PRÉ-TEXTUAL - ERICK

7/31/2019 PR-TEXTUAL - ERICK

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA

MODELAGEM E SIMULAO DE COLUNAS DE DESTILAO

ERICK RAFAEL GOMES SERRANU2011


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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIROINSTITUTO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICACURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA QUMICA

MODELAGEM E SIMULAO DE COLUNA DE DESTILAO

AUTOR: Erick Rafael Gomes SerranuORIENTADOR: Luiz Augusto da Cruz Meleiro, D. Sc.

Seropdica, RJJulho/2011


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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA

CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA QUMICA

ERICK RAFAEL GOMES SERRANU

MODELAGEM E SIMULAO DE COLUNAS DE DESTILAO

Monografia apresentada como requisitoparcial para concluso do Curso deEngenharia Qumica da UniversidadeFederal Rural do Rio de Janeiro

MONOGRAFIA APROVADA EM -----/-----/------

Luiz Augusto da Cruz Meleiro, D.Sc. DEQ/IT/UFRRJ(Orientador)

Marisa Fernandes Mendes, D.Sc. DEQ/IT/UFRRJ

Leonardo de Gil Torres, Ph.D. DEQ/IT/UFRRJ


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DEDICATRIA

Dedico este trabalho aos meus pais.


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AGRADECIMENTOS

A Deus, por estar sempre ao meu lado e me apoiar nos momentos mais difceis.

A meu pai e minha me, por todo o apoio que sempre me deram e por toda a compreensoque sempre tiveram comigo.

Ao professor Luiz Meleiro, por ter aceitado me orientar e por toda a ajuda que me deu aolongo desse trabalho.

Aos professores Leonardo Torres e Marisa Mendes, por aceitarem participar da banca.

A todos os professores que contriburam para minha formao.

Ao mestrando Wagner Leandro por me ajudar na parte do trabalho referente termodinmica.

Aos meus amigos que sempre me apoiaram, em especial aos meus amigos do curso degraduao em engenharia qumica da turma de 2006-1.


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SUMRIO

1 INTRODUO.........................................................................................................12 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................2

2.1 Destilao ............................................................................................................22.2 Modos de Operao .............................................................................................3

2.2.1 Operao em Batelada ......................................................................................32.2.2 Destilao Contnua .........................................................................................7

2.3 Outros Tipos de Destilao ................................................................................ 102.3.1 Destilao Vcuo ......................................................................................... 102.3.2 Destilao Azeotrpica ................................................................................... 112.3.3 Destilao Extrativa ....................................................................................... 112.3.4 Destilao Reativa .......................................................................................... 13

2.4 Tipos de Colunas de Destilao .......................................................................... 142.4.1 Colunas de Pratos ........................................................................................... 142.4.2 Colunas de Recheio ........................................................................................ 15

3 MODELAGEM DA COLUNA DE DESTILAO .............................................. 163.1 Consideraes Feitas na Modelagem .................................................................. 163.2 Balano de Massa .............................................................................................. 16

3.2.1 Coluna Descontnua ....................................................................................... 163.2.2 Coluna Contnua............................................................................................. 18

3.3 Clculo das Quantidades de Calor ...................................................................... 203.4 Equilbrio Lquido-Vapor ................................................................................... 20

3.4.1 Clculo do Coeficiente de Atividade ............................................................... 223.4.2 Clculo do Ponto de Bolha ............................................................................. 25

3.5 Etapas da Execuo do Programa ....................................................................... 264 RESULTADOS ........................................................................................................ 28

4.1 Validao do Modelo de Equilbrio Lquido-Vapor ............................................. 284.2 Resultados da Simulao da Destilao em Batelada .......................................... 29

4.2.1 Simulao 1.................................................................................................... 304.2.2 Simulao 2.................................................................................................... 314.2.3 Simulao 3.................................................................................................... 334.2.4 Simulao 4.................................................................................................... 35

4.3 Resultados da Simulao da Destilao Contnua ............................................... 364.3.1 Simulao 1.................................................................................................... 374.3.2 Simulao 2.................................................................................................... 384.3.3

Simulao 3.................................................................................................... 40

4.3.4 Simulao 4.................................................................................................... 42


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5 CONCLUSES ....................................................................................................... 45REFERECIAS BIBLIOGRFICAS................................................................................46ANEXO 1 IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL DA COLUNA EMBATELADA........................................................................................................................49ANEXO 2 IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL DA COLUNA

CONTNUA........................................................................................................................52ANEXO 3 IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL DOELV......................................................................................................................................55


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NDICE DE FIGURAS

Figura 1. Coluna de destilao em batelada.. ......................................................................4Figura 2. Destilao em batelada invertida.. .......................................................................5Figura 3. Destilao MVD. ................................................................................................6Figura 4. Coluna de destilao em modo contnuo.. ............................................................7 Figura 5. Mtodo Grfico de Ponchon-Savarit.. ..................................................................8Figura 6. Mtodo Grfico de McCabe-Thiele. ....................................................................9Figura 7. Coluna de Destilao Vcuo.. ......................................................................... 10Figura 8. Sistema azeotrpico. ......................................................................................... 11Figura 9. Destilao extrativa. .......................................................................................... 12Figura 10. Elemento de um prato com borbulhador. ......................................................... 14Figura 11. Esquema de um prato com vlvulas. ................................................................ 14Figura 12. Esquema de prato com malhas. ........................................................................ 15Figura 13. Anis de Pall. .................................................................................................. 15Figura 14. Prato n............................................................................................................. 18Figura 15. Prato n............................................................................................................. 19Figura 16. Curva de equilbrio etanol-gua. ...................................................................... 29Figura 17.T vs x,y. ............................................................................................................ 29Figura 18. Variao da TPB ao longo do tempo na primeira simulao. ............................ 30Figura 19. Variao do K ao longo do tempo na primeira simulao. ................................ 30Figura 20. Variao da composio de etanol ao longo do tempo na primeira simulao... 31Figura 21.Variao da TPB ao longo do tempo na segunda simulao. ............................. 32Figura 22.Variao do K ao longo do tempo na segunda simulao. ................................. 32Figura 23. Variao da composio de etanol ao longo do tempo na segunda simulao. .. 33Figura 24. Variao da TPB ao longo do tempo na terceira simulao. ............................. 34Figura 25. Variao do K ao longo do tempo na terceira simulao. ................................. 34Figura 26. Variao da composio de etanol ao longo do tempo na terceira simulao. ... 35Figura 27 Resultados da quarta simulao. ....................................................................... 36Figura 28. Variao da TPB ao longo do tempo na primeira simulao. ............................ 37Figura 29. Variao do K ao longo do tempo na primeira simulao. ................................ 37Figura 30. Variao da composio de etanol ao longo do tempo na primeira simulao... 38Figura 31. Variao da TPB ao longo do tempo na segunda simulao. ............................ 39Figura 32. Variao do K ao longo do tempo na segunda simulao. ................................ 39Figura 33. Variao da composio de etanol ao longo do tempo na segunda simulao. .. 40Figura 34. Variao da TPB ao longo do tempo na terceira simulao. ............................. 41Figura 35. Variao do K ao longo do tempo na terceira simulao. ................................. 41

Figura 36.Variao da composio de etanol ao longo do tempo na terceira simulao. .... 42Figura 37. Variao da TPB ao longo do tempo na quarta simulao. ............................... 43Figura 38. Variao do K ao longo do tempo na quarta simulao. ................................... 43Figura 39. Variao da composio de etanol ao longo do tempo na quarta simulao. ..... 44


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NDICE DE TABELAS

Tabela 1.Principais produtos obtidos na destilao do petrleo. ..........................................2Tabela 2. Valores de TPB para diferentes composies de etanol. ..................................... 28Tabela 3. Dados de operao da primeira simulao. ........................................................ 30 Tabela 4. Resultados da primeira simulao. .................................................................... 31Tabela 5. Dados da segunda simulao. ............................................................................ 32Tabela 6. Resultados da segunda simulao. ..................................................................... 33Tabela 7. Dados da terceira simulao. ............................................................................. 33Tabela 8. Resultados da terceira simulao. ...................................................................... 35Tabela 9. Dados para quarta simulao. ............................................................................ 35Tabela 10. Resultados da quarta simulao. ...................................................................... 36Tabela 11. Dados de operao para destilao contnua. ................................................... 36Tabela 12. Resultados de primeira simulao. .................................................................. 38Tabela 13. Resultados de segunda simulao. ................................................................... 40Tabela 14. Resultados de terceira simulao. .................................................................... 42Tabela 15. Resultados de quarta simulao. ...................................................................... 44


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iv Volume molar do componente i

Bx Frao molar do componente mais voltil no refervedor

ix Frao molar do componente mais voltil na fase lquida.

Dx Frao molar do componente mais voltil na fase lquida no destiladoNFx Frao molar do componente mais voltil na fase lquida no prato de

alimentao

2x Frao molar do componente mais voltil na fase lquida no prato acima

do refervedor

By Frao molar do componente mais voltil na fase vapor no refervedor

Dy Frao molar do componente mais voltil na fase vapor no destilado

iy Frao molar do componente i na fase vapor.

NFy Frao molar do componente mais voltil na fase vapor no prato dealimentaow Fator acntricoz Frao molar de alimentao.

ija Parmetro de interao entre as molculas

0)( H Entalpia da mistura

iH Entalpia do componente i

.j Massa molar da mistura

L

i Potencial qumico no componente i na fase lquidaV

i Potencial qumico no componente i na fase vapor

1 Frao volumtrica

1 Frao de rea superficial

i Coeficiente de fugacidade do componente i.

i Coeficiente de atividade do componente i.

12 Parmetro do modelo NRTL


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RESUMO

O objetivo do presente trabalho foi a modelagem e simulao de colunas dedestilao binrias que operam tanto em modo contnuo quanto descontnuo. Para tanto

foram realizados balanos de massa nas colunas de destilao considerando cada um dosmodos de operao, porm no foram realizados os balanos de energia, pois se considerouque para cada mol de lquido que se vaporiza, um mol de vapor se condensa. A modelagemdo equilbrio de fases tambm foi considerada. Para o clculo do coeficiente de atividade,optou-se pelo mtodo que melhor se ajusta ao sistema. A fase vapor foi considerada ideal,pois o sistema opera em presso atmosfrica, sendo assim, o coeficiente de fugacidade igual a 1. O sistema utilizado foi o etanol-gua e a coluna, em ambos os modos deoperao, foi a de pratos. Aps a modelagem, foram realizadas simulaes com oaplicativo MatLab, nas quais variaram-se a razo de refluxo e o numero de pratos. Osresultados obtidos mostram a importncia de se determinar o ponto timo de operaoconsiderando esses dois parmetros.

Palavras-Chave: Equilbrio de fases, Sistema binrio, Etanol-gua.


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