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Simulação e Otimização de Processos
Trabalho Final Aspen Plus Prof. Argimiro R. Secchi Grupo 1 Lucas Galantine Victor Amorim
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Descrição Teórica Reação: Pirólise do Benzeno em fenil-benzeno e gás hidrogênio Reações Indesejadas: geração de meta-terfileno Ambas as reações são reversíveis
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Descrição Teórica Constantes cinéticas: Tabela 1 (Reação Principal)
Tabela 2 (Reação Indesejada)
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Fluxograma do Processo
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Input de Dados Adição dos 4 componentes
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Input de Dados Escolha do modelo termodinâmico: Peng-Robinson
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Reações Modelo: POWERLAW; 4 reações (2 reações reversíveis)
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Alimentação
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Alimentação Corrente “FEED” contem apenas Benzeno,
Temperatura: 700ºC; Pressão: 10 bar; Vazão: 100kmol/hr
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CSTR
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CSTR Reator de mistura perfeita CSTR
Volume: 1m3, Temperatura: 700ºC, Pressão: 10 bar Reações em fase vapor
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CSTR
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Resfriador e Coluna de Destilação
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Resfriador e Coluna de Destilação
Resfriamento da corrente de alimentação para atingir a convergência da coluna Temperatura de saída do resfriador: 200ºC
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Resfriador
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Coluna de Destilação
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Coluna de Destilação Abordagem Inicial: Coluna DSTWU
Objetivo: obter uma boa estimativa inicial para a coluna RADFRAC 6 pratos, sendo a alimentação no 4º prato Condensador Parcial, com temperatura de 20ºC Razão de Refluxo de Topo = 0,5 Razão de Destilado = 0,75 Pressão = 9bar Queda de Pressão = 1 bar
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Coluna de Destilação (Radfrac) Input das configurações básicas
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Coluna de Destilação (Radfrac) Input do prato de carga
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Coluna de Destilação (Radfrac) Input da queda de pressão
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Coluna de Destilação (Radfrac) Input da temperatura do condensador
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Aquecedor e Reciclo Corrente de reciclo é o produto de topo que sai da coluna de destilação Foi colocado um aquecedor para colocar a corrente na mesma temperatura da corrente “FEED”
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Aquecedor e Reciclo
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Objetivos Maximizar a quantidade de benzeno residual na corrente TOP-L (reciclada) Minimizar a quantidade de benzeno na corrente TOP-V (não reciclada) Maximizar a quantidade de difenilbenzeno produzido (BOTTOM)
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Resultados – Sem Reciclo – CSTR
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Resultados – Sem Reciclo – Radfrac
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Resultados – Sem Reciclo – Radfrac
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Resultados – Reciclo Total – “FEED”
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Resultados – Reciclo Total – “FEED”
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Resultados – Reciclo Total – CSTR
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Resultados – Reciclo Total – CSTR
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Resultados – Reciclo Total – Radfrac
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Resultados – Reciclo Total – Radfrac
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Comparações sem/com Reciclo
Valores apresentados em fração mássica Apesar de ocorrer uma diminuição das frações, o volume produzido é maior
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Análise de Sensibilidade
Foram feitas 6 análises Variação: - da pressão no reator - da temperatura no reator - da temperatura de operação do condensador parcial - da razão de refluxo - do prato de carga - da vazão de corrente de reciclo
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Análise de Sensibilidade Pressão no reator
Pressão variada de 5 bar até 25 bar Variáveis observadas: - Vazão mássicas na saída do reator R-OUT de fenilbenzeno (PROD) - Vazão mássica na saída do reator R-OUT de meta-terfileno (INDES)
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Análise de Sensibilidade Pressão no reator – Input da variável manipulada
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Análise de Sensibilidade Pressão no reator – Input das variáveis observadas
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Análise de Sensibilidade Pressão no reator – Análise dos dados
Conclusões - Aumento de pressão de 5 até 12 bar possui grande influência na velocidade da reação - Aumento de pressão de 12 até 25 bar possui pouca influência - Velocidade de formação do produto indesejado atinge um valor máximo de forma mais rápida em comparação ao produto desejado (relação entre os coeficientes angulares das 2 curvas) Pressão ótima: entre 5 e 15 bar
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Análise de Sensibilidade Temperatura no reator
Temperatura variada de 400ºC a 1400ºC, com 30 pontos Variáveis observadas: - Vazão mássicas na saída do reator R-OUT de fenilbenzeno (PROD) - Vazão mássica na saída do reator R-OUT de meta-terfileno (INDES)
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Análise de Sensibilidade Temperatura no reator – Análise dos dados
Conclusões: - Vazões crescem de maneira considerável etre 450ºC e 650ºC - Permanecem praticamente constante após 800ºC - Análise foi feita na pressão de 10 bar Temperatura no reator ótima: 650ºC (+- margem de segurança)
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Análise de Sensibilidade Temperatura de operação do condensador parcial
Temperatura variada de 0ºC a 80ºC, com incrementos de 4ºC Variáveis observadas: - Vazão mássicas no produto líquido de topo TOP-L (BENZL) e no produto vapor de topo TOP-V (BENZV)
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Análise de Sensibilidade Temperatura de operação do condensador parcial
Conclusões: - Vazão de benzeno decresce sutilmente em TOP-L em temperaturas entre 0ºC e 40ºC e aumenta na corrente vapor TOP-V -De 40ºC a 80ºC ocorre um aumento acentuado de benzeno em TOP-V - Em TOP-V existe muito hidrogênio, o que não é desejável reciclar. Logo, devemos diminuir a quantidade de benzeno em TOP-V e aumenta-la em TOP-L Temperatura de operação ótima: entre 0ºCe 40ºC
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Análise de Sensibilidade Razão de Refluxo de Destilado por Alimentação
D/F Variação de 0,45 até 0,88 com incrementos de 0,01 Variáveis observadas - Vazão mássica de benzeno em TOP-L (BENZ) - Vazão mássica de fenil-benzeno em BOTTOM (PROD)
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Análise de Sensibilidade Razão de Refluxo de Destilado por Alimentação
Conclusões: - Razão “crítica”: 0,64 (vazões mássicas de ambos os componentes é igual) Razões menores que 0,64: Vazão mássica de benzeno que deixa a coluna é maior Razões maiores que 0,64: Vazão mássica de fenilbenzeno que deixa a coluna é maior. -Razão 0,76 tem máxima produção de fenilbenzeno, e depois ocorre uma queda acentuada. Razão ótima: 0,76 (+- margem de segurança)
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Análise de Sensibilidade Prato de Carga
Variação do prato de carga de 1 a 6 Variáveis observadas: - Vazão mássica de benzeno em TOP-L (BENZ) - Vazão mássica de fenilbenzeno em BOTTOM (PROD)
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Análise de Sensibilidade Prato de Carga
Conclusões: - Entre os pratos 3 e 5 não há diferença nas vazões mássicas observadas - Com a carga no prato 2 ocorre perda de eficiência - Pratos 1 e 6 não podem ser considerados como prato de carga Prato ótimo: 3, 4 ou 5
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Análise de Sensibilidade Corrente de Reciclo
Fração do divisor de fluxo SPLITTER variada de 0 (toda corrente TOP- L é reciclada) até 1 (toda corrente TOP-L é direcionada para purga) Variáveis observadas: - Vazão mássica de fenilbenzeno na saída do reator R-OUT (PRODR) - Vazão mássica de meta-terfenilo na saída do reator R-OUT (INDESR)
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Análise de Sensibilidade Corrente de Reciclo
Conclusões: - Reciclo aumenta de forma significativa o volume de produção - Reciclo total colabora com a diminuição da formação do produto indesejado Ponto ótimo: Reciclo Total
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Conclusão das Análises de Sensibilidade
Pressão ótima: entre 5 e 15 bar Temperatura no reator ótima: 650ºC (+- margem de segurança) Temperatura de operação do condensador ótima: entre 0ºCe 40ºC Razão de refluxo de destilado ótima: 0,76 (+- margem de segurança) Prato ótimo: 3, 4 ou 5 Ponto ótimo: Reciclo Total
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Avaliação Econômica Possibilidade de melhora
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Avaliação Econômica Fluxograma antigo
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Avaliação Econômica Mudanças na Planta - Adição de um trocador de calor - Retirada dos aquecedores e resfriadores - Consequente melhora na integração energética Definição dos alvos a serem reduzidos (próximo slide)
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Avaliação Econômica
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Avaliação Econômica Equipamentos a serem mudados
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Avaliação Econômica Adição de um trocador
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Avaliação Econômica Input de dados do trocador
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Avaliação Econômica Fluxograma novo
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Avaliação Econômica
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Otimização da Razão de Refluxo do Reator
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Otimização da Razão de Refluxo do Reator
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Sintonia de Controladores - Pressão Estado Estacionário
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Sintonia de Controladores Degrau de 5%
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Sintonia de Controladores Degrau de 5%
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Sintonia de Controladores – Temperatura Degrau de 1%
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Sintonia de Controladores – Temperatura Degrau de 1%
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Degrau em T – 50ºC
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Degrau em T – 50ºC
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Degrau na Pressão “FEED”- (-10bar)
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Degrau na Pressão “FEED”- (-10bar)
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Degrau 10% na vazão
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Degrau 10% na vazão
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Alteração da Composição
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Alteração da Composição
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Comparativo de Degraus (EE x T)
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Comparativo de Degraus (EE x Vazão)
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Comparativo de Composição
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Bibliografia ml/aspen/example.htm % html ode=iecred
