Integração - Final

1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

DISCIPLINA: INTEGRAÇÃO II

PRODUÇÃO DE CLORETO DE VINILA

CURITIBA

OUTUBRO, 2012

2

JÉSSICA KIMIE AKISHINO

JULIANA YUMI TODA

LUIS FERNANDO DOS SANTOS

VINICIUS CLAUDIO DOS SANTOS

PRODUÇÃO DO CLORETO DE VINILA

Trabalho realizado para disciplina de

Integração II pelos alunos do quarto

período do curso de Engenharia

Química sob orientação do Professor

Marcos Rogério Mafra.

CURITIBA

OUTUBRO, 2012

3

SUMÁRIO 1. RESUMO ....................................................................................................................................... 4

2. INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 4

3. OBJETIVOS .................................................................................................................................. 4

4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................................... 5

4.1. Histórico ..................................................................................................................................... 5

4.2. Matéria-prima ............................................................................................................................ 5

4.2.1. Cloro ............................................................................................................................... 5

4.2.2. Eteno .............................................................................................................................. 6

4.3. Processo produtivo ............................................................................................................... 8

5. RESULTADOS ............................................................................................................................ 11

5.1. BALANÇO DE MASSA .......................................................................................................... 11

5.1.1. BALANÇO DE MASSA SEM RECICLO ...................................................................... 11

5.1.2. BALANÇO DE MASSA COM RECICLO ...................................................................... 12

5.2. CÁLCULO DAS PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS ............................................ 13

ANEXO 1: BALANÇO DE MASSA ................................................................................................. 16

ANEXO 2: PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS ...................................................................... 35

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1. RESUMO

Esse trabalho retrata o processo de produção de cloreto de vinila, a partir da

rota da reação balanceada, pois é o principal meio utilizado para a obtenção deste

produto. Foi realizado um breve histórico desde a sua descoberta até os dias atuais,

bem como uma descrição e levantamento das propriedades das matérias-primas e

do produto obtido.

A partir de uma planta do processo produtivo de cloreto de vinila foram

estudadas algumas propriedades termodinâmicas responsáveis pelo desempenho

da indústria. Por meio do balanço de massa foi possível determinar a quantidade de

matéria-prima necessária para a produção de 10.000 kg/h do produto principal, e a

carga térmica de cada equipamento pôde ser determinada pelo balanço de energia.

2. INTRODUÇÃO

O cloreto de vinila (CH2=CHCl) é um organoclorado, que apresenta-se como

gás incolor à pressão e temperatura ambiente, além de ser altamente tóxico,

inflamável e cancerígeno e atuar como um importante sintético industrial. Ele é

utilizado apenas como matéria-prima, ou seja, não existindo como produto final,

devido a suas características prejudiciais a saúde humana. Seu principal uso tem

sido como matéria-prima na polimerização do poli (cloreto de vinila), mais conhecido

como PVC, mas também é utilizado na produção de copolímeros. Estes polímeros

estão presentes em diversos produtos industriais e de consumo com uma ampla

gama de aplicações1.

3. OBJETIVOS

Este trabalho tem por objetivo realizar o balanço de massa e energia do

processo produtivo do Cloreto de Vinila, bem como desenvolver nossas habilidades

como futuros engenheiros químicos.

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4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1. Histórico

O monômero cloreto de vinila (MVC) foi descoberto pelo Justus von Liebig em

1835 na Universidade de Giessen a partir da reação do dicloroetileno com hidróxido

de potássio em solução alcoólica2,3. Entretanto, foi um dos alunos de Liebig, Victor

Regnault, o responsável pela publicação de um artigo em 1839 relatando a

observação da ocorrência de um pó branco após a exposição de ampolas seladas

preenchidas com o MVC à luz solar Regnault pensou que esse pó fosse PVC, mas

estudos indicaram tratar-se de poli (cloreto de vinilideno)3.

Em meados de 1974 pesquisas realizadas evidenciaram a toxicidade do

cloreto de vinila, sendo o seu efeito cancerigeno notado em pessoas expostas ao

seu vapor. Um caso curioso da história desse organoclorado foi a sua utilização em

pulverizador de aerossol propulsor, ou seja, em sprays de cabelo de salões de

beleza, em que o acúmulo de seu vapor no ambiente levou a índices superiores aos

das diretrizes de exposição.

Atualmente, o MVC pode ser obtido a partir de diferentes processos como,

por exemplo, na China é gerado pela sintese do cloro com o acetileno, no entanto, o

mais amplamente utilizado no mundo é o processo de obtenção do MVC através da

reação entre o cloro e o eteno. Algumas indústrias, devido à periculosidade da

produção do monômero cloreto de vinila, optam por produzi-lo na mesma planta

onde é gerado o PVC, já outras indústrias produzem o MVC apenas para

comercialização.

4.2. Matéria-prima

4.2.1. Cloro

À temperatura ambiente e pressão atmosférica, o cloro é um gás oxidante,

altamente tóxico, corrosivo na presença de umidade, de cor amarelo-esverdeado e

com um odor desagradável e altamente irritante. Além disso, o gás cloro no é

inflamável.

Através da eletrólise do cloreto de sódio em meio aquoso é feita a produção

do gás cloro. No ânodo da célula eletrolítica o cloro é liberado, enquanto que o

6

hidróxido de sódio e o gás hidrogênio são produzidos no cátodo. Essa é uma das

formas de obtenção do cloro.

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + Cl2 + H2

A matéria prima básica desse processo é o sal comum.

4.2.2. Eteno

O eteno, conhecido usualmente como etileno, é um gás a temperatura

ambiente e pressão atmosférica e é altamente inflamável. É incolor, possui um odor

adocicado e sabor característico. Não é tóxico, porém possui efeito anestésico.

O eteno é obtido por meio de processos da indústria petroquímica a partir do

petróleo, gás natural ou etanol. Algumas dessas matérias-primas são ricas em

hidrocarbonetos leves, particularmente etano, propano e butano os quais são

submetidos a processos de craqueamento para a obtenção de eteno e propeno.

Nesses processos ocorre a desidrogenação e quebra das moléculas dos

hidrocarbonetos saturados.

Na Tabela 1 constam as propriedades das matérias-primas envolvidas no

processo, e do produto final obtido.

7 Tabela 1. Propriedades das matérias-primas e do produto final.

Propriedade Eteno Cloro Cloreto de

vinila Ácido clorídrico Oxigênio Água

Ponto de Fusão (°C)

-169,1 -102 -153,8 114,2 110 - 111 0

Ponto de ebulicão (°C)

-103,7 -34 -13,36 -85 -183,02 100

Densidade crítica (g/cm3)

0,22 0,573 - 0.42 0,38 0

Pressão crítica (Torr)

37953 53180,3 41553,3 1950,2 38329,4 165767

Temperatura crítica (°C)

9,6 146,94 151,85 65,44 -118,36 380

Volume crítico (cm3/mol)

0,13 0,1235 0,178 0,0876 0,1016 0,07746

Entalpia de formacão (KJ/mol)

52,26 0 20,934 - 0 -241,88

Entalpia de fusão (J/mol)

3350,29 6200 4746,78 - 443,7 6103,58

Densidade (CNTP) (Kg/

m3) 1,261 2,98 0.98343 - - -

MM (g/mol) 28,05 70,9 62,4988 36,4609 31,9988 18,0153

Solubilidade 0,226 cm3/ cm3

de água 4,610 cm3/ cm3

de água 0,0008308 g/ cm3

de água 0,227881 g/ cm3 de

água 0,0000130875 g/cm3 de água

-

Viscosidade (CNTP) (Cp)

0,0093 0,01327 0.000109 0.0008 - -

Toxicidade Não tóxico - Cancerígeno

Irritante para os olhos, nariz e garganta, e se

inalado, causará tosse ou dificuldade

respiratória

Não tóxico Não tóxico

8

4.3. Processo produtivo

A produção do cloreto de vinila é realizada principalmente pelo processo

balanceado (rota do eteno/cloro), ou seja, todos os intermediários e produtos

secundários são reciclados de uma maneira ajustada para que o balanço material

tenha apenas como produto final o MVC a partir de cloro, etileno e oxigênio4. A

Figura 1 ilustra o fluxograma do processo produtivo a ser descrito a seguir.

Primeiramente o etileno passa por uma cloração para obter o 1,2-dicloroetano

ou simplesmente EDC. Esse processo ocorre por duas rotas interdependentes:

cloração direta e a oxicloração. Na reação de cloração direta há a entrada de cloro e

eteno no reator R1, essa reacão normalmente se processa a temperaturas na faixa

de 50 a 70ºC e sob pressões de 4 a 5 atm nos processos de fase líquida, enquanto

nos processos de fase gasosa a temperatura e a pressão variam, respectivamente,

entre 90 e 130ºC e 7 e 10 atm3,Erro! Fonte de referência não encontrada..

C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2

Reação 1. Cloração direta. Fonte: LAKSHMANAN et. al., 1999

Na reação de oxicloração, o eteno reage com cloreto de hidrogênio no reator

R3, proveniente do reciclo da destiladora S6, na presença de oxigênio, normalmente

proveniente do ar atmosférico, e cloreto de cobre como catalisador, em temperaturas

na faixa de 250 a 350ºC. Aumentos no rendimento dessa reação podem ser

conseguidos com a injeção de oxigênio em adição ao ar atmosférico, aumentando

sua pressão parcial no meio reacional3,Erro! Fonte de referência não encontrada..

C2H4 + 2HCl + ½ O2 → C2H4Cl2 + H2O

Reação 2. Oxicloração Fonte: LAKSHMANAN et. al., 1999

O EDC bruto formado nos reatores R1 e R2 segue para a unidade S0 de

lavagem e secagem onde ocorrerá a dissolução dos gases e impurezas. Desse

equipamento saem a água e o EDC bruto que segue para o equipamento de

purificação S1, onde os gases dissolvidos e as impurezas mais leves serão

removidos sendo direcionados para destiladora S4; já o EDC bruto contendo ainda

uma pequena quantidade de impurezas leves e uma grande quantidade de

impurezas pesadas é enviado para a purificação na coluna de destilação S2.

9

Figura 1. Fluxograma do processo produtivo do cloreto de vinila

10

Esta coluna recebe EDC bruto de três reatores e é a parte do processo

onde três grandes ciclos de reciclo se cruzam. O destilado do topo de S2, a

uma temperatura de 362 ºC e a pressão de 1,2 bar, carrega as impurezas leves

e uma pequena quantidade de EDC que será reciclado e recuperado por S4,

retornando para R1, enquanto que a impurezas leves serão removidas do

processo.

A purificação do EDC continua, a uma temperatura de 368 ºC e a

pressão de 1,2 bar, na coluna de destilação S3 e posteriormente em outra

coluna de destilação S5, nota-se que essas colunas trabalham em conjunto na

purificação do EDC. Em S3 as impurezas pesadas são direcionadas a coluna

S5 onde serão removidas do processo, enquanto o EDC, a temperatura de 365

ºC é enviado para R2 (Figura 2) onde ocorre a pirólise ou craqueamento, em

um dispositivo formado por uma bobina longo tubular colocada em um forno

dividido em duas partes: zona de convecção - onde ocorre o aquecimento do

reagente até uma temperatura suficiente para que ocorra a pirolise, e zona de

reação – onde o reagente segue para câmara de radiação. O craqueamento do

EDC é uma reação endotérmica que ocorre a temperaturas entre 480-550 °C e

pressões de 3 a 30 bar.

Figura 2. Forno de Pirólise Fonte: DIMIAN et al., 2008.

O produto de R2 segue para a coluna de separação S6 no qual se

decompõe em (MVC+EDC) e HCl com uma pequena quantidade de EDC a

uma pressão entre 9 a 12 bar e temperatura entre 244 a 253 ºC. O HCl é

11

reciclado e retorna para R3, já o (MVC+EDC) é direcionado para S7, coluna na

qual serão separados o EDC, que é reciclado e retorna para S2, do MVC, a

uma temperatura entre 364 e 375 ºC e a pressão entre 9 e 12 bar, obtendo-se

assim o produto final.

Após deixar o reator R2, no qual ocorre o craqueamento, o

MVC+HCl+EDC segue para etapa de purificação (S6 e S7). Em S6 o HCl é

reciclado e segue para R3, já o CV+EDC é direcionado para S7, onde serão

separados. O EDC voltará para a etapa de purificação do EDC bruto (S2) para

facilitar a remoção de algumas impurezas ainda existentes. E assim obtém-se o

MVC como produto final e pronto para a comercialização.

5. RESULTADOS

5.1. BALANÇO DE MASSA

Nesta etapa foram determinadas as vazões (mássicas e molares) de todas

as correntes presentes na planta de produção do cloreto de vinila (MVC), bem

como a quantidade necessária de matéria-prima para produzir 10000 kg/h de

MVC. Além disso, foram determinadas as frações de cada componente.

5.1.1. BALANÇO DE MASSA SEM RECICLO

Primeiramente, foi feito o balanço de massa para o forno F-01 partindo

dos dados de produção final de MVC na destiladora D-02 igual a 10.000 Kg/h,

utilizando a reação decorrente no forno de pirólise F-01:

O balanço de massa foi calculado a partir da conclusão de que a

quantidade de matéria de cada componente após o forno F-01 é constante, já

que não ocorrem reações químicas de transformação dos compostos, mas

somente reações de decomposição dos mesmos. Sendo assim, nos primeiros

balanços de massa do Forno F-01, da Destiladora D-01 e da Destiladora D-02,

o valor do reciclo, por enquanto, não foi considerado.

12

5.1.2. BALANÇO DE MASSA COM RECICLO

Determinada as vazões de todas as correntes enumeradas a partir da

corrente 3, a partir do balanço de massa desconsiderando o reciclo, seguem os

cálculos do balanço de massa realizados em planilhas eletrônicas utilizando o

programa Excel da Microsoft. Sendo que, os cálculos para reciclo foram feitos

utilizando cálculos iterativos através da ferramenta ‘’atingir metas’’ do programa

Excel. Os dados obtidos de vazões e composições de todas as correntes estão

detalhados na Tabela 2. O memorial de cálculo do balanço de massa de todas

as correntes está no anexo 1 deste trabalho.

Tabela 2. Dados obtidos pelo balanço de massa.

Componente Vazão molar

(kmol/h) Fração molar

Vazão mássica

(kg/h)

Fração mássica

CORRENTE 1 Cl2 161,56 1,00 11454,60 1,00

CORRENTE 2 C2H4 161,56 1,00 4523,68 1,00

CORRENTE 3 C2H4Cl2 161,56 1,00 15976,28 1,00

CORRENTE 4 C2H4Cl2 161,56 1,00 15976,28 1,00

CORRENTE 5 C2H4Cl2 161,56 1,00 15976,28 1,00

CORRENTE 6 C2H4Cl2 273,20 0,99 27019,40 0,99

C2H3Cl 3,94 0,01 245,90 0,01

CORRENTE 7 C2H4Cl2 273,20 0,99 27019,40 0,99

C2H3Cl 3,94 0,14 245,90 0,01

CORRENTE 8

C2H4Cl2 111,64 0,25 11041,12 0,41

C2H3Cl 167,95 0,38 10245,90 0,38

HCl 164,01 0,37 5978,28 0,22

CORRENTE 9

C2H4Cl2 111,64 0,25 11041,12 0,41

C2H3Cl 167,95 0,38 10245,90 0,38

HCl 164,01 0,37 5978,28 0,22

CORRENTE 10 HCl 164,01 1,00 5978,28 1,00

CORRENTE 11 C2H4Cl2 111,64 0,41 1141,12 0,52

C2H3Cl 164,01 0,60 10245,90 0,48

CORRENTE 12 C2H3Cl 978,34 1,00 10000,00 1,00

CORRENTE 13 C2H4Cl2

C2H3Cl

11,65

3,94

0,97

0,03

11042,00

245,90

0,98

0,02

13

5.2. CÁLCULO DAS PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS

Nesta avaliou-se primeiramente o estado físico dos componentes de

cada corrente, para assim determinar as densidades, entalpias e vazões

volumétricas de todas as correntes envolvidas no processo.

Para o cálculo de densidade de gases utilizou-se a equação de Peng-

Robinson (regra de mistura de Van de Waals) e para líquidos a equação de

Rackett. Na entalpia de gases acrescentou-se a correlação de Lee-Kesler

(entalpia residual). No cálculo da capacidade calorífica de líquidos foi utilizada

a correlação de Rowlinson-Bondi. E para a entalpia de vaporização a equação

de Riedel.

O estado físico, temperatura, volume molar, densidade, vazão

volumétrica e entalpia, constam na Tabela 3. O memorial de cálculo dessas

propriedades estão no anexo 2.

Tabela 3. Dados das propriedades termodinâmicas.

Corrente Estado

físico

Temperatura

(K)

Volume

molar

(m³/mol)

Densidade

(mol/m³)

Vazão

volumétrica

(m³/h)

Entalpia

(kJ/kmol)

1 Gasoso 363,15 1,990x10-2

50,2513 3,215 2137,55

2 Gasoso 363,15 1,988 x10-2

50,3000 3,212 2995,43

3 Líquido 363,15 8,214 x10-5

12174,34 13,27 8701,96

6 Líquido 487,41 5,458 x10-5

19656,63 15,26 24264,82

7 Gasoso 515,15 1,173 x10-3

852,27 325,18 48006,24

8 Gasoso 773,15 2,410 x10-3

414,90 1069,2 50216,01

9 Gasoso 443,15 1,445 x10-3

691,86 641,17 14713,12

10 Gasoso 246,85 1,713 x10-3

583,80 280,94 -3042,85

11 Líquido 366,15 6,748 x10-5

15598,24 17,06 -6026,78

12 Líquido 306,25 6,718 x10-5

14890,00 10,75 -1872,65

13 Líquido 419,50 5,976 x10-5

9048,81 6,908 6839,37

5.3. BALANÇO DE ENERGIA

Nesta etapa, foram calculadas as taxas de calor fornecidas ou retiradas

de cada equipamento da planta. Isso foi realizado através do balanço de

energia, em que, para os reatores foram necessários os calores de reação, nos

14

trocadores de calor pode-se determinar a quantidade de água para aquecer ou

resfriar os equipamentos e no ponto de mistura foi possível calcular a

temperatura da corrente de entrada após o reciclo.

Balanço de energia por corrente:

Corrente Estado

físico

Temperatura

(K)

Volume

molar

(m³/mol)

Densidade

(mol/m³)

Vazão

volumétrica

(m³/h)

Entalpia

(kJ/kmol)

1 Gasoso 363,15 1,990x10-2

50,2513 3,215 2137,55

2 Gasoso 363,15 1,988 x10-2

50,3000 3,212 2995,43

3 Líquido 363,15 8,214 x10-5

12174,34 13,27 8701,96

6 Líquido 419,15 5,458 x10-5

19656,63 15,26 14556,01

7 Gasoso 515,15 1,173 x10-3

852,27 325,18 48006,24

8 Gasoso 773,15 2,410 x10-3

414,90 1069,2 50216,01

9 Gasoso 443,15 1,445 x10-3

691,86 641,17 14713,12

10 Gasoso 246,85 1,713 x10-3

583,80 280,94 -3042,85

11 Líquido 366,15 6,748 x10-5

15598,24 17,06 -6026,78

12 Líquido 306,25 6,718 x10-5

14890,00 10,75 -1872,65

13 Líquido 419,50 5,976 x10-5

9048,81 6,908 6839,37

Balanço de energia por equipamento:

Equipamento Calor (kJ/h) Quantidade água (kg/h)

Reator -37,63x106 -

Evaporador 9,27x106 5678,62

Forno de pirólise 20,32x106 -

Resfriador -7,96x106 126867,78

Condensador 4,11x106 65563,92

Destiladora 01 -1,57x106 -

15

6. CONCLUSÃO

Neste trabalho, desenvolveram-se as atividades básicas para o

funcionamento de uma indústria, cujo objetivo é produzir o composto orgânico

Cloreto de Vinila. Uma dessas atividades é o balanço de massa, cuja função

principal é determinar a quantidade de matéria-prima envolvida no processo de

produção. Além disso, algumas propriedades termodinâmicas foram

calculadas, como Entalpias, volumes molares, vazões volumétricas e pressões

de vapor.

Outra atividade de grande importância é o balanço de energia. Com isso,

pode-se determinar a quantidade de calor que a produção do Cloreto de Vinila

demanda, bem como a quantidade de água utilizada nos trocadores de calor.

Essas atividades são importantes para a realização do projeto de uma

indústria, pois com essas informações é possível projetar equipamentos,

tubulações e trocadores de calor.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. HARPER, Charles A. Modern Plastics Handbook. McGraw-Hill, Inc., 1994.

2. WILKERS, C. E.; SUMMERS, J. W.; DANIELS, C. A. PVC Handbook.

Hanser: Munique, 2005.

3. RODOLFO JÚNIOR, Antonio; NUNES, Luciano Rodrigues; ORMANJI, Wagner. Tecnologia do PVC. 2. ed. Braskem: Sao Paulo, 2006.

4. DIMIAN, A. C.; BILDEA, C. S. Chemical Process Design: Computer-

Aided Case Studies. WILEY-VCH: Weinheim, 2008.

5. LAKSHMANAN, A.; ROONEY,W.C.; BIEGLER, L.T. A case study for

reactor network synthesis: the vinyl chloride process. Computers and

Chemical Engineering, Vol. 23, p. 479–495, 1999

6. FELDER, Richard M.; ROUSSEAU, Ronald W. Princípios elementares dos processos

químicos. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005.

7. Anotações da disciplina de Processos Químicos, Professora Luciana Igarashi Mafra.

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ANEXO 1: BALANÇO DE MASSA

1.1 BALANÇO DE MASSA SEM RECICLO

Primeiramente, foi feito o balanço de massa para o forno F-01 partindo

dos dados de produção final de MVC na destiladora D-02 igual a 10000 Kg/h,

utilizando a reação decorrente no forno de pirólise F-01:

Isso foi calculado a partir da conclusão de que a quantidade de matéria

de cada componente após o forno F-01 é constante, já que não ocorrem

reações químicas de transformação dos compostos, mas somente reações de

decomposição dos mesmos. Sendo assim, nos primeiros balanços de massa

do Forno F-01, da Destiladora D-01 e da Destiladora D-02, o valor do reciclo,

por enquanto, não foi considerado.

1.1.1. Forno de Pirólise

7

8

F-01

Figura 3. Desenho esquemático das correntes do forno de pirólise F 01.

Optou-se por começar o balanço de massa determinando as frações

mássicas do forno de pirólise a partir do balanço molar, visto que dispúnhamos

da conversão e de que no momento não se fez necessário o conhecimento da

vazão molar de entrada no forno.

Dados:

17

Vazão molar: 7

Conversão de dicloroetano: (58+6x0,25)%, no qual 6 corresponde ao número

da equipe.

Para obter as frações mássicas dos produtos e reagentes, foi feito o

balanço de massa da seguinte reação:

C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl

Entra 7 0 0

Reage/Forma -0,595 7 0,595 7 0,595 7 Sai 0,405 7 0,595 7 0,595 7 MM (g/mol) 98,92 62,47 36,45

Sendo,

Para o dicloroetano (C2H4Cl2):

Os valores para as demais substâncias seguem na tabela a seguir:

Tabela 4. Composições Mássicas do Reator R-01

Reator R-01

Componente Vazão Mássica

Fração Mássica (Kg/h)

C2H4Cl2 0,41

C2H3Cl 0,38

HCl 0,22

Total 1

Ao analisar o fluxograma é possível inferir que as vazões e composições

em base mássica são as mesmas para as correntes 8 e 9. Considerando

também equivalente a vazão mássica da corrente 7 com as correntes 8 e 9,

visto que a vazão mássica que entra no forno deve ser a mesma que sai.

É importante salientar que este balanço em base molar foi feito visando

à obtenção das frações mássicas para que se tivesse os parâmetros da

18

corrente 9 e assim pudesse ser feito o balanço de massa a partir da produção

de 10.000 Kg/h de monocloreto de vinila (corrente 12). Logo, segue o balanço

para as destiladoras D-01 e D-02, para obtenção dos dados desconsiderando a

existência do reciclo.

1.1.2. Destiladora D-01

11

10

D-01

9

Figura 2. Desenho esquemático das correntes da destiladora D 01.

A partir do balanço de massa da reação do

forno de pirólise, foram obtidos os valores da quantidade de massa de cada

componente formado. Desse modo, a composição da corrente 9, que entra na

Destiladora D-01, foi conhecida.

Dados:

Recuperação de Ácido Clorídrico (HCl): 100%

Na destiladora D-01, a corrente 9 é a única corrente de entrada da

destiladora, sendo essa proveniente do quench para o resfriamento e composta

por HCl, EDC e MVC.

As correntes geradas por D-01 são: a corrente de topo (corrente 10) e a

de fundo (corrente 11). A corrente de fundo é composta somente por MVC e

EDC, pois a recuperação de HCl em D-01 é 100%, ou seja, toda a quantidade

de HCl segue para a corrente de topo.

Portanto, a partir dos dados calculados anteriormente, realiza-se o

balanço de massa global para a Destiladora D-01:

(a)

19

O balanço para o MVC na corrente 9:

(b)

Pode-se calcular a quantidade de MVC na corrente :

E, substituindo em (b), obtém-se a vazão mássica da corrente 9:

O mesmo é feito com o HCl, primeiramente, realiza-se o balanço de

massa para esse componente e descobre-se a vazão mássica da corrente 10:

Substituindo na equação (a) obtém-se as frações molares de

MVC e EDC na corrente 11:

Para se calcular as vazões molares das correntes basta dividir a vazão

mássica de cada componente pela respectiva massa molar, logo, para a

corrente 9:

20

Para as correntes 10 e 11, foram realizados os mesmo cálculos com os

respectivos valores de vazão mássica e fracções mássicas. A seguir,

apresentam-se as Tabela , Tabela e Tabela com os dados das correntes sem

reciclo 9, 10 e 11, respectivamente.

Tabela 2. Vazões e Composições Mássicas e Molares da Corrente 9

Corrente 9

Componente Vazão Molar

(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica

(kg/h) Fração Mássica

C2H3Cl 164,01 0,37 10245,90 0,38

C2H4Cl2 111,65 0,25 11042,00 0,41

HCl 163,74 0,37 5976,30 0,22

Total 439,40 1 27264,20 1


Corrente 10


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H3Cl 0 0 0 0

C2H4Cl2 0 0 0 0

21

HCl 163,73 1 5976,30 1

Total 163,73 1 5976,30 1


Corrente 11


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H3Cl 164,01 0,59 10245,90 0,48

C2H4Cl2 111,65 0,41 11042,00 0,52

HCl 0 0 0 0

Total 275,66 1 21287,90 1


D-02

11

12

13

Figura 3. Desenho esquemático das correntes da destiladora D 02.

Dados:

Alimentação (corrente 11): 21287,9 Kg/h

Recuperação de Cloreto de Vinila (MVC): 97,60%

Frações mássicas dos componentes na corrente 11:

MVC: 0,4813

EDC: 0,5187

De acordo com o balanço global de massa na destiladora (D-02), a

massa que entra na destiladora (corrente 11) é igual à soma das massas da

22

corrente 13 (EDC+MVC) e a corrente 11. A corrente 11 foi considerada 100%

MVC, em uma produção de 10000 Kg/h.

Portanto:

Para se calcular a quantidade de MVC que sai na corrente 13, usa-se:

Para se calcular a quantidade de EDC que sai na corrente 13, usa-se:

Para se calcular as vazões molares das correntes basta dividir a vazão

mássica de cada componente pela respectiva massa molar:

23


Corrente 13


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H3Cl 3,94 0,03 245,90 0,02

C2H4Cl2 111,65 0,97 11042,00 0,98

Total 115,58 1 11287,90 1

1.2. BALANÇO DE MASSA COM RECICLO

Determinada as vazões de todas as correntes enumeradas a partir da

corrente 3, a partir do balanço de massa desconsiderando o reciclo, seguem os

cálculos do balanço de massa realizados em planilhas eletrônicas utilizando o

programa Excel da Microsoft. Sendo que, os cálculos para reciclo foram feitos

utilizando cálculos iterativos através da ferramenta ‘’atingir metas’’ do programa

Excel.

1.2.1. Evaporador

Figura 4. Desenho esquemático das correntes do evaporador 01.

Na entrada do evaporador tem-se:

24


Corrente 6


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H4 0 0 0 0

Cl2 0 0 0 0

C2H4Cl2 273,20 0,99 27019,40 0,99

C2H3Cl 3,94 0,01 245,90 0,01

HCl 0 0 0 0

Total 277,14 1 27265,30 1

As condições de vazão e fração mássica e molar na saída do

evaporador permanecem a mesma da entrada, visto que não há neste

equipamento não ocorre nenhuma reação química e nenhum componente da

entrada é perdido ou muda de composição, logo:


Corrente 7


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H4 0 0 0 0

Cl2 0 0 0 0

C2H4Cl2 273,20 0,99 27019,40 0,99

C2H3Cl 3,94 0,14 245,90 0,01

HCl 0 0 0 0

Total 277,14 1 27265,30 1

25

1.2.2. Forno de Pirólise

7

8

F-01

Figura 5. Desenho esquemático das correntes do forno de pirólise F 01.

Como no forno de pirolise ocorre uma reação química, o balanço de

massa deve ser realizado em base molar.

C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl

Entra 275,65 3.94 0

Reage/Forma -164,01 164,01 164,01

Sai 111,64 167,95 164,01

MM (g/mol) 98,92 62,47 36,45

Corrente de saída:


Corrente 8


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H4 0 0 0 0

Cl2 0 0 0 0

C2H4Cl2 111,64 0,25 11041,12 0,41

C2H3Cl 167,95 0,38 10245,90 0,38

HCl 164,01 0,37 5978,28 0,22

Total 443,60 1 27265,30 1

26

1.2.3. Quench de Resfriamento

8

9

Figura 6. Desenho esquemático das correntes do quench de resfriamento 01.

Do forno de pirolise a corrente 8 segue para o Quench de Resfriamento,

de onde sai pela corrente 9 com as seguintes condições:


Corrente 9


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H4 0 0 0 0

Cl2 0 0 0 0

C2H4Cl2 111,64 0,25 11041,12 0,41

C2H3Cl 167,95 0,38 10245,90 0,38

HCl 164,01 0,37 5978,28 0,22

Total 443,60 1 27265,30 1

27


11

10

D-01

9

Figura 7. Desenho esquemático das correntes da destiladora 01.

Dados:

Recuperação de Ácido Clorídrico (HCl): 100%

Na destiladora D-01, a corrente 9 é a única corrente de entrada da

destiladora e, que se decompõe nas correntes 10 e 11, sendo a corrente de

topo e a de fundo, respectivamente. A corrente de fundo é composta somente

por MVC e EDC, pois a recuperação de HCl em D-01 é 100%, ou seja, toda a

quantidade de HCl segue para a corrente de topo.

As tabelas a seguir apresentam os valores de vazões e composições

mássicas e molares para as correntes 9, 10 e 11, respectivamente.


Corrente 10


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H3Cl 0 0 0 0

C2H4Cl2 0 0 0 0

HCl 164,01 1 5978,28 1

Total 164,01 1 5978,28 1

28


Corrente 11


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H3Cl 164,01 0,59 10245,90 0,48

C2H4Cl2 111,64 0,41 11041,12 0,52

HCl 0 0 0 0

Total 275,65 1 21287,02 1


D-02

11

12

13

Figura 8. Desenho esquemático das correntes da destiladora 02.

A destiladora D-02 possui a corrente 11 sua única corrente de entrada.

Essa corrente se divide em outras duas na saída da destiladora, sendo que a

corrente 12 possui um valor fixo de produção de MVC igual a 10000Kg/h e a

corrente 13 é composta por MVC e EDC.


Corrente 13


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H3Cl 3,94 0,03 245,90 0,02

C2H4Cl2 111,64 0,97 11041,10 0,98

Total 115,57 1 11287,00 1

29

1.2.6 Reator R-01

4

1

2

3

Cl2

C2H4

R-01

Condensador

5Água

de

Resfriamento

Impurezas

Figura 9. Desenho esquemático das correntes do reator 01.

Dados:

Conversão da reação de cloração: 100%

Cálculos efetuados a partir da estequiometria da reação, com base nos

números de mols devido ao fato destes, ao contrário da massa, não

permanecerem constante durante o processo reacional. A reação que ocorre

no reator é a seguinte:

Cloração: C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2

Esses cálculos foram realizados após determinar a quantidade de

reciclo.

Pela reação de cloração, temos que:

C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2

Entra 0

Reage/ Forma - -

Sai 0 0

30

Como a massa que segue para a bomba e posteriormente para o

evaporador (corrente 6) é igual à soma da corrente de reciclo (corrente 13) e a

corrente que sai do reator (corrente 3), temos que:

Como a corrente 3 é composta apenas pelo dicloroetano (EDC), para se

calcular a vazão molar da corrente basta dividir a vazão mássica do

componente pela respectiva massa molar:


Corrente 3


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H4Cl2 161,56 1 15976,28 1

Total 161,56 1 15976,28 1

Na Tabela 83 estão as vazões molar e mássica para a corrente 3.

Assim, é possível determinar as correntes 1 (contendo apenas Cl2) e 2

(contendo apenas C2H4) pela estequiometria da reação:

31

Convertendo os valores obtidos para vazão mássica:


Corrente 1


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


Cl2 161,56 1 11454,60 1

Total 161,56 1 11454,60 1


Corrente 2


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H4 161,56 1 4523,68 1

Total 161,56 1 4523,68 1

Nas Tabela14 e Tabela 15 constam as vazões molares e mássicas para

a corrente 1 e 2, respectivamente. Para calcular as correntes 4 e 5 determinou-

se o estado físico que o EDC se encontra na temperatura do reator. Para isso,

utilizou-se da equação de Antoine para calcular a pressão de vapor do EDC na

temperatura de 90ºC. As constantes utilizadas nesse cálculo são6:

32

A = 7,02530

B = 1271,254

C = 222,927

Com a pressão de vapor dada em mmHg e a temperatura em ºC.

Como a pressão de vapor do EDC calculada dentro do reator a 90ºC foi

menor que a pressão do reator (1,5 atm), isso indica que o EDC está

totalmente na fase vapor. Por isso, todo EDC dentro do reator passará pelo

condensador, liquefazendo toda corrente. Assim, temos que:

Além disso, as corrente 4 e 5 são compostas apenas de EDC, e

portanto:

Nas Tabela e Tabela 17 estão os valores das vazões molares e

mássicas para a corrente 4 e 5, respectivamente.


Corrente 4


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H4Cl2 161,56 1 15976,28 1

Total 161,56 1 15976,28 1

33


Corrente 5


(kmol/h)

Fração

Molar

Vazão Mássica


C2H4Cl2 161,56 1 15976,28 1

Total 161,56 1 15976,28 1

Como a pressão de vapor do dicloroetano é menor do que a pressão no

reator R-01, sabe-se que o dicloroetano encontra-se na fase liquida. Portanto,

considera-se que 0,1% do dicloroetano que é formado no R-01 é encaminhado

para o condensador.

34

ANEXO 2: PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS

2.1. ENTALPIA DE VAPORIZAÇÃO

Para o cálculo das entalpias de vaporização dos compostos, foi utilizada

a equação de Riedel:

Na qual R é a constante dos gases e Tb é a temperatura normal de

ebulição.

Pc – Pressão crítica (bar)

R – 1,987 cal/mol.K

EDC

Componente Tc (K) Tb (K) Pc (bar)

C2H4Cl2 566 356,7 53,7

Sabendo que 1 cal corresponde a 4,18 J:

35

HCl


HCl 324,7 188,1 83,1

2.2. CORRENTE 1

Corrente 1


(kmol/h) Fração Molar

Vazão Mássica (kg/h)

Fração Mássica

Cl2 161,56 1 11454,6 1

A corrente 1 é uma das correntes de entradas do reator R-01, composta

somente por Cl2.

Dados corrente:

Dados Cl2:

36

Avaliando as condições apresentadas, tem-se que:

Pressão de Vapor

A partir desses dados não é possível determinar o estado físico do

componente, para isso, foi calculada a pressão de vapor do dicloro a partir da

equação de Antoine:

Considerando que as constantes para o dicloro são:

Obtém-se:

Assim,

Ou seja, o componente encontra-se no estado gasoso.

Volume Molar

Para calcular o volume molar foi utilizada a equação de Peng-Robinson,

a seguir:

Em que,

37

Sendo que, para o dicloro,

Utilizando as equações acima, obtém-se:

Isolando V da equação de Peng-Robinson é possível calcular o volume

molar por iterações, sendo que:

Assim, a densidade é obtida fazendo-se:

38

Vazão Volumétrica

Entalpia

Para calcular a entalpia, foram realizados os seguintes cálculos:

Cálculo da entalpia residual:

Utilizando as correlações de Lee-Kesler:

Cálculo de

Para

-0,069 – (-0,014) -------------- 0,0500-0,0100

39

-0,069 – x -------------- 0,0500-0,0190

x = - 0,026

Para

-0,062 – (-0,012) -------------- 0,0500-0,0100

-0,062 – y -------------- 0,0500-0,0190

y = - 0,023

-0,026 – (-0,023) -------------- 0,85 – 0,90

-0,026 – z -------------- 0,85 – 0,87

z = - 0,025

Cálculo de

Para

- 0,087 – (-0,017) -------------- 0,0500-0,0100

- 0,087 – x -------------- 0,0500-0,0190

x = - 0,033

Para

-0,070 – (-0,014) --------------0,0500-0,0100

-0,070 – y -------------- 0,0500-0,0190

y = - 0,027

-0,033 – (-0,027) -------------- 0,85 – 0,90

-0,033 – z -------------- 0,85 – 0,87

40

z = 0,031

Para , R = 8,314 J/ mol. K e

2.3. CORRENTE 2

Corrente 2




Fração Mássica

C2H4 161,56 1 4523,68 1

A corrente 2 é uma das correntes de entradas do reator R-01, composta

somente por eteno (C2H4), com uma temperatura de T = 90 °C e uma P = 1,5

atm, características que devem apresentar devido as condições explicitadas no

reator R-01, do fluxograma.

Sendo para os cálculos a seguir utilizados as condições do eteno

presentes na tabela 1, logo, tem-se:

Dados da corrente:

Temperatura = 90°C = 363,15 K

Pressão = 1,5 atm

41

Como a temperatura da corrente é maior que a temperatura crítica, logo,

o etano entra no estado gasoso, o que pode ser confirmado através da

equação de Antoine dada a seguir:

Como Pressão na corrente é menor que a pressão de vapor, pode-se

inferir que o etano está no estado gasoso.

Assim,

Volume Molar

Por Peng Robinson, para R = 0,082057 L.atm / mol.K:

=

=

= 1,29

4,28

Cálculo do volume para chute inicial através da equação dos gases:

= 19,87 L/mol

42

Rearranjando a equação:

= 19,88 L/mol ]

= 0,01988 m³/mol

Densidade

Vazão volumétrica

= 161,56

Capacidade calorífica de líquidos

Coeficientes da equação da capacidade calorífica para o etano:

A = 3,806E+1

B = 1,566E-1

C = -8,348E-4

43

D = 1,755E-8

Entalpia

#Referência:

Entalpia Residual:


Cálculo de

Para

-0,036 – (-0,007) -------------- 0,0500-0,0100

-0,036 – x -------------- 0,0500-0,0302

x = - 0,0216

Para

-0,031 – (-0,006) -------------- 0,0500-0,0100

-0,031 – y -------------- 0,0500-0,0302

y = - 0,0186

-0,0216 – (-0,0186) -------------- 1,20 – 1,30

44

-0,0216 – z -------------- 1,20 – 1,29

z = - 0,0189

Cálculo de

Para

-0,020 – (-0,004) -------------- 0,0500-0,0100

-0,020 – x -------------- 0,0500-0,0302

x = - 0,0121

Para

-0,013 – (-0,003) -------------- 0,0500-0,0100

-0,013 – y -------------- 0,0500-0,0302

y = - 0,0081

-0,0121 – (-0,0081) -------------- 1,20 – 1,30

-0,0121 – z -------------- 1,20 – 1,29

z = - 0,0085

Para , R = 8,314 J/ mol. K e

45

Entalpia do gás:

Entalpia da corrente

2.4. CORRENTE 3

Corrente 3




Fração Mássica

C2H4Cl2 161,56 1 15976,28 1

Essa é a corrente que corresponde a saída do reator R-01. Nesta

corrente, tem-se que o componente é o EDC e está escoando no estado

liquido.

Dados corrente:

Temperatura = 90°C = 363,15K

Pressão = 1,5 atm

Dados EDC:

46

Tc = 566,0 K

Pc = 53,7 bar

ω = 0,278

Pressão de Vapor

Pela equação de Antoine:

Sabendo que para o EDC o valor da temperatura deve estar em °C.

Densidade de líquidos

Pela equação de Rackett:

Tr = 0,6416

Vc = 225 cm³/mol

Zc = 0,259

Vazão Volumétrica

47

Capacidade calorífica de líquidos

Coeficientes da equação da capacidade calorífica, considerando EDC

um gás ideal:

A = 2,049E+1

B = 2,310E-1

C = -1,438E-4

D = 3,389E-8

Calculando-se o através da temperatura media entre a temperatura

de referência e a temperatura da corrente, obtém-se:

48

Pela correlação de Rowlinson-Bondi e , pode-se calcular a

capacidade calorífica, utilizada nesta corrente, do líquido:

Entalpia

#Referência:

49

2.5. CORRENTE 6

Corrente 6



Vazão Mássica


C2H4Cl2 273,2 0,9858 27019,4 0,991

C2H3Cl

Total

3,94

277,14

0,142

1

245,9

27265,3

0,009

1

Temperatura no ponto de mistura estimada sem o auxilio do balanço de

energia:

Pelos dados fornecidos pelo fluxograma nessa corrente teremos

componentes líquidos.

Dados EDC:

Temperatura = 391,3K

Pressão = 26 atm

Tc = 566,0 K

Pc = 50,7 bar

Vc = 225 cm³/mol

T < Tc

Pressão de Vapor


50

Essa corrente é liquida, pois o EDC tem maior temperatura normal de

ebulição, logo, é menos volátil, assim determina o estado físico da corrente.

Volume Molar

Dados EDC:

Tc= 566,0K

Vc=225 cm³/mol

Zc=0,259

Pc=53,7 bar

=0,748

Utilizando a equação de Rackett:

Dados MVC:

Tc=425,0K

Pc=51,5 bar

51

Vc=169,0 cm³/mol

Zc=0,265

Utilzando a equação de Rackett:

Vazão Volumétrica

EDC

MVC

52

Portanto, a vazão volumétrica total da corrente 13 é:

Capacidade Calorífica

EDC

Pela correlação de Rowlinson-Bondi e Tr = 0,659:

53

Entalpia

#Referência:

EDC

MVC


54

55

2.6. CORRENTE 7

Corrente 7



Vazão Mássica


C2H4Cl2 273,2 0,9858 27019,4 0,991

C2H3Cl

Total

3,94

277,14

0,142

1

245,9

27265,3

0,009

1

A corrente 7 é a corrente pela qual o fluido é transferido do evaporador

para o segundo reator, o forno F-01. Nessa corrente escoa uma mistura de

EDC e MVC vapor.

Dados corrente:


Pressão = 26 atm

Dados EDC:

Tc = 566,0 K

Pc = 53,7 bar

ω = 0,278

Dados MVC:

Tc = 425,0 K

Pc = 51,5 bar

ω = 0,122

56

Pressão de Vapor

EDC:


MVC

Densidade de gases

Cálculo do volume por Peng-Robinson:

Como a corrente 7 é composta por dois componentes, utilizou-se a regra

de mistura de Van-der-Walls:

57

EDC


EDC 566,0 356,7 53,7

Tr = 0,91016

MVC


MVC 425,0 259,8 51,5

Tr = 1,21212

Os cálculos foram realizados de forma análoga aos do EDC. Obtendo-se

os valores:

58

Calculando-se a e b da mistura, obtém-se:

Substituindo os valores de a e b na equação de Peng-Robinson, tendo

como valor inicial do volume calculado pela equação para gases ideais:

Pelo método iterativo, calculou-se os valores:

Até que na nona iteração obteve-se o valor:

Cálculo da densidade:

59

Vazão Volumétrica

Entalpia

#Referência:

EDC

60

Pela correlação de Rowlinson-Bondi e Tr = 0,6302, pode-se calcular a

capacidade calorífica, utilizada nesta corrente, do líquido:

61

Entalpia residual


Cálculo de

Para

-0,960 – (-0,545) ------------- 6000-0,4000

-0,969 – x -------------- 6000-0,4905

x = -0,742

Para

-0,885 – (-0,516) ------------- 0,6000-0,4000

-0,885 – y ------------- 0,6000-0,4905

y = -0,683

-0,742– (-0,683) ------------- 0,93 – 0,95

-0,742– z ------------- 0,93 – 0,91

62

z = -0,944

Cálculo de

Para

-1,236– (-0,612) ------------- 0,6000-0,4000

-1,236 – x ------------- 0,6000-0,4905

x = -0,894

Para

-0,994 –(- 0,542) ------------ 0,6000-0,4000

-0,994– y ------------ 0,6000-0,4905

y = -0,746

-0,894 – (-0,746) ------------- 0,93 – 0,95

-0,894 – z ------------- 0,93 – 0,91

z = -1,04

Para , R = 8,314 J/ mol. K e

63

Cálculo da entalpia total de EDC:

MVC

Entalpia residual


64

Cálculo de

Para

-0,474 – (-0,305) ------------- 0,6000-0,4000

-0,474 – x ------------- 0,6000-0,5114

x = -0,339

Para

-0,399 – (-0,259) ------------- 0,6000-0,4000

-0,399 – y ------------- 0,6000-0,5114

y = - 0,337

-0,339 – (-0,337) ------------- 1,20 – 1,30

-0,339 – z ------------- 1,20 – 1,21

z = - 0,338

Cálculo de

Para

-0,232– (-0,158) ------------- 0,6000-0,4000

-0,232 – x ------------- 0,6000-0,5114

x = -0,199

Para

65

-0,142 –(- 0,100) ------------- 0,6000-0,4000

-0,142– y ------------- 0,6000-0,5114

y = -0,123

-0,199 – (-0,123) ------------- 1,20 – 1,30

-0,199 – z ------------- 1,20 – 1,21

z = -0,191

Para , R = 8,314 J/ mol. K e

Cálculo da entalpia total de MVC:

Calculo da entalpia total da corrente 7:

66

2.7. CORRENTE 8

Corrente 8

Componente Vazão Molar Fração Molar Vazão Mássica Fração Mássica

C2H4Cl2 111,64 0,2517 11041,12 0,405

C2H3Cl

Total

167,95

279,59

0,3786

1

10245,90

21287,02

0,3758

1

Essa é a corrente que corresponde a saída do forno F-01. Nesta

corrente, há uma mistura de MVC, o EDC e o HCl e estão escoando no estado

gasoso.

Dados corrente:

T= 500ºC = 773,15K

P = 26 atm = 26,3 bar

Dados EDC:

Tc = 566,0 K

Pc = 53,7 bar

ω = 0,278

Dados MVC:

67

Tc = 425,0 K

Pc = 51,5 bar

ω = 0,122

ω = 0,278

Dados HCl:

Tc = 324,7 K

Pc = 83,1 bar

ω = 0,133

MVC

T>Tc: gás incondensável

EDC


HCl


Densidade de gases


Como a corrente 8 é composta por três componentes, utilizou-se a regra

de mistura de Van-der-Walls.

68

MVC

EDC

HCl

Pela regra da mistura de Van der Waals:

MVC

69

EDC

HCl

Pela regra da mistura de Van der Waals:

70



Substituindo esse valor na seguinte equação, para realizar as iterações,

temos:

71

Densidade de gases

Vazão volumétrica

Entalpia

MVC

#Referência:

72

Entalpia de gases



Cálculo de

Para

-0,206 – (-0,137) _____ 0,6000-0,4000

-0,206 – x _____ 0,6000-0,5110

x = - 0,175

Para

-0,185 – (-0,123) _____ 0,6000-0,4000

-0,185 – y _____ 0,6000-0,5110

y = - 0,157

-0,175 – (-0,157) _____ 1,80 – 1,90

-0,175 – z _____ 1,80 – 1,82

73

z = - 0,171

Cálculo de

Para

0,025 – 0,015 _____ 0,6000-0,4000

0,025 – x _____ 0,6000-0,5110

x = 0,021

Para

0,037 – 0,023 _____ 0,6000-0,4000

0,037 – y _____ 0,6000-0,5110

y = 0,031

0,021 – 0,031 _____ 1,80 – 1,90

0,021 – z _____ 1,80 – 1,82

z = 0,019

Para , R = 8,314 J/ mol. K e

74

Cálculo da entalpia total:

EDC

#Referência:

Dado que =

Cálculo da entalpia de líquidos:

Pela correlação de Rowlinson-Bondi:

75

Cálculo da entalpia de gases:



Cálculo de

Para

-0,399 – (-0,259) _____ 0,6000-0,4000

-0,399 – x _____ 0,6000-0,4960

x = - 0,326

76

Para

-0,341 – (-0,224) _____ 0,6000-0,4000

-0,341 – y _____ 0,6000-0,4960

y = - 0,280

-0,326 – (-0,280) _____ 1,30 – 1,40

-0,326 – z _____ 1,30 – 1,37

z = - 0,294

Cálculo de

Para

0,142 – 0,100 _____ 0,6000-0,4000

0,142 – x _____ 0,6000-0,4960

x = 0,120

Para

0,083 – 0,060 _____ 0,6000-0,4000

0,083 – y _____ 0,6000-0,4960

y = 0,071

0,120 – 0,071 _____ 1,30 – 1,40

0,120 – z _____ 1,30 – 1,37

77

z = 0,0857

Para , R = 8,314 J/ mol. K e


HCl

#Referência:

Cálculo da entalpia de gases:

78



Cálculo de

Para

-0,092 – (-0,046) _____ 0,4000-0,2000

-0,092 – x _____ 0,4000-0,3200

x = - 0,074

Para

-0,076 – (-0,038) _____ 0,4000-0,2000

-0,076 – y _____ 0,4000-0,3200

y = - 0,061

-0,074 – (-0,061) _____ 2,20 – 2,40

-0,074 – z _____ 2,20 – 2.38

79

z = - 0,062

Cálculo de

Para

0,040 – 0,020 _____ 0,4000-0,2000

0,040 – x _____ 0,4000-0,3200

x = 0,032

Para

0,047 – 0,023 _____ 0,4000-0,2000

0,047 – y _____ 0,4000-0,3200

y = 0,037

0,032 – 0,037 _____ 2,20 – 2,40

0,032 – z _____ 2,20 – 2,38

z = 0,036

Para , R = 8,314 J/ mol. K e

80


Entalpia total da corrente 8:

2.8. CORRENTE 9

Corrente 9



Vazão Mássica

(Kg/h) Fração Mássica

C2H4Cl2 111,64 0,2517 11041,12 0,4050

C2H3Cl

Total

167,95

279,59

0,3786

1

10245,90

21287,02

0,3758

1

Dados da corrente:


Pressão = 26 atm

Dados EDC:

Tc = 566,0 K

Pc = 53,7 bar

ω = 0,278

81

Dados MVC:

Tc = 425,0

Pc = 51,5 bar

ω = 0,122

Dados HCl:

Tc = 324,7 K

Pc = 83,1 bar

ω = 0,133

Pressão de Vapor


EDC

HCl

MVC

Densidade de gases

82


Como a corrente 9 é composta por três componentes, utilizou-se a regra

de mistura de Van-der-Walls.

EDC


EDC 566,0 356,7 53,7

Tr = 0,78295

MVC


MVC 425,0 259,8 51,5

Tr = 1,0427

HCl


HCl 324,7 188,1 83,1

Tr = 1,364798

83



Densidade

Vazão Volumétrica

84

Entalpia

#Referência

EDC


85

86


Pr = 0,49047

Tr = 0,78295

Cálculo da entalpia total de EDC:

MVC

87



Cálculo de

Para

-0,708 – (-0,434) 0,6000-0,4000

-0,708 – x 0,6000-0,5110

x = -0,586

Para

-0,654 – (-0,407) 0,6000-0,4000

-0,654 – y 0,6000-0,5110

y = -0,544

-0,586 – (-0,544) 1,02 – 1,05

-0,586 – z 1,02 – 1,04

z = -0,558

88

Cálculo de

Para

-0,594 – (-0,370) 0,6000-0,4000

-0,594 – x 0,6000-0,5110

x = -0,494

Para

-0,498 – (- 0,318) 0,6000-0,4000

-0,498 – y 0,6000-0,5110

y = -418

-0,494 – (-0,418) 1,02 – 1,05

-0,494 – z 1,02 – 1,04

z = -0,443

Para , R = 8,314 J/ mol. K e

Cálculo da entalpia total de MVC:

89

HCl



Cálculo de

Para

90

-0,259 – (-0,127) 0,4000-0,2000

-0,259 – x 0,4000-0,3200

x = - 0,206

Para

-0,224 – (-0,110) 0,4000-0,2000

-0,224 – y 0,4000-0,3200

y = - 0,178

-0,206 – (-0,178) 1,30 – 1,40

-0,206 – z 1,30 – 1.36

z = - 0,189

Cálculo de

Para

- 0,100 – 0,052 0,4000-0,2000

- 0,100 – x 0,4000-0,3200

x = 0,081

Para

-0,060 – 0,023 0,4000-0,2000

-0,060 – y 0,4000-0,3200

y = 0,045

0,081 – 0,045 1,30 – 1,40

0,081 – z 1.30 – 1,36

91

z = 0,059

Para , R = 8,314 J/ mol. K e

Cálculo da entalpia total de HCl:

Cálculo da entalpia total da corrente 9:

92

2.9. CORRENTE 10

Corrente 10



Vazão Mássica


HCl 164,013 1 5978,279 1

Essa é a corrente que sai do topo da destiladora D-01, composta por

HCl no estado gasoso.

Dados corrente:

T= 26,2ºC = 246,85K

P = 12 atm = 12,1 bar

Dados HCl:

Tc = 324,7 K

Pc = 83,1 bar

ω = 0,133

Pressão de vapor

Pela equação de Antoine, e, sabendo que para o HCl o valor da temperatura

deve estar em K:

Como Pv > P, logo a corrente estará no estado gasoso.

Densidade de gases

Calculo do volume por Peng-Robinson:

93

HCl



94

Substituindo esse valor na seguinte equação, para realizar as iterações,

temos:

Densidade de gases

Vazão volumétrica

Entalpia

HCl

#Referência:

95

Entalpia de gases:

Entalpia residual:


Cálculo de

Para :

-0,345 – (-0,160) _____ 0,2000-0,1000

-0,345 – x _____ 0,2000-0,1460

x = - 0,245

Para

96

-0,300 – (-0,141) _____ 0,2000-0,1000

-0,300 – y _____ 0,2000-0,1460

y = - 0,214

-0,245 – (-0,214) _____ 0,80 – 0,850

-0,245 – z _____ 0,80 – 0,761

z = - 0,269

Cálculo de

Para :

-0,542 – (-0,234) _____ 0,2000-0,1000

-0,542 – x _____ 0,2000-0,1460

x = - 0,376

Para

-0,401 – (-0,182) _____ 0,2000-0,1000

-0,401 – y _____ 0,2000-0,1460

y = - 0,283

-0,376 – (-0,283) _____ 0,80 – 0,850

-0,376 – z _____ 0,80 – 0,761

97

z = - 0,449

Para , R = 8,314 J/ mol. K e


2.10. CORRENTE 11

Corrente 11



Vazão Mássica

(Kg/h) Fração Mássica

MVC 164,01 0,595 10245,90 0,4813

EDC

Total

111,64

275,65

0,405

1

11041,12

21287,02

0,5187

1

Dados corrente:

98

Dados MVC:

Dados EDC:

Avaliando as condições apresentadas, tem-se que:

MVC

EDC

99

Pressão de vapor

A partir desses dados não é possível determinar o estado físico do

componente, para isso, foi calculada a pressão de vapor de cada um dos

compostos a partir da equação de Antoine:

MVC

Considerando que as constantes para o MVC são:

Obtém-se:

Assim,

Ou seja, o componente encontra-se no estado de vapor.

EDC

Considerando que as constantes para o EDC são:

Obtém-se:

Assim,

100

Ou seja, o componente encontra-se no estado líquido

A partir desses resultados, pode-se concluir que a corrente 11 é líquida.

Volume Molar

Para calcular o volume molar foi utilizada a equação de Rackett, a

seguir:

Sendo que, para o EDC,

Utilizando a equação acima, obtém-se:

E, sendo que, para o MVC,

Utilizando a equação acima, obtém-se:

101

Assim, a densidade de EDC é obtida fazendo-se:

E a densidade de MVC é igual a:

Vazão Volumétrica

102

EDC

MVC

Entalpia


Sendo que, para o MVC, as constantes são:

1,21422

-2,00937

E para o EDC são:

103

EDC

Logo,

MVC

H da corrente:

104

2.11. CORRENTE 12

Essa é a corrente do produto final a ser obtido, o MVC. Ele sai no topo

da destiladora D-02 no estado líquido.

Dados corrente:

T= 33,1ºC = 306,25K

P = 4,8 atm = 4,864 bar

Dados MVC:

Tc = 425,0 K

Pc = 51,5 bar

ω = 0,122

Pressão de vapor

Pela equação de Antoine, e, sabendo que para o MVC o valor da

temperatura deve estar em ºC:

Como Pv<P, logo a corrente estará no estado líquido.

105

Densidade de líquidos

Pela equação de Rackett:

Tr = 0,7206

Vc = 169 cm³/mol

Zc = 0,265

Vazão volumétrica

Entalpia

MVC

#Referência:

106

Dado que =

Entalpia de gases:

Entalpia de líquidos:

Pela correlação de Rowlinson-Bondi:

107


2.12. CORRENTE 13

Corrente 13


Fração Molar Vazão Mássica

Fração Mássica (Kmol/h) (Kg/h)

MVC 3,94 0,034 245,90 0,0218

EDC

Total

111,64

115,58

0,966

1

11041,10

11287,00

0,9782

1

Dados da corrente:

Temperatura = 146,1°C= 419,5K

Pressão = 4,8 atm

108

Dados EDC:

Tc = 566,0 K

Pc = 53,7 bar

ω = 0,278

Dados MVC:

Tc = 425,0 K

Pc = 51,5 bar

ω = 0,122

Como o MVC e o EDC saem pela corrente de fundo da destiladora, e

para refluxo passam por um refervedor, conclui-se pelo fluxograma que eles

estão no estado liquido.

Volume Molar

EDC

Vc=225 cm³/mol

Zc=0,259

=0,7406


109

MVC

Vc=169,0 cm³/mol

Zc=0,265


Vazão Volumétrica

EDC

MVC

110

Portanto a vazão volumétrica total da corrente 13 é:

Entalpia


Sendo que, para o MVC, as constantes são:

1,21422

-2,00937

E para o EDC são:

EDC

111

Logo,

MVC

112

ANEXO 3: BALANÇO DE ENERGIA

BALANÇO DE ENERGIA – REATOR R-01

Obter a 25ºC e 1 atm:

Obter grau de avanço :

Obter :

113

Logo,

BALANÇO DE ENERGIA – FORNO DE PIRÓLISE

Obter a 25ºC e 1 atm:

114

Obtenção do grau de avanço em termo de EDC:

BALANÇO DE ENERGIA – RESFRIADOR

Quantidade de água necessária:

=

Cálculo do

115

:

A = 75,291

BALANÇO DE ENERGIA – CONDENSADOR

=

Ao analisar o condensador e as correntes de entrada e saída, nota-se

que para que a mistura no estado vapor passe para o estado líquido, ela deve

fornecer calor para água, fazendo assim com que a temperatura da água ao

sair do condensador seja maior que a da entrada.

=

Cálculo do

116

:

A = 75,291

BALANÇO DE ENERGIA - DESTILADORA – 01

Corrente Vazão Molar (Kmol/h) Entalpia (kJ/kmol)

9 279,59 14731,12

10 164,013 -3042,85

11 175,652 -6026,775

Calor equivalente a todas as trocas térmicas ocorridas no equipamento.

117

BALANÇO DE ENERGIA – CONDESADOR DESTILADORA

Sabe-se que:

Partindo-se do balanço de massa no condensador:

O calor perdido no condensador é o valor da entalpia de condensação, ou seja,

o oposto da entalpia de vaporização. Esta entalpia é dada por:

Assim, temos que o calor total envolvido no condensador é:

Sabendo que a razão de refluxo no condensador é igual a dois, pode-se

determinar a vazão :

Temos que a entalpia de vaporização do HCl é:

118

BALANÇO DE ENERGIA – REFERVEDOR DESTILADORA

O cálculo do calor fornecido pelo refervedor pode ser feito descontando

o calor total utilizado na destiladora pelo calor retirado do condensador. Assim:

BALANÇO DE ENERGIA – PONTO DE MISTURA

Corrente Vazao Molar (Kmol/h) Entalpia (kJ/kmol)

3 161,56 8701,96

6 277,14 ?

13 115,574 6839,37

Como não há trocadores de calor, .

Assim,

119

Entalpia da corrente 6:

EDC

Calculo do Cp para o EDC liquido:

120

MVC

Calculo do Cp para o MVC liquido:

As equações acima foram inseridas em uma planilha do programa Microsoft Office Excel. Com este, foi possível fazer o calculo através do uso da ferramenta Atingir Meta. Sabendo o valor da entalpia da corrente 6, a ferramenta iterou o valor da temperatura, ate que a condição fosse satisfeita.

Com isso, foi obtida a temperatura da corrente 6, cujo valor é 146 ºC (419,15K).

BALANÇO DE ENERGIA – EVAPORADOR

Cálculo da entalpia da corrente 6:

Capacidade Calorífica

EDC

121

Pela correlação de Rowlinson-Bondi e Tr =

0,6337:

Entalpia

#Referência:

EDC

MVC

122

Pela correlação de Rowlinson-Bondi e Tr =

123

Cálculo da carga térmica do evaporador:

Todo calor necessário para que a mistura na fase vapor (Corrente 6)

passe para a fase líquida (Corrente 7) é fornecido pelo vapor d`água, logo:

Cálculo da entalpia da corrente 6:

Balanço de energia no evaporador:

= 26 atm = 2,63 MPa

Utilizando a tabela de vapor, considerando que entra vapor saturado.

Interpolando:

124

O vapor d’água cede calor

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Integração - Final