Dissertação PI

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INFLUÊNCIA DO PACOTE DE PROPRIEDADES 
TERMOFÍSICAS NO PROJETO DE UMA UNIDADE DE 
SEPARAÇÃO BUTANOL-ÁGUA 
 
 
 	 	 
RESUMO 	 	 	 	 	 	 	 	 	 
O objetivo deste trabalho foi comparar os resultados obtidos por NICODEMOS e ASSIS (2015), quando utilizaram o COCO, sobre a influência dos pacotes de propriedades termodinâmicos na separação butanol-água, com os do DWSIM. Utilizando o DWSIM, software para simulação e análise de processos industriais, a partir dos dados apresentados pelos autores, foi verificada a influência dos pacotes termodinâmicas na simulação de uma planta industrial, para separação de uma mistura azeotrópica de butanol-água. Para a análise, obteve-se primeiramente os valores referenciais aproximados aos dos dados experimentais, visto que os autores não informam as interações de coeficientes de atividade, equação de estado, pressão de vapor e entalpia utilizados. Nas simulações obteve-se resultados expressivamente satisfatório com os pacotes UNIQUAC nas colunas de destilação e UNIFAC no decantador, estes mostraram o menor erro quando comparado com os dados originais do COCO. Comparou-se também a influência dos pacotes termodinâmicos quanto a produção e gasto energético, os resultados obtidos para o coeficiente de atividade Wilson mostraram se mais apropriados, com 1,89 m3/h de vazão volumétrica e 1,78 MW de gasto energético. Os resultados obtidos nas simulações do DWSIM mostraram que os pacotes termodinâmicos NRTL e Wilson tiveram melhores resultados, assim como os do COCO, neste aspecto o DWSIM mostrou ser capaz de simular a partir dados de estudos realizados e analisar plantas industriais com confiabilidade. 
 
 Palavras Chave: DWSIM, COCO, Software de Simulação, Destilação, butanol-água 
ABSTRACT 
The purpose of this work was to compare the results obtained by NICODEMOS and ASSIS (2015), when they used COCO, on the influence of thermodynamic property packages in the butanol-water separation, with those of DWSIM. Using DWSIM, a software for simulation and analysis of industrial processes, based on the data presented by the authors, the influence of thermodynamic packages in the simulation of an industrial plant for separation of an azeotropic mixture of butanol-water was verified. For the analysis, we first obtained the reference values approximated to the experimental data, since the authors do not inform the interactions of activity coefficients, equation of state, vapor pressure and enthalpy used. In the simulations, expressively satisfactory results were obtained with the UNIQUAC packages in the distillation columns and UNIFAC in the decanter, these showed the smallest error when compared to the COCO original data. The influence of thermodynamic packages regarding energy production and expenditure was also compared, the results obtained for the Wilson activity coefficient were more appropriate, with 1.89 m3/h of volumetric flow and 1.78 MW of energy expenditure. The results got in the DWSIM simulations showed that the NRTL and Wilson thermodynamic packages had better results, as well as the COCO ones, in this aspect the DWSIM proved to be able to simulate as of data from researches carried out and to analyze industrial plants with reliability. 
Keywords: DWSIM, COCO, Simulation Software, Distillation, butanol-water 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
Face ao grande número de procedimentos automatizados, o uso de simuladores de processo tem se mostrado de grande valia, para atender a alta demanda no mercado cada vez mais mecanizado. Esta ferramenta tem otimizado tempo, mão de obra dispendiosa, minimizado riscos desnecessários e reduzido custos na montagem de plantas industriais e esta tem sido a tônica das indústrias químicas, petroquímicas e farmacêuticas que se veem diante da necessidade de automatização de procedimentos analíticos (ABREU et al, 2017). Embora o abrangente leque de facilidades que os simuladores oferecem na implementação e análise de plantas industriais, há um universo incógnito de cálculos e interações que um operador se beneficia, pois, suas funcionalidades otimizam as operações da termodinâmica química e física, já pré-programadas em seus pacotes, contudo, não basta simplesmente imputar os dados, é preciso fazer escolhas entre as interações termodinâmicas com resultados que se deseja obter. Dentre vários aspectos da escolha dos resultados podemos destacar duas, o volume de produção (Fração volumétrica) e o Gasto energético. Segundo a FIRJAN (Federação das Indústrias do Rio de Janeiro), os gastos do setor industrial com energia elétrica podem representar mais de 40% de seus custos de produção. Levando em consideração os dados da FIRJAN e preciso fazer uma escolha para que prioritariamente possa se ter um baixo custo na operação minimizando os custos, para isto a influência de cada pacote termodinâmico na operação tem alta relevância. O objetivo deste trabalho foi comparar os resultados obtidos por NICODEMOS e ASSIS (2015), quando utilizaram o COCO, sobre a influência dos pacotes de propriedades termodinâmicos na separação butanol-água utilizando o simulador DWSIM. 
 
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 As plantas de separação industrial para butanol-água possuem certas peculiaridades, pois os constituintes possuem propriedades distintas devido ao comportamento azeótropo característico (Figura 1) e, consequentemente, apresentando difícil separação em processo de destilação simples. No entanto, a separação butanolágua é possível com a utilização de um decantador e duas colunas de destilação. 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Curva de aquecimento de uma mistura azeotrópica, temperatura em função da fração molar 
Butanol-Água 
	 	
Arquivo Pessoal 
 
O butanol (C6H10O) é um álcool superior com quatro carbonos em sua estrutura e um grupo funcional hidroxila (OH-), com massa molecular 74,1216 g/mol quantidade de energia, porém com diferenças na estrutura das moléculas (linear ou ramificada) e posição do grupo hidroxila, que afetam diretamente suas propriedades. A estrutura linear do 1butanol confere à molécula uma maior área superficial e interações intermoleculares de Van Der Waals mais fortes entre os grupos funcionais hidroxila, as denominadas ligações de hidrogênio. (Luiz Felipe Paiva Brandão, T. Doutorado), Figura 2. 
Figura 2. Estrutura molecular do 1-butanol. 
 
Arquivo Pessoal 
 
A simulação e a modelagem, em geral, são atividades muito presentes na engenharia, pois permitem a previsão de parâmetros e dados antes da etapa de construção ou sem que sejam feitas alterações nos sistemas operantes, reduzindo custos e agilizando projetos. Os softwares computacionais capazes de simular plantas industriais e prever resultados de análises de sistemas termo físicos, baseados em cálculos termodinâmicos, disponibilizados em pacotes de dados contendo equações de estado bem como as operações unitárias essenciais numa planta industrial. Esta tecnologia utiliza uma modelagem baseada em um modelo, através do sistema computacional, que representa o todo ou uma parte de um processo, isto permite o desenvolvimento acelerado de produtos, redução do ciclo projeto-manufaturado, redução de custos operacionais e logístico, evita perda de trabalho no plano físico na prática (ABREU et al., 2017). 
Existem alguns softwares disponíveis para uso como o Aspen Hysys, o ChemCAD, o COCO (CAPE-OPEN to CAPE-OPEN), DWSIM e ChemSep, são exemplos de softwares amplamente utilizados na simulação de processos químicos, para fins acadêmicos ou comerciais, que se diferem principalmente nas modelagens gráficas. O DWSIM é um software open-source (grátis) direcionado para alunos e profissionais de engenharia química, que permite estudar o comportamento de sistemas químicos através de modelos termodinâmicos e de operações unitárias. Enquanto programa apresenta uma interface gráfica simples, ele também integra a biblioteca termodinâmica do ChemSep e suas operações unitárias. 
O ChemSep é um simulador de colunas de destilação, de absorção e das operações de extração.Ele combina o modelo clássico de coluna de estágios de equilíbrio com um modelo de coluna de não equilíbrio (baseado em taxa) em uma interface fácil e intuitiva. O ChemSep pode ser instalado e usados de modo individual, com colunas independentes ou ser executado dentro de outros ambientes de simulação, usando o protocolo CAPE-OPEN, tais como os simuladores gratuitos COCO e DWSIM. Além dos pacotes de propriedades termodinâmicas e físicas existentes no ChemSep, o usuário pode também usar qualquer pacote e compostos compatível com o protocolo CAPE-OPEN. Os pacotes termodinâmicos são modelos matemáticos baseados em cálculos da termodinâmica, disponibilizados em software de simulação que permite simular processos sem dispender tantos gastos e sem ter que realmente testar na prática, montando um protótipo do ciclo, possibilitando uma visão geral do processo e visar uma operação otimizada do ciclo. O comportamento dos pacotes termodinâmicos é de grande relevância para o estudo e análise de processos industriais. Pacotes como o UNIQUAC (Universal Quase-Chemical) que pode ser aplicável a uma ampla variedade de misturas líquidas, sua equação pode empregada na modelagem do equilíbrio líquido-vapor e da viscosidade de misturas binárias. Outro pacote, é o UNIFAC e os denominados Modified by NIST. O método UNIFAC (Functional-group Activity Coefficient). O UNIFAC utilizado para o cálculo dos coeficientes de atividades em misturas multicomponentes e o seu modelo modificado foi desenvolvido com o objetivo de melhorar a predição desejada. As vantagens do uso do UNIFAC modificado são alcançadas pelo emprego de uma parte combinatória modificada pela utilização de uma ampla base de dados para ajustar a dependência da temperatura com parâmetros dos grupos de interação simultaneamente para equilíbrio líquido-vapor 
(VLE), equilíbrio líquido-líquido (LLE), hΕ (entalpia de excesso), e dados de γ∞ (gama infinito) (Franco, et al, 2015). Para que o modelo UNIFAC possa ser implementado, é necessário que seja efetuada correlações satisfatórias de dados de atividade obtidos experimentalmente para obter parâmetros que caracterizam interações entre pares de grupos estruturais nos sistemas. Posteriormente, estes parâmetros podem ser utilizados para predizer atividades em outros sistemas que não foram estudados experimentalmente, mas que contêm os mesmos grupos funcionais (OISHI e PRAUSNITZ, 1978). 
Os pacotes termodinâmicos preveem em suas equações algumas variações peculiares em suas equações (AZEVEDO, et al. 2014). O modelo de NRTL (Nonrandom, Two-Liquid), possui três parâmetros (gij – gii, gij – gjj e αij), para tratar de sistemas binários. 
O parâmetro αij está relacionado com a aleatoriedade da mistura, podendo ser mantido fixo em 0,3 por não ter variação significativa. As equações que definem o modelo de NRTL são descritas em PRAUSNITZ et al. (1999) e WILDING et. al. 2002) para sistemas binários. 
Para o caso de “n” componentes apresenta as equações expandidas do modelo NRTL 
(AZEVEDO, LIMA e TÔRRES, 2014) 
 
3. 	METODOLOGIA 
 	No presente trabalho foram utilizados os dados iniciais de NICODEMOS e ASSIS (2015) usando o COCO e ChemSep (Figura. 3). 
 
Figura 3 – Fluxograma da separação butanol-água utilizando o COCO e ChemSep. 
 	 
 
Fonte: ASSIS e NICODEMOS (2015) 
 
Primeiramente, utilizando o DWSIM, foi configurada uma corrente de entrada, “ALIMENTAÇÃO”, numa coluna de equilíbrio denominada “C1”, com 10 estágios, sendo o estágio 6º o de entrada da corrente de alimentação, isenta de condensador e o refervedor configurado para saída de produção de líquido na corrente de fundo. A corrente do topo da coluna “C1” foi conectada a um decantador, com suas saídas denominadas “ORGANICO” e “AQUOSO”. A corrente aquosa (AQUOSO) foi reciclada retornando a coluna “C1”, a corrente orgânica (ORGÂNICO) foi conectada a uma segunda coluna de equilíbrio denominada “C2”, com 10 estágios, alimentada pelo estágio 6°, também isenta de condensador e o refervedor configurada para a produção de liquido na corrente de fundo. 
 
Figura 4 – Fluxograma da separação butanol-água utilizando o DWSIM. 
 
 Arquivo Pessoal 
 
Na primeira coluna destila-se a mistura até próximo ao ponto do azeotrópico, através do equilíbrio líquido-vapor, onde será separado o componente pesado do leve, na corrente de fundo tem-se 99% de água. A corrente do topo será conduzida para o decantador contendo o componente leve (butanol) e vapor d´água. Como item de suma importância, o decantador realiza a separação do azeotrópico em duas fases distintas, uma aquosa e outra orgânica ainda contendo água, é possível completar a separação em uma segunda coluna de destilação, sendo esta alimentada pela fase orgânica. Uma corrente de alimentação, “ALIMENTAÇÃO”, com vazão de 1000 kmol/h, sendo 980 Kmol/h de água e 20 Kmol/h de butanol, a uma pressão de 0,5 atm e temperatura 78,85°C passou por uma coluna de destilação simples, “C1”, com 10 estágios de equilíbrio, esta foi separada em duas correntes: “ÁGUA”, com 99%, em base molar, na corrente de fundo da coluna “C1”, de água na fase líquida e uma corrente de topo com 15%, em base molar, de butanol na fase vapor, ambas as correntes a uma pressão de 0,5 atm. A corrente de topo da coluna 
“C1” é somada à corrente de topo da coluna “C2”, denominado “RECICLADO D2”, por um “MISTURADOR” e enviada para Antes do “DECANTADOR” foi necessário o uso de uma resfriador porque as corretes estava em uma temperatura acima do previsto para entrar no decantador, com 2 fases, um vapor e uma liquida, que após resfriada passou-se a ter somente fase liquida, após o decantador a mistura é separada em duas correntes, 
“ORGÂNICA” (rica em butanol), que alimentou a coluna “C2”, e “Aquosa” (corrente rica em água), esta corrente de entrada alimentara o topo da coluna “C1”, numa operação de reciclo, “RECICLO AGUOSO”. Ambas as correntes ORGÂNICO e AQUOSO, estão a 1atm. 
Por fim, tem-se a corrente “BUTANOL”, corrente de fundo da coluna “C2”, com butanol a 99% em base molar. 
Os dados obtidos de equilíbrio líquido-vapor usados nas simulações com modelos diferentes foram comparados com os dados experimentais. Os dados experimentais encontrados estavam a pressão de 0,5 atm, assim sendo para as simulações utilizou-se a pressão de 0,5 atm também. Para a análise dos dados de equilíbrio líquido-vapor, sobre a influência dos modelos termodinâmicos na simulação de destilação, as modificações foram no modelo termodinâmico nas colunas. Procurou-se encontrar os resultados conforme os dos dados experimentais, o resultado obtido e as especificações dos produtos e do projeto nas colunas de destilação permaneceram inalteradas. E para a análise da influência dos modelos termodinâmicos, foram avaliados todos os pacotes disponíveis, NRTL, UNIQUAC, UNIFAC, Margules, Modified Unifac, Van Laar e Wilson, sobre o processo, os pacotes foram trocados mantendo os dados imputados inalterados. Também, foram observadas as cargas térmicas presentes nos trocadores de calor, a fim de analisar tanto o gasto energético quanto o impacto nos custos da operação como um todo, porém destaca-se que foi considerado apenas o gasto do resfriador, já que para quaisquer outros, colunas C1 e C2, houve apenas desprendimento de calor, não sendo estas recuperadas em operação de reciclo. 
 
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 Nas simulações do processo de separação butanol-água procurou-se obter resultados o mais próximo possível aos dados experimentais, para tanto, as simulações foram realizadas alterando apenas os pacotes NRTL, Modified, Unifac NIST, Unifac, UNIQUAC, Van Laar e Wilson nas colunas, equilíbrio líquido-vapor (ELV), e decantador, apenas dois pacotes mostraram melhores resultados. Os coeficientes de atividades UNIQUAC nas colunas de destilação e o UNIFAC no decantado foram os que mais se aproximaram dos dados originais (ASSIS E NICODEMOS, 2015), Tabela 1. 
 
Tabela 1 – Dados experimentais obtidos com a simulação utilizando-se o DWSIM quando comparados com a utilizaçãodo COCO (ASSIS e NICODEMOS, 2015). 
	 
	Coco 
	DWSIM 
	Erro 
	Coco 
	DWSIM 
	Erro 
	Coco 
	DWSIM 
	Erro 
	Coco 
	DWSIM 
	Erro 
	
	Água 
	% 
	Orgânico 
	% 
	Aquoso 
	% 
	Butanol 
	% 
	Temperatura 
	82 
	81,58 
	0,52 
	70 
	70 
	0 
	70 
	70 
	0 
	97 
	99,48 
	2,49 
	 
	 
981 
	 
	 
0,00 
	 
	 
	 
2,85 
	 
	 
	 
0,21 
	 
19,10 
	 
	 
0,33 
	Vazão molar 
	
	980,96 
	
	64,62 
	66,52 
	
	131,60 
	131,87 
	
	
	19,04 
	
	Fração molar da (mistura) / Butanol 
	0,001 
	0,00 
	0,00 
	0,45 
	0,45 
	0,02 
	0,03 
	0,03 
	0,11 
	0,00 
	0,00 
	0,00 
	Fração molar da (mistura) / Água 
	0,999 
	1,00 
	0,00 
	0,55 
	0,55 
	0,00 
	0,97 
	0,97 
	0,00 
	1,00 
	1,00 
	0,00 
	 
	Coluna C1 
	 
	DECANTADOR 
	 
	Coluna C2 
 
Nos processos industriais o custo financeiro com energia apresenta fator decisivo na lucratividade e o preço final do produto. Os pacotes foram estudados no sentido de oferecer dados precisos e confiáveis comparando os coeficientes de atividade no aspecto de obter o melhor desempenho energético. Neste sentido os dados observados mostram que para o coeficiente de atividade Margules o processo é completamente inviável, pois há nesta operação um grande gasto energético frente aos demais pacotes, para o coeficiente de atividade Wilson mostraram se mais apropriados, com 1,89 m3/h de vazão volumétrica e 1,78 MW de gasto energético. 
Figura 5 – Comparação entre os resultados obtidos para vazão volumétrica em função do gasto energético para os diferentes pacotes termodinâmicos.
 
 
00
0
,
0
,
50
1
,
00
1
,
50
,
00
2
,
50
2
Margules
NRTL
Modified
UNIFAC
UNIFAC
NIST
UNIFAC
UNIQUAC
Van Laar
Wilson
Dados Volumétricos x Gastos Energético
Vazão Volumérica (m3/h)
Gasto Energêtico ( MW h)
 
De modo geral os resultados obtidos para os pacotes termodinâmicos demonstraram valores aproximados, com exceção da equação de Margules que apresentou maior gasto energético, como pode ser observado (Figura 5). Os pacotes termodinâmicos Wilson e NRTL presentaram melhores resultados, dentre eles o Wilson mostrou-se se mais apropriado, com 1,89 m3/h de vazão volumétrica e 1,78 MW de gasto energético. 
 
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 A utilização de simuladores é fundamental para a análise e implementação de uma planta industrial. Foi possível a partir do estudo de um processo realizar simulações para viabilizar um processo, pode-se utilizar desde simuladores gratuitos aos pagos que são mais sofisticados. Utilizando o DWSIM, a partir dos dados a apresentados por ASSIS E NICODEMOS, (2015), obteve-se resultado expressivamente satisfatório quando comparados aos resultados por eles utilizando no COCO. 
No aspecto de produção e gasto energético os pacotes termodinâmicos têm grande relevância quanto suas influências, pois, as interações termodinâmicas inter-relacionados com cálculos de equações de estado, pressão de vapor e entalpia, possibilitam a obtenção ou ajuste nos processos químicos, para obter melhores resultados. 
6. REFERÊNCIAS 
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Exatas Tecnol., v. 12, n. 12, p. 49-53, 2017. 
 
ASSIS, A. J.; NICODEMOS, R. M. Influência do pacote de propriedades termo físicas no projeto de uma unidade de separação butanol-água. XX Congresso Brasileiro de Engenharia Química, vol. 1 num. 2, 2015. 
 
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Florianópolis, SC, 2014. 
 
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FIRJAN, Firjan c2021. Energia elétrica - Custo e qualidade para a competitividade da indústria nacional. Disponível em: 
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