INFLUNCIA DA RAZO DE RECICLO SOBRE O GASTO ENERGTICO E COMPOSIO DE SADA EM UM FLASH USADO EM PROCESSOS DE
QUENCHING
1 Altamirando Colombo Ribeiro Neto e 2 Adilson Jos de Assis
1 Aluno de mestrado PIBIC/CNPq/UFU, discente do curso de Engenharia Qumica) 2 Professor da Faculdade de Engenharia Qumica da UFU/MG)
1,2 Faculdade de Engenharia Qumica da Universidade Federal de Uberlndia. Av Joo Naves de vila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mnica, Uberlndia - MG, CEP 38408-100)
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RESUMO - Atualmente a simulao assistida por computador uma das mais importantes ferramentas tecnolgicas de processo, a qual utilizada no s na fase de projeto, mas tambm na de operao das unidades. Os simuladores de processos disponveis no mercado esto cada vez mais sofisticados e os bancos de dados com propriedades fsico-qumicas mais acuradas. Alguns destes simuladores disponveis no mercado so livres de encargos, como o caso do simulador de processos COCO utilizado neste trabalho. Ele compatvel ao protocolo CAPE-OPEN, ou seja, permite uma comunicao padronizada entre diversos simuladores de processos. Entretanto, ele utilizado apenas para processos em estado-estacionrio. Neste trabalho, as simulaes foram efetuadas no COCO em que foi avaliado como a razo de reciclo influencia o gasto energtico e a composio de sada em um flash multicomponente, com reciclo de parte da fase lquida. Tal processo utilizado quando se necessita resfriar rapidamente correntes atravs da mistura da corrente quente com uma corrente mais fria, conhecido como "quenching". O COCO mostrou ser uma ferramenta bastante til na simulao e anlise de processos unitrios do tipo apresentado neste trabalho. Palavras-Chave: simulao, quenching, reciclo
INTRODUO
O avano de processo assistido por simulao de computador foi nada menos que espetacular nos ltimos anos. At o final de 1970, era raro um engenheiro qumico que tivesse alguma experincia no uso de um simulador de processo qumico. A maioria dos balanos materiais e energticos eram feitos mo por equipes de engenheiros. A simulao rigorosa de equipamentos de separao multiestgios e reatores complicados era geralmente desconhecida, e o projeto de tal equipamento era conseguido atravs de uma combinao de anlises simplificadas, mtodos grficos, e anos de experincia. Nos dias atuais, no entanto, as empresas esperam que os seus engenheiros juniores estejam familiarizados com uma grande variedade de programas de computador, especialmente um simulador de processos (Turton et al., 1998).
Em certa medida, o conhecimento necessrio para simular um processo qumico com sucesso depender do simulador utilizado. Atualmente existem vrios simuladores de processos no mercado, por exemplo, CHEMCAD, ASPEN PLUS, HYSYS, PRO / II, e SuperPro Designer. Neste trabalho ser usado o ambiente de simulao COCO, que um simulador de processos qumicos gratuito, diferentemente dos citados anteriormente. Alm disso, ele compatvel com o protocolo CAPE-OPEN, ou seja, permite uma comunicao padronizada entre diversos simuladores de processos, pacotes termofsicos e mesmo com outros softwares, tais como Excel, Scilab etc. Entretanto, o COCO utilizado apenas para processos em estado-estacionrio.
O algoritmo de soluo para o processo de simulao do COCO a aproximao sequencial modular em que as equaes que descrevem o processo de desempenho das unidades dos equi-pamentos so agrupadas e resolvidas em mdu-los, ou seja, o processo resolvido equipamento
por equipamento em apenas uma direo. Esta caracterstica faz com que seja necessria a utili-zao de estratgias para resolver processos com a presena de reciclo.
Quenching o processo de resfriamento rpido de uma corrente, em geral a sada de um reator que se encontra a uma temperatura eleva-da, usando uma outra corrente do processo que est numa temperatura mais amena. Atravs da mistura das duas corrente possvel resfriar uma corrente de modo mais rpido do que seria poss-vel usando um trocador de calor, por exemplo.
Este trabalho teve como objetivos: (i) simu-lar e variar parametricamente o reciclo de um pro-cesso de quenching; (ii) verificar a influncia do reciclo na carga trmica, na capacidade calorfica, na vazo mssica da mistura e na variao de temperatura.
METODOLOGIA
O estudo de caso refere-se ao problema
Flash com reciclo (Seader et al., 2011) e trata-se da separao de hidrocarbonetos presentes na alimentao com a existncia de uma corrente de reciclo. Uma corrente de alimentao 85C e 100 psia entra no processo com a especificao conforme Tabela 1.
Tabela 1 Dados do processo simulado.
Vazo mssica
(lb/h)
Vazo molar
(mol/s)
Metano 50 0,39268805
Etano 100 0,41901524
Propano 700 2,0001024
N-butano 870 1,8859686
1-buteno 1176 2,6408623
1,3-butadieno 5130 11,949441 A sequncia de equipamentos do processo composta de um misturador (m - 1), vlvula (V - 1), trocador de calor (H - 1), vaso flash (V - 2), divisor de correntes (s - 1) e bomba (P - 1). Todos esses equipamentos funcionando em conjunto formam a operao de separao, como mostrado no diagrama da Figura 1.
A alimentao (corrente 1) que contm os hidrocarbonetos encontra-se com o reciclo atravs do misturador (m - 1) onde a corrente de mistura ser despressurizada em uma vlvula e enviada na forma de um fluido bifsico para um vaso flash (V - 2) para a separao.
Figura 1 Diagrama detalhado do processo simulado.
A carga trmica no trocador de calor foi calculada usando a equao calorimetria, de a-cordo com a Equao 1.
(1)
Desde j, nota-se que todo o processo ser influenciado pela razo de diviso do reciclo que definido como a corrente que retorna ao processo (corrente 8), dividida pela que entra no divisor (corrente 6), conforme a Equao 2.
(2)
Uma condio para que uma mistura seja bifsica que ela esteja na regio bifsica do grfico de equilbrio lquido-vapor (ELV). A temperatura e presso do vaso flash so de 5C e 25 psia, respectivamente, e consequentemente para que haja separao, estas especificaes devem satisfazer a condio de ELV da mistura. Assim que a mistura bifsica entra no vaso, a gravidade faz com que o lquido desa separando-o do vapor, e este siga a direo ascendente, por isso a importncia que a corrente entre neste vaso em duas fases, pois caso esteja em uma no haver separao. Sabendo que o COCO possui o algoritmo de aproximao sequencial, a resoluo deste problema foi feita a partir dos passos descritos abaixo. Em cada passo, aplicou-se o solver (resolvedor) com objetivo de garantir que tudo que estiver sido resolvido at ento, esteja convergindo. Se o processo for contrudo numa nica etapa, com todos os equipamentos, e somente depois aplicar o solver, pode ser difcil convergir processos com reciclo:
1. Insero do pacote termodinmico e escolha das espcies qumicas.
2. Insero da corrente de alimentao definindo a temperatura de 85C, presso de 100 psia e vazes molares dos componentes.
3. A corrente de reciclo temporria, foi definida arbitrariamente como 100C e 100 psia, mas a uma vazo molar total de 0 (zero) lb/h e a conectou no misturador.
4. A corrente resultante, aps o misturador, foi conectada a uma vlvula, esta com o objetivo de reduzir a presso do sistema de 100 psia para a presso do interior do vaso flash de 25 psia.
5. A corrente resultante foi conectada ao vaso flash isotrmico, a de 5C, e 25 psia.
6. A separao pelo equilbrio lquido vapor gerou duas correntes, a de produto de topo e produto de fundo, sendo que est ltima enviada a um divisor de correntes, em que se divide em outras duas, produto final e o reciclo. Definiu-se a razo de diviso do
reciclo, ou o Splitfactor,em valores entre 0 e 1.
7. O reciclo conectado a uma bomba para aumentar a presso para 100 psia.
8. Substituir a corrente de reciclo temporria pela corrente de reciclo a 100 psia.
RESULTADOS E DISCUSSO
Cada corrente do processo tem seus
valores de presso (psi), temperatura (C), vazo mssica (lb/h), frao molar de cada componente e frao molar da fase lquida e vapor apresentados na Figura 1 do Apndice A.
A partir dados da tabela da Figura 2 possvel observar que a vlvula presente no processo despressurizou a corrente sua entrada de 100 psi (sada do misturador) para 25 psia (sada da vlvula), porm com uma reduo de temperatura devido expanso do fluido.
Figura 2 Imagem do processo no simulador COCO contendo os resultados dos dados de cada corrente para uma razo de reciclo de 0,5.
Outro ponto importante a se destacar para fins de se entender melhor a anlise posterior, que houve uma separao dos gases mais leves dos mais pesados no vaso flash. Por exemplo, a frao molar de metano, massa molar 16 lb/lbmol, que o componente mais leve da mistura aumentou no vapor, na sada do flash (produto de topo). Por outro lado, a frao molar do n-butano, massa molar 58 lb/lbmol, aumentou na corrente
de lquido da sada do flash (produto de fundo). importante salientar que este vaso foi especificado como sendo isotrmico.
A razo de reciclo influenciou muito pouco a frao molar de metano e 1,3-butadieno na corrente de produto de topo. Entretanto, mostrou significativa influncia nas fraes molares para os componentes da corrente de fundo.
A influncia do reciclo na variao da temperatura outro ponto importante. O valor
desta razo de reciclo ir influenciar todo o processo conforme mostra a Figura 2.
(a)
(b)
Figura 3 (a) comportamento de cp e m em funo de R. (b) comportamento de T e Q, no trocador de calor, em funo de R.
A Figura 3(a) mostra o comportamento da
taxa mssica e da capacidade calorfica em funo da razo de reciclo (R), para a corren
