UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ - UFPAINSTITUTO TECNOLOGICO - ITEC

FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS - FEADISCIPLINA: MODELAGEM E SIMULAÇÃO

PROFESSORA: MARILENA ARAÚJO

PROCESSO DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO E DESTILAÇÃO EM UM SISTEMA (ÁCIDO ACÉTICO – ÁGUA – ETIL ACETATO)

BELÉM- PA2013

DISCENTES: CRISLIANE CAMARGO DENYSE GOMES

JOSEANE POMBO KELEM PINA

MILENA PASSOS

PROCESSO DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO E DESTILAÇÃO EM UM SISTEMA (ÁCIDO ACÉTICO – ÁGUA – ETIL ACETATO)

Trabalho apresentado à Professora Marilena Araújo como parte da primeira avaliação da disciplina Modelagem e Simulação da Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Federal do Pará.

BELÉM – PA2013

1. INTRODUÇÃO

A extração líquido-líquido (ELL) é um processo de separação que se utiliza da

propriedade de miscibilidade de líquidos. Por exemplo, em uma situação onde temos

dois líquidos, A e B, miscíveis entre si, e queremos separar A de B, podemos usar um

terceiro líquido, C, que seja mais miscível com A do que com B (TRINDADE;

ANASTÁCIO, 2005)

O ácido acético é o acido carbônico utilizado com mais frequência, além do que

é utilizado como parceiro de reação durante a produção de ésteres de ácido acético; este

é geralmente também utilizado como solvente, por exemplo, durante a produção de

acetato celulose ou durante a fabricação de produtos farmacêuticos (VORBEHALTEN,

2006) (RABELO et al, 2004 ).

O ácido acético, utilizado na produção do vinagre, é obtido basicamente pelos

processos de oxidação do etanol (sinteticamente) ou de fermentação (biologicamente).

No entanto, a fonte de etanol pode vir de várias origens, como cana-de-açúcar, uva, mel,

laranja, maçã, entre outras. Desse modo, a caracterização do ácido acético nos vinagres

é de grande importância para a indústria de alimentos, uma vez que os custos da

matéria-prima estão diretamente relacionados à sua origem (BOFFO, E. F.;

FERREIRA, A. G, 2006)

A Operação de Extração é também uma operação de separação/purificação

muito comum a nível industrial. Na extração, a separação do soluto da mistura de

alimentação é promovida pela adição de outro composto, o qual é denominado de

solvente (RABELO et al, 2004 ).

O conceito de extração aplica-se para alimentações (misturas) sólidas, e líquidas,

às quais se pretende retirar o soluto, seja para o obter num estado mais puro por

constituir o produto objeto do processo, seja por corresponder a uma impureza da

alimentação que é necessário eliminar (RABELO et al, 2004 ) (QUEIROZ et al., 2001).

É possível estabelecer um paralelismo entre Extração Líquido/Líquido e

Destilação. Em ambos os casos o soluto passa da fase de alimentação (corrente líquida)

para a outra fase que se adiciona ou forma no processo (líquido ou vapor,

respectivamente). O agente da separação na extração é o novo líquido/solvente que se

adiciona, enquanto que na destilação é o calor que se fornece ao processo, o qual dá

origem a uma nova fase, desta vez vapor. Assim, a extração é, normalmente, uma

operação isotérmica enquanto na destilação existe, necessariamente, variação de

temperatura ao longo do processo (QUEIROZ et al., 2001).

2. REVISÃO DA LITERATURA

2.1- TIPOS DE EXTRAÇÃO

Descontínua

Consiste em agitar uma solução aquosa com um solvente orgânico num funil de

separação, a fim de extrair determinada substância.

Contínua

Quando o composto orgânico é mais solúvel em água do que no solvente

orgânico, (isto é, quando o coeficiente de distribuição entre solvente orgânico e água é

pequeno), são necessárias grandes quantidades de solvente orgânico para se extrair

pequenas quantidades da substância. Isto pode ser evitado usando o extrator tipo

Soxhlet, aparelho comumente usado para extração contínua com um solvente quente.

Neste sistema apenas uma quantidade relativamente pequena de solvente é necessária

para uma extração eficiente.

2.2-SELEÇÃO DO SOLVENTE

A água é usada como um dos solventes na extração líquido-líquido, uma vez que

a maioria dos compostos orgânicos é imiscível em água e porque ela dissolve

compostos iônicos ou altamente polares. Os solventes mais comuns que são compatíveis

com a água na extração de compostos orgânicos são: éter etílico, éter diisopropílico,

benzeno, clorofórmio, tetracloreto de carbono, diclorometano e éter de petróleo. Estes

solventes são relativamente insolúveis em água e formam, portanto, duas fases distintas.

A seleção do solvente dependerá da solubilidade da substância a ser extraída e da

facilidade com que o solvente possa ser separado do soluto. Nas extrações com água e

um solvente orgânico, a fase da água é chamada "fase aquosa" e a fase do solvente

orgânico é chamada "fase orgânica" (ECO QUÍMICA, 2008)

Para uma extração líquido-líquido, o composto encontra-se dissolvido em um

solvente A e para extraí-lo, emprega-se um outro solvente B, e estes devem ser

imiscíveis. A e B são agitados e o composto então se distribui entre os dois solventes de

acordo com as respectivas solubilidades. A razão entre as concentrações do soluto em

cada solvente é denominada "coeficiente de distribuição ou de partição", (K). (ECO

QUÍMICA, 2008)

Assim:

     (Equação 1)

Onde: 

CA =  concentração do composto no solvente A (em g/mL);

CB =  concentração do composto no solvente B (em g/mL).

Na extração de ácido acético, utilizam-se os seguintes solventes: álcoois,

cetonas, acetatos, e ésteres com cadeia carbônica entre 4 e 8 carbonos. (ECO

QUÍMICA, 2008)

O acetato de etilo é um líquido incolor, cheiro característico a frutas, muito

inflamável. É pouco solúvel em água e solúvel em bi-clorofórmio e éter.  Tem a

característica de produzir misturas azeotrópicas binárias e ternárias. É obtido pela

esterificação direta do ácido acético com álcool etílico, em presença de um catalisador.

O éster cru formado é neutralizado e purificado mediante destilação. O produto obtido é

de qualidade grau uretana. (ECO QUÍMICA, 2008)

2.3-VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSO DE EXTRAÇÃO

LÍQUIDO-LÍQUIDO (ELL)

2.3.1- Vantagens

A extração líquido-líquido apresenta-se como um processo relativamente

simples, ou seja, em sua configuração mais comum utiliza-se um funil de separação ou

tubos de centrífugas, além do mais, é possível a utilização de um número considerável

de solventes puros os quais são disponíveis comercialmente, sendo que estes têm uma

ampla faixa de seletividade e solubilidade. (QUEIROZ et al., 2001).

2.3.2- Desvantagens

Tem-se como desvantagem do processo de extração líquido-líquido o fato de que

há perda de analito devido às amostras com elevada afinidade pela água serem

parcialmente extraídas pelo solvente orgânico, e para a extração precisa-se de grandes

quantidades de amostras e de solventes. As impurezas do solvente podem ser

concentradas junto com a amostra, implicando no uso de solventes ultrapuros, além do

que pode ocorrer a formação de emulsões, ocasionado perda de tempo; pode haver

adsorção de analito no material utilizado; decomposição de compostos instáveis

termicamente e tem-se a presença de alguns solventes orgânicos tóxicos. Por fim, na

etapa de pré-concentração; o processo é suscetível a erros e, relativamente, de difícil

automação (QUEIROZ et al., 2001)

2.4 – DESTILAÇÃO

A destilação é o modo de separação baseado no fenômeno de equilíbrio líquido-

vapor de misturas. Em termos práticos, quando temos duas ou mais substâncias

formando uma mistura líquida, a destilação pode ser um método para separá-las. Basta

apenas que tenham volatilidades razoavelmente diferentes entre si (COLUNA DE

DESTILAÇÃO, 2012).

A destilação é uma operação de separação pela diferença de volatilidade que

envolve uma grande quantidade de energia. Trata-se então de uma operação de

transferência de calor e massa, e as operações de transferência de calor e massa são um

conjunto de técnicas e de equipamentos destinados à separação de um ou mais

componentes de uma mistura ou solução (FOUST, 1982).

3. DESCRIÇÃO DO PROJETO

Segundo Roitman (2002) o mecanismo do processo de extração ocorre,

basicamente, de acordo com as seguintes etapas: a) mistura ou contato íntimo entre o

solvente e a solução a ser tratada. Ao longo desta etapa, ocorrerá a transferência do

soluto da solução para a fase solvente; b) a separação entre a fase líquida da solução,

denominada de rafinado, e a fase líquida solvente, denominada de extrato; c)

recuperação do solvente e do soluto. Para a recuperação do soluto do solvente, é

necessário que estes tenham características que permitam a separação dos mesmos

através de um simples processo de destilação ou qualquer outro tipo de separação

simples e possível.

A figura 1 demonstra o modelo de simulação aplicado ao relatório, foi

elaborado pelo programa de simulação ASPEN HYSYS, onde o mesmo se caracteriza

por apresentar uma extração liquido-liquido, seguida de uma destilação para a separação

do ácido acético.

A pressão especificada para construção desta planta de separação do ácido

acético foi de 101,4 Kpa.

No mix de alimentação visualizado da figura 1 ocorre a entrada do solvente etil

acetato, tanto na forma pura que entra a uma temperatura de 25 ºC, quanto o solvente

que vem do reprocesso na forma de condensado, este solvente está a uma temperatura

de -3,889 ºC. Em seguida o solvente passa por um trocador de calor ( E-100), para que

aumente a sua temperatura para 25ºC, que é a temperatura da entrada do solvente na

coluna de extração líquido-líquido.

A coluna de extração liquido-liquido (T-100) é composta por 12 estágios, e a

alimentação da mistura água/ ácido acético é feita pelo topo dessa coluna, no primeiro

estágio , essa mistura entra a um fluxo mássico de 100 kg/h, e um fluxo molar de 5,357

kgmol/h que é composta por 95% de água e 5% de ácido acético. Dentro da torre o

fluxo dessa mistura segue na direção do fundo da torre, devido sua densidade ser maior

que a densidade do solvente, no fundo o ácido acético se desprende de água, se unindo

ao solvente etil acetato ( corrente 1), o qual entra pelo ultimo estagio da torre a um fluxo

de 393,5 kg/h, e um fluxo molar de 4,878 Kgmol/h contendo 97,63% de etil acetato e

2,37% de água.

Desse processo resultam duas correntes: no topo o extrato solução rica em

solvente contendo o soluto que se deseja extrair, e no fundo o rafinado, solução residual

contendo uma pequena quantidade de solvente.

No topo da coluna de extração sai uma corrente que chamada de extrato, sendo

sua composição de 1,26 % de ácido acético, 96,39 % de Etil acetato e 2,35 % de água.

Com fluxo mássico de 396,2018 Kg/h e fluxo molar de 4,9344 Kgmol/h.

No fundo da coluna de extração sai outra corrente chamada de rafinado. Tendo

um fluxo mássico de 97,2558 Kg/h e fluxo molar de 5,3001 Kgmol/h, está corrente é

composta por 97,71% de água e 2,29% de Etil acetato.

O extrato gerado na coluna de extração é levado para a coluna de destilação, este

é o equipamento destinado à realização da operação unitária de transferência de calor e

massa. Segundo Foust (1982) a destilação é uma operação de separação pela diferença

de volatilidade que envolve uma grande quantidade de energia. Trata-se então de uma

operação de transferência de calor e massa, e as operações de transferência de calor e

massa são um conjunto de técnicas e de equipamentos destinados à separação de um ou

mais componentes de uma mistura ou solução.

O extrato passa para coluna de destilação que apresenta 30 estágios ao total

(figura 02), de onde forma-se o produto de fundo e tem-se um destilado que será

recuperado e utilizado no misturador (MIX-100) juntamente com o etil-acetato que

formam o solvente que é aquecido no trocador de calor resultando na corrente 1 descrita

anteriormente.

O material de alimentação que é o extrato entra na coluna pelo prato 11, ao

chegar em cada prato da coluna o extrato é parcialmente evaporado. Os componentes

leves (mais voláteis) tendem a se concentrar na fase vapor, sendo estes água e etil-

acetato, enquanto os mais pesados (menos voláteis) tendem para a fase líquida, neste

caso ácido acético e etil-acetato (FOUST, 1982).

Em virtude da diferença de densidade entre vapor e líquido, o material de

alimentação - que deve ser separado em frações - desce pela coluna, cascateando de

prato para prato, enquanto o vapor sobe na coluna, entrando em contato com o líquido.

Ao chegar no fundo da coluna, o líquido é parcialmente vaporizado num reboiler,

gerando vapor que retorna a coluna. O vapor que atinge o topo da coluna é resfriado e

condensado num condensador. Desta forma, ocorre o contato da

correntes e com as contracorrentes de vapor e líquido em todos os pratos ao longo da

coluna (FOUST, 1982).

Nesta planta a coluna de destilação é composta por 30 pratos, como citato

anteriormente o extrato entra pelo prato 11, o fluxo mássico de entrada como foi

descrito anteriormente é de 396,2 kg/h, a uma pressão de 101,4 kPa e uma temperatura

de 25,03 ºC.

Este processo físico de equilíbrio líquido/vapor permite a separação de duas

correntes de componentes diferente: destilado e produto. A corrente de destilado é de

243,5450 kg/h, o qual é composto por 0,9618% de etil-acetato e 3,82% de água. Já o

produto de fundo é composto por 96,72% de etil-acetato e 3,28% de ácido acético, e sai

a um fluxo mássico de 152,6567 kg/h.

Em seguida o destilado é enviado como reciclo para o misturador devido conter

uma quantidade considerável de etil-acetato, o qual é recuperado, iniciando novamente

o processo de extração líquido-líquido.

Figura 1: Planta de extração líquido-líquido do sistema ácido acético-água- etil acetato

4. CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROCESSO

4.1. COLUNA LÍQUIDO-LÍQUIDO

A extração L-L (Figura 2) consiste na separação de dois líquidos A e B

miscíveis entre si utilizando um terceiro líquido C que seja mais miscível com A do que

com B. O soluto A irá se distribuir entre os dois solventes B e C de acordo com sua

solubilidade relativa formando o extrato (contendo A e C) e o refinado (contendo A e

B). O refinado pode ser mais purificado com etapas adicionais sucessivas de extração

líquido-líquido. A recuperação de A a partir do extrato é geralmente feita por destilação.

Figura 2. Unidade de extração em coluna.

4.2. COEFICIENTE DE DISTRIBUIÇÃO (k) E SELETIVIDADE DO SOLVENTE (β)

O coeficiente de distribuição (K) e a seletividade do solvente (β) são um dos

fatores que devem ser considerados na otimização dos sistemas de extração líquido-

líquido. Estes são os mais importantes parâmetros que são levados em consideração no

momento da seleção do solvente. O coeficiente de distribuição “ou coeficiente de

participação” para um componente (A) é definido como a razão de concentração de (A)

na fase extrato e na fase refinado. A seletividade pode ser definida como a capacidade

do solvente retirar o componente desejado da mistura de alimentação, quando

comparada com outros componentes (TRINDADE; et al., 2005).

4.3. SOLVENTES

Para a seleção do solvente de extração L-L devem-se comparar propriedades das

espécies puras como: ponto de ebulição, ponto crítico, densidade, volatilidade, ponto de

fusão e pressão de vapor, assim como também devem ser comparadas propriedades de

interação entre os compostos como difusividade e toxicidade (HENLEY & SEADER,

1981). Outras propriedades como capacidade corrosiva, estabilidade térmica e custo

também devem ser levadas em consideração. A escolha deve ser feita priorizando uma

ou duas propriedades de maior interesse para o processo (HACKBART, 2007).

4.3.1. ÁCIDO ACÉTICO

O ácido acético na forma pura (99,8%) recebe o nome de ácido acético glacial

devido a sua solidificação, com aspecto de gelo, em dias frios. É o principal ingrediente

do vinagre, cuja formulação consiste aproximadamente 5% de ácido acético e 95% de

água. Na forma pura é um líquido incolor com odor pungente, altamente corrosivo aos

metais (CETESP, 2010). É solúvel em água, etanol, éter, glicerina, acetona, benzeno e

tetracloreto de carbono. E insolúvel em sulfeto de carbono (ATANOR, S. C. A.).

É obtido pela oxidação, a partir do álcool etílico ou excretado por determinadas

bactérias. Este pode ser também denominado de ácido etanoico, o qual é um ácido

monocarboxílico alifático, de fórmula CH3COOH. O ácido acético é encontrado em

produtos de origem animal e vegetal. Este ácido ocupa dentro da química orgânica um

lugar preponderante, semelhante ao lugar que ocupa o ácido sulfúrico na indústria

química pesada. Tem como aplicações a produção de acetato de sódio; produção de

acetatos; neutralizante e veículo nos processos de tinção na indústria têxtil; agente

neutralizante e para a formação de perácidos na indústria química; ingredientes de

compostos adesivos; agente de extração de antibióticos na indústria medicinal; agente

acidulante e para a preparação de ésteres frutíferos na indústria alimentícia; e

ingredientes de inseticidas e germicidas (ATANOR, S. C. A.).

4.3.2. ACETATO DE ETILA

O acetato de etila é um solvente oxigenado muito utilizado na produção de

adesivos à base de poliuretano e tintas à base de nitrocelulose e também como solvente

extrator na indústria farmacêutica e principalmente na produção de tintas de impressão

como solvente (CARVALHO; JÚNIOR, 2010). Existem muitos processos para a

produção do acetato de etila, tais como esterificação entre etanol e ácido acético,

condensação do acetaldeído, desidrogenação do etanol e adição direta do eteno ao ácido

acético (CARVALHO; JÚNIOR, 2010). Em bases globais, o acetato de etila é utilizado

como solvente em vários tipos de aplicação, como no mercado de tintas (52%),

processos farmacêuticos e sínteses orgânicas (5%), tintas de impressão (13%) e outros,

tais como adesivos e cosméticos, que totalizam os restantes 30% (CEH, 2010).

4. OBJETIVO

Esse estudo teve como objetivos:

Extrair o ácido acético presente em uma mistura aquosa utilizando acetato de

etila como solvente, atrás do sistema líquido-líquido; A etapa de extração

líquido-líquido tem como finalidade de eliminar a água do processo, devido seu

alto custo em processos como o de evaporação, deixando o refinado rico em

líquido (água) e o extrato rico em solvente (etil acetato);

Analisar se os dados gerados pelo simulador de processos estão de acordo com

os dados de alimentação, através da implementação do simulador ASPEN

HYSYS para a planta de extração de ácido acético e recuperação do solvente.

5. BALANÇO DE MASSA E ENERGIA

5.1 BALANÇO DE MASSA

5.1.1 Simbologia

V = vazão mássica do vapor de topo

D = vazão mássica do produto de topo

L = vazão mássica do refluxo externo

F = vazão mássica da carga

W = vazão mássica do produto de fundo

Xa = Fração mássica da água

Xac =Fração mássica do ácido acético

Xae = Fração mássica do acetato de etila

QC = calor retirado pelo condensador

QR = calor introduzido pelo refervedor

qF = calor contido na carga

qD = calor contido no produto de topo

qW = calor contido no produto de fundo

Neste processo, o balanço material deverá ser realizado na coluna, a figura 01

ilustra este processo de destilação.

Figura 03: Esquema de uma coluna de destilação com pratos teóricos.

Para auxiliar o cálculo dos balanços de massa e energia, foram coletados dados

do programa Hysys® dispostos nas tabelas 1 e 2.

Tabela 1 - Fração mássica dos componentes do sistema Ácido Acético/Água/Acetato de

Etila das correntes de entrada (F) e de saída (D e W).

Correntes Água (a) Ácido Acético (ac) Acetato Etila (ae)

F* 0,0235 0,0126 0,963888

D* 0,0382 0,00000 0,961782

W* 0,000000 0,0328 0,967247

*F=Extrato; D=Destilado; W=Produto de fundo.

Tabela 2 - Composição dos componentes das correntes de entrada (F) e saída (D e W).

Correntes Fluxo Mássico

(kg/h)

Fluxo Molar

(kgmol/h)

Entalpia

(kJ/kgmol)

F* 396,2 4,9344 -458.000

D* 243,5 3,1752 -451.400

W* 152,7 1,7591 -468.580

*F=Extrato; D=Destilado; W=Produto de fundo.

5.1.2 Cálculos de Balanço Global de Massa

F = D + W

396,2 = 243,5 + 12,7

396,2 Kg/h = 396,2 Kg/h

5.1.2.1 Balanço Parcial de Massa Acetato de Etila

Fxae = Dxae + Wxae

396,2 (0,963888) = 243,5 (0,961782) + 152,7 (0,967247)

381,8924256 kg/h = 381,8925339 Kg/h

5.1.2.2 Balanço Parcial de Massa para Ácido Acético

Fxac = Dxac + Wxac

396 , 2x 0 ,0126=243 , 5x 0+152 ,6x 0 ,0328

4,99212 Kg/h = 5,00528 Kg/h

5.1.2.3 Balanço Parcial de Massa para a água

Fxa= Dxa + Wxa

396 ,2x 0 ,0235=243 ,5x 0 ,0382+152 ,6x 0

9,3107 Kg/h ≈ 9,3017 Kg/h

Desse modo, verificou-se que a coluna de destilação apresentou o regime

permanente, visto que o fluxo mássico global e dos componentes permaneceu constante

(F = D + W). Com isso pode-se observar que modelagem e simulação realizada pelo

programa HYSYS sob a coluna de destilação referente aos balanços de massa para o

sistema ácido acético-água- acetato de etila apresentou ajuste satisfatório.

5.1.3 Balanço de massa dos pratos da coluna de destilação

Para calcular os balanços de massa nos pratos de maior representatividade da

coluna de destilação, utilizam-se os dados da tabela 3.

Tabela 3 – Composição de ácido acético nos pratos.

Pratos Pressão (kPa) Temperatura (ºC) V* (kg/h) L ** (kg/h)

1 101,4 77,43 1007 1159

2 101,4 77,30 1008 1160

3 101,4 77,25 1008 1160

10 101,4 7666 972,7 1148

11 101,4 75,77 826,6 1125

12 101,4 75,71 826,9 583,0

28 101,4 75,42 818,3 581,5

29 101,4 74,94 795,2 574,7

30 101,4 73,53 608,9 551,6

*Fluxo mássico de vapor do ácido acético.

**Fluxo mássico de líquido ácido acético.

Usando as equações de balanço de massa, calcula-se os mesmos nos pratos 2, 11 e 3

Prato nº 2

Lp01 + V03 = V p02 + L p02

1159 + 1008 = 1008 + 1160

2167 Kg/ h ≈ 2168 Kg/h

Prato nº 11

Lp10 + Vp12 = V p11 + L p11

1148 + 826,9 = 826,6 + 1125

1974,9 Kg/ h ≈ 1951,6 Kg/ h

Prato nº 29

Lp28 + Vp30 = V p29 + L p29

581,5 + 608,9 = 795,2 + 574,7

1189,5 Kg/ h ≈ 1369,9 Kg/ h

Nota-se que os valores de entrada e de saída não são iguais devido a

variabilidade dos fluxos existente no interior da coluna, pois cada composto possui um

comportamento diferente no interior da coluna, devido a isso pode-se considerar que,

em certo momento, a concentração de uma das substâncias é maior em um determinado

prato enquanto em outro a quantidade pode ser menor.

5.2 BALANÇOS ENERGIA

5.2.1 Simbologia

F = Fluxo molar do extrato;

D = Fluxo molar do destilado;

W = Fluxo molar do produto de fundo;

n = número do prato;

V = Fluxo mássico de vapor do ácido acético

L = Fluxo mássico de líquido do ácido acético;

v = Fluxo molar de vapor do ácido acético;

l = Fluxo molar de líquido do ácido acético;

ag = Água;

ee = Etil acetato;

aa = Ácido acético;

HF = Entalpia do extrato;

HD = Entalpia do destilado;

HW = Entalpia do produto de fundo;

He = Fluxo energético de entrada;

Hs = Fluxo energético de saída;

HL = Entalpia do fluxo de líquido;

HV = Entalpia do fluxo de vapor;

QTOP = Fluxo de calor no condensador;

QREB = Fluxo de calor no Reboiler.

5.2.2. Cálculo dos balanços de energia

4.2.2.1. Balanço de energia global

Usando os dados de fluxo de calor das tabela 2 e 4, calcula-se o balanço de energia

global.

Tabela 4 - Fluxo de calor

Corrente kJ/h

QTOP (Q1) 3.6683e+05

QREB (Q2) 3.6909e+05

(HF x F ) + Qreb = (HD x D) +(Hw x W) + Qtop

(- 458.000 x 4,9344) +3,6909e+05= (-451.400 X 3,1752) + (-468.580 x 1,7591) +

3,6683e+05

- 1890862,2 KJ /h ≈ -1891264358 KJ /h

A modelagem e simulação realizada pelo programa HYSYS sob a coluna de

destilação referente ao balanço de energia global para o sistema ácido acético-água-etil

acetato não apresentou resposta desejada. Uma vez que houve uma pequena diferença

entre os fluxos de energia da entrada não foram equivalentes aos de saída.

5.2.2.2. Balanço de energia dos pratos da coluna de destilação

Extraindo do programa os dados de fluxo de energia (entalpia) em cada prato nas

frações líquido e vapor conforme demonstra a tabela 5, foi possível calcular os balanços

de energia nos pratos considerados representativos para a coluna de destilação.

Tabela 5 - Fluxo de massa e energia nos pratos considerados representativos para

coluna de destilação.

Pratos v* (kgmol/h) L** (kgmol/h) HL (kJ/kgmol) HV (kJ/kgmol)1 11,47 13,25 - 468.900,00 -436.900,002 11,47 13,23 - 469.000,00 -436.900,003 11,46 13,22 - 469.100,00 -437.000,0010 11,29 13,15 - 467.700,00 -432.000,0011 9,925 13,05 - 465.200,00 -423.000,0012 9,922 6,749 - 465.300,00 -423.000,0028 9,875 6730 - 463.900.00 -418.100,0029 9,779 6.699 - 457.600,00 -405.200,00

30 7,938 6,603 - 451.400,00 -412.600,00* Fluxo molar de vapor do ácido acético

** Fluxo molar de líquido do ácido acético

Prato nº 2

(L1x H 1L) + (V3 x H 3

v) = (L2x H 2L) + (V2x H 2

v)

(13,25 x (- 468.900,00)) + (11,46 x (-437.000,00)) = (13,23 x (- 469.000,00)) +

(11,47 x (- 469.000,00

- 11219945 KJ/h ≈ -11584300

Prato nº 11

(L10x H 1 0L ) + (V12 x H 12

v ) = (L11x H 11L ) + (V11x H 11

v )

(13,15 x (- 467.700,00)) + (9,922 x (-423.000,00)) = (13,05x (- 465.200,00)) + (9,925 x

(-423.000,00))

-10347261 KJ/h ≈ -1026913 KJ/h

Prato nº 29

(L28x H 28L ) + (V30x H 30

v ) = (L29x H 29L ) + (V29x H 29

v )

(6,730 x (- 463.900.00)) + (7,938 x (-412.600,00)) = (6,699 x (- 457.600,00)) + (9,779

x(-405.200,00))

-6397265,8 KJ/h ≈ -7027913,2 KJ/h

A diferença apresentada é justificada pela mesma variação apresentada no

balanço de massa nos pratos. Como a coluna não apresenta uniformidade de

componentes em sua constituição, de cada prato, é de se esperar que o balanço de

energia apresentado pelo software seja diferente do balanço de energia teórico, o qual

apresenta resultado baseado em uma coluna de destilação de constituição homogênea.

6. ANÁLISE DE GRAUS DE LIBERDADE

O Programa mostrou que a coluna de destilação T-101 está com o grau de liberdade

(Degrees of Freedom) igual a zero, como mostra a Figura 1, por este motivo ocorre à

convergência da simulação da planta pelo programa.

Figura 3 - Verificação do grau de liberdade no programa Hysys

Para a análise do grau de liberdade da coluna de destilação T-101 tomou-se

como variáveis desconhecidas a corrente Extrato (composta de 2 componentes em

concentrações desconhecidas), a corrente Destilado (composta de 1 componente em

concentrações desconhecidas) e a corrente Ácido Acético (composta de 2 componentes

em concentrações desconhecidas). Somou-se também as 2 correntes de reciclos

(Reboiler e Condenser). Portanto, tem-se no total 9 variáveis desconhecidas.

Utiliza-se também os balanços materiais das seções de Entrada, Vaporização e

Condensação, totalizando 3 balanços.

Como o grau de liberdade é a quantidade mínima de variáveis para o controle do

processo utilizou-se apenas algumas variáveis.

Variáveis dos dados de entrada:

Frações molares: 3 componentes (Ácido acético, Etil-acetato e Água);

Pressão;

Temperatura.

Somando-se as equações:

Balanço de energia da coluna de destilação;

Balanço de massa global;

Balanço de massa: 3 balanços (Ácido acético, Etil-acetato e Água).

5 - 5 = 0

Desse modo, o número de variáveis desconhecidas do fluxo de entrada no

sistema é igual ao número de relações independentes existentes no processo.

7. CONCLUSÃO

A partir dos resultados obtidos, pode-se concluir que:

O grau de liberdade é igual à zero, devido o número de incógnitas ser igual ao

número de equações geradas;

O solvente utilizado (etil acetato) extraiu o soluto (ácido acético) com eficiência

ao final do processo, devido aos valores dos coeficientes de distribuição obtidos

da simulação;

O extrato é a fase rica em solvente, no caso o etil acetato;

O rafinado é a fase rica em líquido, no caso a água.

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