Orientador: Roger Josef Zemp

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A economia de utilidades quentes e frias é de grande interesse na indústria e, tratando-se de processos de separação com colunas de destilação, o uso de trocadores de calor laterais apresenta-se como uma alternativa. Entretanto o posicionamento de um trocador lateral em uma coluna de...

Resumo: A economia de utilidades quentes e frias é de grande interesse na indústria e, tratando-se de processos de separação com colunas de destilação, o uso de trocadores de calor laterais apresenta-se como uma alternativa. Entretanto o posicionamento de um trocador lateral em uma coluna de destilação real penalizará o consumo total de utilidades ou o número de estágios necessários (ou uma combinação de ambos), devido à necessidade de manter forças motrizes para promover a separação. Dentre os métodos de otimização existentes, os métodos termodinâmicos direcionam os engenheiros de processos como minimizar as perdas termodinâmicas nos processos químicos. A Grande Curva Composta da Coluna (GCCC), um dos métodos termodinâmicos mais utilizados na literatura, propõe o estudo de um perfil H-T com o qual é possível identificar um potencial de redução do uso de utilidades. Contudo a GCCC possui sérias limitações devido às considerações realizadas em seus cálculos. Este trabalho visa superar tais limitações da GCCC no que diz respeito à estimativa de cargas térmicas laterais. Para separações reais, a construção de perfis obtidos por meio de simulações, os Perfis Rigorosos de Déficit de Entalpia, representam quantitativamente as cargas laterais passivas de serem alocadas em função dos pratos extras, os quais são adicionados entre o trocador principal e o lateral para evitar penalidades na separação e no balanço de global de utilidades. Para superar as possíveis inconsistências no cálculo da GCCC de separações multicomponentes, este trabalho propôs um critério de seleção dos componentes-chave e uma combinação de GCCC’s, a GCCC Combinada. Esse perfil demonstrou ser uma estimativa consistente e validada pelos Perfis Rigorosos de Déficit de Entalpia. Quanto à análise qualitativa das cargas laterais, o Perfil de Economia de Exergia, obtido pela GCCC (ou GCCC Combinada) e pelos resultados das simulações rigorosas, provou ser uma ferramenta útil para guiar o engenheiro como melhor posicionar os trocadores laterais proporcionando maior economia em exergia. Com base nos perfis propostos neste trabalho foi possível desenvolver uma metodologia para otimização termodinâmica de colunas de destilação com trocadores laterais

Abstract: Saving hot and cold utilities is of interest to the industry, and in the case of separation processes with distillation columns, the use of side duties is an alternative. However, allocating a side exchanger in an real distillation column will penalize the global consumption of utilities...

Abstract: Saving hot and cold utilities is of interest to the industry, and in the case of separation processes with distillation columns, the use of side duties is an alternative. However, allocating a side exchanger in an real distillation column will penalize the global consumption of utilities or the number of stages required (or a combination of both), due to the need to maintain the driving forces that are necessary for separation. Among the existing optimization methods, thermodynamic methods guide process engineers how to minimize thermodynamic losses in chemical processes. The Column Grand Composite Curve (CGCC), one of the most used thermodynamic methods in the literature, proposes the study of a H-T profile with which it is possible to identify potential for reducing the use of utilities. Nevertheless, the CGCC has serious limitations due to the calculus considerations. For real separations, the construction of profiles obtained through simulations, the Rigorous Enthalpy Deficit Profile, quantitatively represent the side duties to be allocated as a function of the extra stages, which are added between the main and side heat exchangers to avoid penalties for separation and global utility balance. To overcome the possible inconsistencies in the estimation of CGCC in multicomponent separations, this work proposed a selection criterion for the key-components and a combination of CGCC’s, the Combined CGCC. This profile proved to be a consistent estimate and validated by the Rigorous Enthalpy Deficit Profiles. As for the qualitative analysis of the side duties, the Exergy Saving Profile, obtained by the CGCC (or Combined CGCC) and the results of the rigorous simulations, proved to be a useful tool to guide the engineer with the best position of the lateral exchangers, providing greater savings in exergy. Based on the proposed profiles in this work, it was possible to develop a methodology for thermodynamic optimization of distillation columns with side exchangers

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