Otimização de estruturas de destilação azeotrópica com recurso a planeamento experimental

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

O etanol é atualmente considerado como a alternativa mais promissora relativamente aos combustíveis fósseis, cada vez mais escassos. A obtenção do etanol pelo processo fermentativo, a partir de matérias-primas disponíveis em abundância, como o milho, a cana do açucar e a madeira, destaca-se como sendo o de produção em maior escala, obtendo-se concentrações relativamente baixas desse composto. De forma a que o etanol produzido nestas condições possa substituir os tradicionais combustíveis, ainda que de modo parcial, revela-se necessário proceder à sua concentração para valores bastante mais elevados, de modo a cumprir com o imposto pelas várias normas aplicáveis. Existem diversos processos que permitem obter os valores de pureza exigidos, sendo que a destilação é, de longe, o processo mais utilizado. Efetivamente, pese embora o facto de este processo ser extremamente intensivo na perspetiva energética, o conhecimento acumulado existente sobre o mesmo, a sua versatilidade e a viabilidade de produção em larga escala, constituem argumentos de relevância considerável que o diferenciam relativamente aos restantes. A concentração do etanol pelo processo destilativo é, tipicamente, realizada em duas fases: numa primeira fase, eleva-se a pureza deste composto até valores próximos da composição azeotrópica; numa segunda fase, é realizada a concentração até valores próximos da pureza total, recorrendo a métodos de destilação avançada. Neste âmbito, o presente estudo foca-se na fase de concentração do etanol acima da composição azeotrópica, sendo adotadas duas estruturas de destilação azeotrópica heterogénea. Assim, é realizada a implementação e simulação em estado estacionário dos dois sistemas no simulador de processos Aspen HYSYS. Com o intuito de redução do custo total anual associado ao processo anterior, foi realizado um processo de otimização de ambos os sistemas, baseado em simulação e em técnicas estatísticas de planeamento experimental e de análise de variância, tendo sido obtidas reduções significativas relativamente a ambos os sistemas. Para além do referido, foi ainda efetuada a análise da controlabilidade do sistema mais complexo, em que existe acoplamento térmico de correntes entre colunas de destilação. Para o efeito, recorre-se à simulação dinâmica como forma de avaliar a estrutura de controlo implementada, tendo sido constatado que a estratégia de controlo adotada se revelou eficaz na resposta às diversas perturbações introduzidas.

Abstract: Ethanol is, currently, considered as the most promising alternative in respect of increasingly scarce fossil fuels. Obtaining ethanol by fermentation from raw materials available in abundance, such as corn, sugar cane and timber, stands out as being the production process on a larger scale . However, this process produces relatively low concentrations of this compound. So that the ethanol produced in these conditions can replace traditional fuels, even partially, proves to be necessary to increase its concentration to much higher values, in order to comply with the imposed by the various applicable standards. There are many processes required to achieve the desired values of purity, but the distillation is by far the most widely used process. Indeed, despite the fact that this process is extremely energy intensive, the existing accumulated knowledge about the same, its versatility and viability of large-scale production, constitute arguments of considerable importance, which differentiate from the remaining. The concentration of ethanol by destilation process is typically carried out in two phases: a first phase rises the purity of this compound to values near the azeotropic composition and the second stage is carried out until the concentration values aproach total purity, using enhanced distillation methods.In this context, the present study focuses on the concentration of ethanol above the azeotropic composition, being adopted two heterogeneous azeotropic distillation structures. Thus, implementation and simulation in steady state of the two systems in the simulator Aspen HYSYS is performed. In order to reduce the total annual cost associated to the above process, an optimization of both systems, based on simulation and statistical techniques for experimental design and analysis of variance is performed, being obtained significant reductions for both systems. Apart from the above mentioned, a controllability analysis of the more complex system, in which there is a thermal coupling of streams between distillation columns, is also performed. With this purpose the dynamic simulation was used as a way of assessing the adopted control structure, having been found that the adopted control strategy has proved to be effective in responding to the several disturbances introduced.