton/h) 
Vazão 
mássica de 
Tolueno 
(ton/h) 
S-101 2,5 420,588 15 0,15 0,45 0,4 1,838 6,660 6,503 
S-102 1,15 391,149 15 0,15 0,45 0,4 1,838 6,660 6,503 
S-301 1,15 400,377 11,531 2,03E-04 0,458 0,542 0,002 6,660 6,503 
S-201 1,15 367,555 3,469 0,5701 0,428 0,002 1,836 0,007 1,623 
S-302 1,15 388,726 4,931 4,41E-04 0,98 0,020 0,002 0,111 4,818 
S-303 1,15 413,907 6,600 0,000 0,01 0,990 2,09E-12 6,542 0,057 
S-202 1,15 357,476 1,857 0,98 0,020 9,82E-08 1,813 2,47E-07 0,044 
S-203 1,15 387,675 1,612 0,016 0,98 0,004 0,022 0,007 1,583 
S-203c 1,15 323,15 1,612 0,0164 0,98 0,004 0,022 0,007 1,583 
S-202c 1,15 323,15 1,857 0,98 0,020 9,82E-08 1,813 2,47E-07 0,044 
S-303c 1,15 323,15 6,600 4,31E-13 0,01 0,990 2,09E-07 6,542 0,057 
S-302c 1,15 323,15 4,931 4,41E-04 0,98 0,020 0,002 0,111 4,818 
Tabela 8. Custo com a coluna de destilação (TC-201) para a purificação dos componentes. 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 9. Custo com a coluna de destilação (TC-301) para a purificação dos componentes. 
 
GJ/h GJ/ano Custo anual 
Condensador 6,190 47537,695 $16.828,34 
Reboiler 6,260 48076,001 $179.648,27 
TOTAL 
 
$196.476,61 
 
 
 
Dessa forma foi obtido um custo anual de operação para a unidade 
apresenta nesse projeto será de $ 414.131,70. 
 
 
 
GJ/h GJ/ano Custo anual 
Condensador 1,719 13204,132 $4.674,26 
Reboiler 1,747 13414,146 $50.125,39 
TOTAL 
 
$54.799,65