Simulação de colunas de destilação de elevada eficiência energética

A destilação é o principal processo de separação usado nas indústrias químicas para separação de misturas líquidas, e apesar de ser um processo muito intensivo energeticamente continua hoje em dia a ser o processo de separação preferencial. O largo impacto dos processos de destilação nos custos de investimento e operação tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas complexos de destilação, cuja principal finalidade consiste na otimização energética do processo de separação. No âmbito do estudo da utilização de colunas de elevada eficiência energética para separações multicomponente através da simulação de processos, o presente trabalho foca-se na compreensão, análise e avaliação da Coluna de Petlyuk, sistema de colunas com acoplamento térmico integral (FTCDC), inicialmente introduzida na década de 1940, com um reportado potencial para poupanças energéticas até cerca de 30% relativamente ao sistema tradicional. Para a simulação dos sistemas em estudo foi usado o software de simulação de processos HYSYS, cuja aplicação é desenvolvida e analisada no decurso deste trabalho, o qual é dividido em três partes principais: implementação dos processos em HYSYS para simulação rigorosa em modo de estado estacionário, otimização e simulação dinâmica e controlo. A primeira parte diz respeito ao design dos sistemas e âmbito de aplicação do HYSYS nesta etapa. Através do estudo da separação de mistura ternária equimolar de isómeros de butanol, é apresentado um procedimento de implementação do sistema FTCDC e avaliados os resultados de simulação rigorosa fazendo a sua comparação com os resultados obtidos para o sistema tradicional. A segunda parte é dedicada à otimização de ambos os sistemas, FTCDC e tradicional, cujos estudos se baseiam na simulação em estado estacionário. O elevado número de variáveis de design do sistema FTCDC pode conduzir a tedioso e moroso trabalho de simulação. Neste trabalho são aplicadas metodologias de desenho de experiências na otimização do sistema FTCDC, as quais permitiram uma significativa redução o número de simulações a executar, sendo o procedimento de otimização, baseado no procedimento de desenhos de experiências, desenvolvido ao longo desta parte. Os resultados de otimização de ambos os sistemas são avaliados e comparados. A última parte deste trabalho debruça-se sobre o tema da operabilidade dos sistemas, avaliada através da simulação dinâmica dos mesmos e avaliação da estrutura de controlo implementada. A simulação dinâmica de processos, baseada em modelos dinâmicos, permite melhorar o seu design, otimização e operação, cujos resultados traduzirão de uma forma mais realística o desempenho do processo desenhado, uma vez que estes nunca se encontram num verdadeiro estado estacionário. Nesta parte é apresentado o procedimento de implementação da simulação dinâmica de ambos os sistemas, no qual se inclui a definição da configuração de controlo para cada um destes. Através dos resultados de simulação dinâmica de ambos os sistemas é avaliado o seu design e respetiva estrutura de controlo.

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

Desenvolvimento de modelo de primeiros princípios para simulação dinâmica de uma coluna de destilação contínua

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

Integração Energética da Unidade de Pré-destilação U-0100 da Fábrica de Aromáticos

A presente dissertação foi realizada no âmbito do Mestrado em Engenharia Química no ramo de Otimização Energética na Indústria Química, do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estudo energético foi desenvolvido na empresa Petrogal, S.A, na Refinaria de Matosinhos, avaliando a possível racionalização energética do processo existente na Fábrica de Aromáticos. Os objetivos propostos basearam-se na realização de uma integração energética à unidade de pré-destilação, denominada por U-0100, que se encontra instalada na Fábrica de Aromáticos. Pretende-se, de uma forma geral, o reaproveitamento máximo da energia do processo, diminuindo o recurso a utilidades externas. Para tal recorreu-se à metodologia da análise do ponto de estrangulamento, designada por tecnologia Pinch. Numa primeira fase da otimização foi necessário conhecer todo o processo em causa e os conceitos associados à tecnologia aplicada. Após contactar com o processo procedeu-se ao levantamento energético do mesmo, referente ao ano 2013. Nesta etapa foram recolhidos todos os dados considerados relevantes para a quantificação energética das correntes e das utilidades empregues. Depois da recolha efetuou-se a integração energética estabelecendo um ∆Tmin ótimo para o processo de 5°C, após uma prévia análise da influência deste parâmetro sobre os consumos. Constatou-se que atualmente o processo de separação opera com uma taxa de recuperação energética de 16,8% da energia total, sendo a restante energia introduzida por utilidades externas. Com a análise do ponto de estrangulamento concluiu-se que a unidade de pré - destilação U-0100 se encontra integrada energeticamente, não sendo essencial proceder a qualquer modificação à mesma. No entanto sugere-se como trabalho futuro um estudo técnico e económico da implementação de um pré-aquecedor de ar, necessário ao processo de combustão que se dá na fornalha H-0101. Isto tendo em vista o reaproveitamento máximo da corrente, gases de combustão, que é desperdiçada para o meio ambiente.

Desenvolvimento de analisadores virtuais aplicados a colunas de destilação industriais

Nas indústrias de processo, algumas variáveis como as composições de topo de colunas de destilação são quantificadas através de análises laboratoriais e ou de analisadores em linha. Este tipo de controle apresenta algumas limitações tais como custos de manutenção e o tempo de amostragem (em geral análises laboratoriais ocorrem de 1 a 3 vezes ao dia). Para melhoria destes métodos, as variáveis podem ser continuamente estimadas a partir de sua relação com as variáveis medidas diretamente no processo. Através de um algoritmo matemático, um analisador virtual de propriedades pode ser construído, sendo necessário para o seu desenvolvimento um modelo simplificado do processo. Este trabalho teve como objetivo a construção de dois analisadores virtuais para estimação das composições de topo de duas colunas fracionadoras de tolueno presentes em uma indústria petroquímica. Para tal, estudou-se as metodologias existentes para construção de analisadores voltados para aplicações em colunas de destilação. O desenvolvimento de analisadores virtuais tem como base três etapas: seleção de variáveis secundárias, construção de modelos e correção/adaptação de modelos. Tais etapas, baseadas principalmente em métodos estatísticos, foram estudadas e as técnicas que melhor se adaptaram ao caso em questão foram empregadas com resultados satisfatórios. Realizaram-se também estudos comparativos entre modelos estacionários e dinâmicos e modelos construídos a partir de dados de simulação e de processo. As simulações foram conduzidas nos softwares Aspen PlusÒ e Aspen DynamicsÒ e o software usado para implementação dos analisadores na indústria foi o Aspen IQÒ.

Avaliação da eficiência de pratos valvulados com downcomer e pratos dualflow em colunas de destilação industriais

O principal objetivo deste trabalho é estabelecer caminhos apropriados para a estimativa da eficiência de pratos valvulados com downcomer e pratos dualflow em colunas de destilação industriais. O conhecimento da eficiência tem importância fundamental no projeto e na avaliação do desempenho de colunas de destilação. Pesquisando a literatura, pôde ser identificada uma árvore de alternativas para compor o modelo de eficiência de prato, dependendo dos modelos de transferência de massa, do modelo de distribuição das vazões de líquido e vapor sobre o prato, do modelo de arraste de líquido, do modelo de equilíbrio da mistura multi-componente, dos modelos de propriedades físicas, do modelo da altura da espuma sobre o prato e da definição de eficiência. Neste trabalho, diferentes métodos para a predição da eficiência em pratos valvulados e pratos dualflow foram compostos e comparados contra dados de três colunas de destilação industriais sob diferentes condições operacionais. Os modelos foram inseridos no simulador Aspen Plus 12.1, em linguagem Fortran, junto com dados geométricos dos pratos, propriedades dos fluidos e dados de operação das colunas de destilação industriais. Para cada coluna foi escolhido o melhor pacote termodinâmico pela verificação dos perfis de temperatura e composições de topo e fundo obtidos via simulação contra os valores reais correspondentes das colunas de destilação industriais. Foi feita uma modificação no parâmetro da fração de furos que estão em jetting no modelo hidráulico da dispersão acima do prato de Garcia (1999). Essa modificação produziu resultados melhores na predição da fração de furos em jetting e eficiência dos pratos dualflow e resultados similares aos de Garcia (1999) para a eficiência dos pratos valvulados.

Avaliação térmica dos resíduos da destilação atmosférica das blendas - biodiesel/diesel

The worldwide concern regarding the use of sustainable energy and preserving the environment are determining factors in the search for resources and alternative sources of energy and therefore fuel less aggressive nature. In response to these difficulties Biodiesel has emerged as a good solution because it is produced from renewable sources, produces burns cleaner and is easily reproducible. This work was synthesized with biodiesel oil, sunflower via homogeneous catalysis in the presence of KOH, with and without the use of BHT and subsequently added to the blends BX (a proportion of biodiesel X = 5, 10, 15 and 20 %). Atmospheric distillation of the analysis, performed in blends with and without BHT were collected residue generated by each sample and performed a study heat from the thermogravimetric analysis at a heating rate of 10 °C*min-1, nitrogen atmosphere and heating to 600 °C. According to the specifications of Resolution N 7/2008 for biodiesel, it was found that the synthesized material was in accordance with the specifications. For blends showed that the samples are in accordance with the Resolution of ANP N 42/2009. From the TG / DTG curves of the samples of biodiesel, blends and waste can be seen that these show a single loss of thermal decomposition concerning constituents present in each sample. The blends without BHT with ratios of 5%, 10% and 15% biodiesel showed a lower amount of waste (1,07%; 1,09% e 1,10%) to mineral diesel (1,15%). Therefore, it is concluded that the addition of biodiesel with diesel mineral can improve some physico-chemical parameters, but also, depending on the added amount, decreasing the amount of waste generated. This fact is of great importance because the carbonaceous residue can cause problems in mechanical equipment and parts for vehicles, causing more frequent maintenance, and this is not desirable

Estudo térmico dos resíduos gerados da destilação atmosférica das misturas diesel/biodiesel de dendê

The growing world demand for energy supplied by fossil fuels, a major contributor to the emission of pollutants into the atmosphere and causing environmental problems, has been encouraging governments and international organizations to reflect and encourage the use of alternative renewable sources. Among these new possibilities deserves attention biodiesel, fuel cleaner and easy to reproduce. The study of new technologies involving that source is necessary. From this context, the paper aims at analyzing the thermal stability by thermogravimetric analysis, of the waste generated from atmospheric distillation of mixtures with ratios of 5, 10, 15 and 20% palm biodiesel in diesel with and without addition of BHT antioxidant. It was synthesized biodiesel through palm oil, via homogeneous catalysis in the presence of KOH, with and without the use of BHT and subsequently added to the diesel common indoor type (S1800) from a gas station BR. The diesel was already added with 5% biodiesel, and thus the proportions used for these blends were subtracted from the existing ratio in diesel fuel, resulting in the following proportions palm oil biodiesel: 0% (B5), 5% (B10), 10 % (B15) and 15% (B20). From atmospheric distillation analysis, performed in mixtures with and without BHT were collected residue generated by each sample and performed a thermal study from the thermogravimetric analysis at a heating rate of 10 °C.min-1, nitrogen atmosphere and heating to 600 ° C. According to the specifications of Resolution No. 7/2008 for biodiesel, it was found that the material was synthesized in accordance with the specifications. For mixtures, it was noted that the samples were in accordance with the ANP Resolution No. 42/2009. Given the TG / DTG curves of the samples of waste mixtures with and without BHT antioxidant was able to observe that they showed a single stage of thermal decomposition attributed to decomposition of heavy hydrocarbons and esters and other heavier constituents of the waste sample weighed. The thermal behavior of residues from atmospheric distillation of mixtures of diesel / biodiesel is very important to understand how this affects the proper functioning of the engine. A large amount of waste can generate a high content of particulate material, coke formation and carbonaceous deposits in engine valves, compromising their performance

Emergência e desenvolvimento de guanxuma (Sida rhombifolia), capim-braquiária (Brachiaria decumbens) e cana-de-açúcar (Saccharum spp.) influenciados por subprodutos da destilação do álcool

Este trabalho objetivou avaliar os efeitos da aplicação de óleo de fúsel, comparativamente a vinhaça e flegmaça, sobre o desenvolvimento e a composição química de plantas de guanxuma (Sida rhombifolia), capim-braquiária (Brachiaria decumbens) e cana-de-açúcar (variedade RB72454), cultivadas simultaneamente em casa de vegetação. As concentrações de 12,5; 25,0; 50,0; e 100,0% (v/v) de cada subproduto e a testemunha (água) foram aplicadas (numa taxa equivalente a 150 m³ ha-1) no solo dos vasos (22 L), contendo uma planta de cana-de-açúcar (13 cm de altura) e 100 sementes de cada planta daninha. O delineamento foi o inteiramente casualizado, com 13 tratamentos e 4 repetições, em esquema fatorial 3 x 4 (três tipos de resíduos e quatro concentrações), e uma testemunha adicional com água. O óleo de fúsel inibiu a emergência de Sida rhombifolia e Brachiaria decumbens e matou a cana-de-açúcar. A vinhaça e a flegmaça prejudicaram a emergência e o desenvolvimento de B. decumbens, bem como o de S. rhombifolia, mas não o da cana-de-açúcar.

Técnicas de inteligência artificial para a geração dinâmica de set points para uma coluna de destilação

Artificial Intelligence techniques are applied to improve performance of a simulated oil distillation system. The chosen system was a debutanizer column. At this process, the feed, which comes to the column, is segmented by heating. The lightest components become steams, by forming the LPG (Liquefied Petroleum Gas). The others components, C5+, continue liquid. In the composition of the LPG, ideally, we have only propane and butanes, but, in practice, there are contaminants, for example, pentanes. The objective of this work is to control pentane amount in LPG, by means of intelligent set points (SP s) determination for PID controllers that are present in original instrumentation (regulatory control) of the column. A fuzzy system will be responsible for adjusting the SP's, driven by the comparison between the molar fraction of the pentane present in the output of the plant (LPG) and the desired amount. However, the molar fraction of pentane is difficult to measure on-line, due to constraints such as: long intervals of measurement, high reliability and low cost. Therefore, an inference system was used, based on a multilayer neural network, to infer the pentane molar fraction through secondary variables of the column. Finally, the results shown that the proposed control system were able to control the value of pentane molar fraction under different operational situations

Supervisório Inteligente de Processos na Idústria do Petróleo e Gás :Aplicação em uma Coluna de Destilação Simulada Integrada a Instrumentação Real

The need to implement a software architecture that promotes the development of a SCADA supervisory system for monitoring industrial processes simulated with the flexibility of adding intelligent modules and devices such as CLP, according to the specifications of the problem, it was the motivation for this work. In the present study, we developed an intelligent supervisory system on a simulation of a distillation column modeled with Unisim. Furthermore, OLE Automation was used as communication between the supervisory and simulation software, which, with the use of the database, promoted an architecture both scalable and easy to maintain. Moreover, intelligent modules have been developed for preprocessing, data characteristics extraction, and variables inference. These modules were fundamentally based on the Encog software

Ambiente de simulação híbrido integrando hysys e rede industrial Foundation Fieldbus aplicado ao controle de uma coluna de destilação

The main purpose of this work is to develop an environment that allows HYSYS R chemical process simulator communication with sensors and actuators from a Foundation Fieldbus industrial network. The environment is considered a hybrid resource since it has a real portion (industrial network) and a simulated one (process) with all measurement and control signals also real. It is possible to reproduce different industrial process dynamics without being required any physical network modification, enabling simulation of some situations that exist in a real industrial environment. This feature testifies the environment flexibility. In this work, a distillation column is simulated through HYSYS R with all its variables measured and controlled by Foundation Fieldbus devices

Sistema de destilação solar com pré-aquecimento em concentrador cilindro parabólico

Due to the increasing need to promote the use of resources that support the environment and the clean industry, the science has developed in the area of natural resource use as well as enhanced use of the renewable energy sources. Considering also the great need for clean water and wide availability of salt or brackish water, added to the great solar energy potential in northeastern of the Brazil, it was developed a solar distiller whose main difference is its system of pre-solar heating also. From experimental adjustments, the system was developed by the use of a cylindrical solar concentrator coupled to a conventional distiller. The system is designed such that attempt to facilitate the process termination trap to ensure constant movement of the fluid mass and thus enable higher temperatures to the system and thus fetch a higher amount of distillate collected. In a stage of the experiment were used a forced circulation to try to further increase the amount of energy exchange system. To develop the study were set up four settings for comparison in which one was only distiller simple as basic parameter, the second proposed configuration were with the coupling of the concentration triggered manually every 30 minutes to monitor the sun, the third configuration occurred with automatic triggering of a timer, and the fourth configuration was also used a pumping system that tried to improve the circulation of the fluid. With the comparative analysis of the results showed a gain in the amount of distillate system, especially in the forced model

Estudo de um sistema híbrido de destilação solar para polimento de águas produzidas

The oil industry, experiencing a great economic and environmental impact, has increasingly invested in researches aiming a more satisfactory treatment of its largest effluent, i.e., produced water. These are mostly discarded at sea, without reuse and after a basic treatment. Such effluent contains a range of organic compounds with high toxicity and are difficult to remove, such as polycyclic aromatic hydrocarbons, salts, heavy metals, etc.. The main objective of this work was to study the solar distillation of produced water pre-treated to remove salts and other contaminants trough of a hybrid system with a pre-heater. This developed apparatus was called solar system, which consists of a solar heater and a conventional distillation solar still. The first device consisted of a water tank, a solar flat plate collector and a thermal reservoir. The solar distillator is of simple effect, with 1m2 of flat area and 20° of inclination. This dissertation was divided in five steps: measurements in the solar system, i.e. temperatures and distillate flow rate and weather data; modeling and simulation of the system; study of vapor-liquid equilibrium of the synthetic wastewater by the aqueous solution of p-xylene; physical and chemical analyses of samples of the feed, distillate and residue, as well as climatology pertinent variables of Natal-RN. The solar system was tested separately, with the supply water, aqueous NaCl and synthetic oil produced water. Temperature measurements were taken every minute of the thermal reservoir, water tank and distillator (liquid and vapor phases). Data of solar radiation and rainfall were obtained from INPE (National Institute for Space Research). The solar pre-heater demonstrated to be effective for the liquid systems tested. The reservoir fluid had an average temperature of 58°C, which enabled the feed to be pre-heated in the distillator. The temperature profile in the solar distillator showed a similar behavior to daily solar radiation, with temperatures near 70°C. The distillation had an average yield of 2.4 L /day, i.e., an efficiency of 27.2%. Mathematical modeling aided the identification of the most important variables and parameters in the solar system. The study of the vapor-liquid equilibrium from Total Organic Carbon (TOC) analysis indicated heteroazeotropia and the vapor phase resulted more concentrated in p-xylene. The physical-chemical analysis of pH, conductivity, Total Dissolved Solids (TDS), chlorides, cations (including heavy metals) and anions, the effluent distillate showed satisfactory results, which presents a potential for reuse. The climatological study indicates the region of Natal-RN as favorable to the operation of solar systems, but the use of auxiliary heating during periods of higher rainfall and cloud cover is also recommended

Estudo da viabilidade da destilação solar para polimento de águas produzidas de petróleo

This work study of solar distillation feasibility in effluent of petroleum industry: produced water, making possible your reuse for irrigation of oleaginous cultures or fodder crops or in steam generation, as well the transport phenomena involved. The methodology for development of this project was to characterize the effluent to be treated and to accomplish physical and chemical analysis in the distilled, to build distillation equipment, concomitant operation of both equipments and implementation of data processing and economical evaluation. The methodology used for all parameters is outlined in APHA (1998) and sampling of the type compound. The feeding of distillation equipment was performed with treated effluent from UTPF of Guamaré. The temperature was monitored throughout the distillers and during the time of operation. The distillers feed occur, as a rule, for sifon. The distillers were operated by a period of 17 months between July 2007 and February 2009, in which 40 experiments were performed. The radiation and temperature datas were acquired in the INPE s site and the temperature inside of the distillers was registered by DATALOGGER Novus. The rates of condensation (mL / min) were determined by measuring of the flow in a graduate test tube of 10 mL and a chronometer. We used two simple solar effect distillers of passive type with different angles in coverage: 20 ° and 45 °. The results obtained in this study and the relevant discussions are divided into six topics: sample characterization and quality of distilled; construction of distillers; operation (data, temperature profile), climatic aspects, treatment of data and economical analysis. Results obtained can be inferred that: the energy loss by the adoption of vessel glass was not significant, however, complicates the logistics of maintenance the equipment on a large scale. In the other hand, the surface of the tub with a glass shield on the equipment deterioration, both devices showed similar performance, so there is not justified for use of equipment 450. With regard to the climatological study it was verified that the Natal city presents monthly medium radiation varying in a range between 350 and 600 W/m2, and medium of wind speed of 5 m / s. The medium humidity is around 70% and rainfall is very small. The regime of the system is transient and although it has been treated as a stationary system shows that the model accurately represents the distillers system's 20 degrees. The quality of the distilled with regard to the parameters evaluated in this study is consistent with the Class 3 waters of CONAMA (Resolution 357). Therefore we can conclude that solar distillation has viability for treat oilfield produced water when considered the technical and environmental aspects, although it is not economically viable