O processo de destilação extrativa com N-formilmorfolina (NFM) pode ser utilizado para separação do benzeno de uma corrente contendo hidrocarbonetos não aromáticos com seis carbonos. Cerca de 20 componentes distintos constituem a corrente de interesse. Neste trabalho, primeiramente, buscou-se o conjunto de dados experimentais disponíveis de equilíbrio de fases e coeficiente de atividade em diluição infinita para estimar os parâmetros de interação binária do modelo NRTL capaz de representar o processo de separação de uma planta existente. Os parâmetros faltantes foram estimados a partir do modelo de predição baseado em contribuição de grupos, UNIFAC. O processo de destilação extrativa foi simulado utilizando-se um simulador comercial e uma boa correlação com os dados de planta foi encontrada. A influência na operação de diversos parâmetros, como relação solvente/carga e temperatura do solvente foram estudadas. Os valores ótimos teóricos foram obtidos e podem ser implementados para melhoria do processo. Identificou-se uma extrema sensibilidade do perfil da coluna com o calor fornecido pelo refervedor, indicando que pode ser uma fonte de instabilidades. Além disso, foi identificada baixa eficiência na seção de recheio, que também dificulta a especificação dos produtos de interesse. / Extractive distillation processes with N-formylmorpholine (NFM) are industrially used to separate benzene from non-aromatics hydrocarbons of six carbons. In the process studied in this work, the stream of interest consists of nearly 20 different hydrocarbons. A new set of NRTL parameters was correlated based on literature experimental data. Both vapor-liquid equilibrium data as well as infinite dilution activity coefficient were taken into account; missing parameters were estimated with the UNIFAC group contribution model. The extractive distillation process was simulated using a commercial simulator. Very good agreement with plant data was obtained. The influence of the main parameters in operation, solvent to feed ratio and solvent temperature were studied. The theoretical optimum values were obtained and can be implemented to improve the industrial process. Extreme static sensitivity with respect to reboiler heat was observed indicating that this can be the source of instabilities. In addition a low efficiency was identified at the packing section, contributing to the products specification problem as well.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6081.pdf: 3692615 bytes, checksum: c275b7cf71f1d4575f5deeff0b9c56cc (MD5) Previous issue date: 2014-03-18 / Universidade Federal de Sao Carlos / Ethanol is a renewable fuel produced from biomass. Starting in 1975, Brazil began a national program to promote ethanol production in large scale, the ProAlcool Programme. In the harvest 2012/13 it was produced 23.64 billion of litters of ethanol, from that 9.85 billion was in anhydrous form. The anhydrous ethanol is mainly used as a gasoline additive. This mix reduces the dependence on fossil fuels, improves the engine performance and reduces the emission of toxic gases. Anydrous ethanol can be produced by azeotropic distillation (cyclohexane), by extractive distillation (mono ethylene glycol) or by molecular sieves technology (zeolytes). The objective of this work was the construction and operation of a distillation apparatus (in a bench scale) with the purpose of evaluating the extractive distillation of hydroalcoholic solutions of ethanol employing glycerol as solvent, in substitution of mono ethylene glycol. The substitution is motivated by several factors indicated by the literature like the biodiesel production growth, whose glycerol is a byproduct; the low toxicity; the superior capacity to promote the relative volatility increase of water-ethanol solution; and the inferior energetic consumption. The column was composed by three glass modules with five perforated plates each module. On the top it was used a glass coil condenser. As reboiler it was used a two litters round bottom boiling flask linked to a heating mantle. The feed of ethanol, solvent (glycerol) and the bottom product withdraw was made with pumps. The distillation system was modelled and simulated in the Aspen Plus software using the RadFrac distillation model and NRTL (non-random two-liquid model) thermodynamic model. Four simulations were made for different ethanol feed compositions (25, 35 and 45 wt %). Three simulations were made without the glycerine feed and one with solvent feed and 35% ethanol feed. The distillation column was operated in total reflux with 0.599 L/h ethanol feed flow and 0.341L/h glycerine feed flow. The systems without the solvent reached a mass purity of ethanol of 94.1% in distillate (45% of ethanol feed). The process with the solvent reached a purity of 99.8% in distillate. The four simulated conditions were experimentally evaluated. The experimental results confirmed that the use of glycerine feed promoted an improvement in separation, reaching distillate purity over 99%. Experiments without the glycerine reached compositions around 90%. Murphree efficiencies were determined in all experiments carried out. For the systems without the solvent the obtained efficiencies were: 45% (25% ethanol feed), 30% (35% ethanol feed), 35% (45% ethanol feed). The system with glycerine feed reached 70% efficiency. / O etanol é um combustível renovável que teve sua produção incentivada no Brasil a partir da implantação do Programa Nacional do Álcool em 1975. Na safra 2012/13 foram produzidos 23,64 bilhões de litros, destes 9,85 bilhões em sua forma anidra. Nesta composição é utilizado como aditivo na gasolina (25% em volume) o que contribui para redução da dependência dos combustíveis fósseis, melhora do desempenho dos motores e diminuição na emissão de gases tóxicos. A produção de etanol anidro pode ser realizada pela destilação azeotrópica (cicloexano), extrativa (monoetilenoglicol) ou por meio do emprego da tecnologia das peneiras moleculares (zeólitas). Este trabalho teve como objetivo a construção e operação de um aparelho de destilação (em escala de bancada) com o objetivo de avaliar a destilação extrativa de soluções hidroalcoólicas de etanol empregando glicerol como solvente em substituição ao monoetilenoglicol. Essa substituição é motivada por diversos fatores apontados pela literatura como o crescimento da produção de biodiesel, que possui como subproduto o glicerol; a menor toxicidade do glicerol em relação ao monoetilenoglicol; a maior capacidade em promover o aumento da volatilidade relativa da solução água-etanol; e o menor consumo energético. A coluna de destilação era composta de três módulos de vidro com cinco pratos perfurados em cada módulo. No topo foi utilizado um condensador de vidro tipo serpentina. Como refervedor foi utilizado balão de fundo redondo de dois litros acoplado a uma manta de aquecimento. A alimentação das correntes de etanol, solvente e a retirada do produto de fundo da coluna foram realizadas por bombas. O sistema de destilação foi simulado no aplicativo Aspen Plus utilizando o bloco RadFrac e o modelo termodinâmico NRTL (Non-random two-liquid model). Foram realizadas quatro simulações variando-se a composição de etanol na corrente de alimentação (25%, 35% e 45% m/m). Três simulações foram feitas sem a alimentação de glicerina e uma simulação com alimentação do solvente e alimentação de etanol de 35%. A simulação representou o processo em refluxo total com vazão de alimentação de etanol de 0,599 L/h e alimentação de glicerina com vazão de 0,341 L/h. As simulações mostraram que para os sistemas sem alimentação de glicerina a máxima pureza mássica de etanol obtida no destilado foi de 94,1% (alimentação com 45% de etanol). Para a operação com alimentação do solvente a pureza obtida no destilado atingiu 99,8%. As quatro condições simuladas foram avaliadas experimentalmente. Os resultados experimentais confirmaram que o uso da alimentação de glicerina promoveu uma melhora na separação, obtendo um destilado com pureza mássica de etanol superior a 99%. Os experimentos sem a presença do solvente atingiram concentrações próximas de 90% no destilado. A eficiência de Murphree foi determinada em cada uma das operações. Para os sistemas sem a presença de solvente, as eficiências obtidas foram de 45% (25% de etanol na alimentação), 30% (35% de etanol na alimentação) e 35% (45% de etanol na alimentação). Para o sistema com alimentação de glicerina a eficiência foi de 70%.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-23T19:16:15Z No. of bitstreams: 2 GARDÊNIA MARINHO CORDEIRO - TESE PPGEQ 2016..pdf: 4354292 bytes, checksum: 1f9e0bf89dc6a2e1c64d5fa7f2e58a85 (MD5) ANEXO_TESE.pdf: 3069265 bytes, checksum: da63715d85442ba1e5c536dc5ebe121f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-23T19:16:15Z (GMT). No. of bitstreams: 2 GARDÊNIA MARINHO CORDEIRO - TESE PPGEQ 2016..pdf: 4354292 bytes, checksum: 1f9e0bf89dc6a2e1c64d5fa7f2e58a85 (MD5) ANEXO_TESE.pdf: 3069265 bytes, checksum: da63715d85442ba1e5c536dc5ebe121f (MD5) Previous issue date: 2016-08-29 / Capes / A intensificação de processos através de colunas de parede dividida (DWC) e acoplamento térmico de duas colunas (TCS) são apontadas na literatura consultada como uma das alternativas mais promissoras para redução do consumo energético do processo de destilação. Especificamente ao processo de destilação extrativa, o uso destas configurações ainda é questionável e não consensual quanto ao seu potencial de redução de custos totais. Neste trabalho, a fim de avaliar rigorosamente a viabilidade de configurações TCS, três abordagens de redução de energia (otimização, integração térmica e acoplamento térmico) são analisadas e concatenadas de modo a reduzir o custo anual total (TAC) e consumo específico de energia (SEC). O uso de um procedimento de otimização baseado no teor de solvente, com garantia de solução ótima global foi eficiente na redução desses custos, uma vez que apresentou menores resultados (de SEC e TAC) em comparação com todos os fluxogramas da literatura analisados. A inclusão de uma integração térmica para pré-aquecer a alimentação do azeótropo com a corrente de reciclo mostrou-se competitiva com o uso do acoplamento térmico. Para estender a avaliação em configurações DWC, considerando a equivalência em termos de estágio de equilíbrio com TCS, é proposto uma estratégia sistemática para obtenção de uma configuração DWC otimizada, em termos operacionais e de design. Um comparativo rigoroso entre DWC e CS (também otimizada) foi realizado e demonstrou a influência do número de estágios das colunas no desempenho dessas configurações. Em relação aos custos energéticos, todas as DWC’s mostraram-se favoráveis, entretanto, o percentual de redução de carga térmica depende de qual CS tomou-se como referencial. Os melhores resultados de TAC foram obtidos para colunas com o número de estágios bem distintos em cada lado da parede, entretanto, essas colunas não superaram os sistemas convencionais otimizados. Economicamente, a decisão sobre o tipo de configuração mais viável para uma aplicação industrial pode ser tomada como base nas estratégias apresentadas, observando o trade-off entre a capacidade de redução energética das DWC’s e os custos do processo das configurações otimizadas. / The process intensification through dividing wall column (DWC) and thermal coupling of two columns (TCS) are noted in the literature consulted as one of the most promising alternatives to reduce energy consumption of the distillation process. Specifically by extractive distillation process, the use of these settings is still questionable and nonconsensual as to its potential to reduce total costs. In this work, in order to assess accurately the feasibility of TCS, three approaches of energy reduction (optimization, thermal and thermal coupling integration) are analysed and concatenated in order to reduce the total annual cost (TAC) and specific energy consumption (SEC). The use of an optimization procedure based on the solvent content, with guaranteed global optimal solution was effective in reducing these costs, since presented smaller results (SEC and TAC) compared to all studies of the literature examined. The inclusion of a thermal integration to preheat the azeotrope with the recycle proved to be competitive with the use of thermal coupling. To extend the assessment in DWC, considering the equivalence in terms of stage of equilibrium with TCS, proposed a systematic strategy for obtaining a DWC configuration optimized in terms of design and operational. A strict comparison between DWC and CS (optimized too) was performed and showed the influence of the number of stages of the columns in the performance of these configurations. In relation to energy costs, all the DWC's were favorable, however, the percentage of reduction of thermal load depends on which CS took as a reference. The best TAC’s results were obtained for columns with distinctive number of stages on each side of the wall, however, these columns do not have overcome the conventional systems optimized. Economically, the decision about the type of configuration more viable for an industrial application can be taken as the basis of the presented strategies, noting the trade-off between the ability of energy reduction of DWC's and the costs of the process of the optimized configurations.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4994.pdf: 4218201 bytes, checksum: 2533718bb0a463f333c6c34f4b0357b9 (MD5) Previous issue date: 2013-02-15 / Universidade Federal de Sao Carlos / An alternative of renewable fuel is the anhydrous ethanol from biomass. Its production has to aim the minimum consumption of hydric and energetic resources. The bottleneck of the process is located in the downstream that requires technological development with thermodynamics reasoning. This master s degree seeks to address this aspect by studying the dehydration of ethanol by extractive distillation making use of liquid solvent glycerol, salts of potassium acetate and calcium chloride, or both kinds of resources. These resources, called separation agents, can "break" the barrier of azeotropy and have advantages such as no top product contamination and lower energy consumption. The rectification column plus the conventional dehydration system are replaced by a single extractive distillation column which is itself the rectification column, adding the separating agents in the reflux stream. The simulation is performed in steady state using a rigorous model for calculating the column. For non-electrolytic systems UNIFAC model was used, and for systems involving electrolytes UNIFAC model with the addition of the Debye-Hückel term and UNIFAC-Dortmund model. Maximum values for the mean of absolute deviations of temperature and of ethanol molar fraction in vapor phase were 5,51 K and 0,0646 respectively. Though, it was observed that the deviations were higher in the region of least ethanol concentration. The simulation of extractive column with glycerol converged generating anhydrous ethanol following the specification, being a proof of the concept that the application of the proposed process was successful. The simulation of the saline extractive distillation presented difficulties of convergence which will need to be studied in future works. / Uma alternativa de combustível renovável é o etanol anidro a partir da biomassa. Sua produção deve visar o consumo mínimo de recursos hídricos e energéticos. O gargalo do processo está localizado no downstream que necessita de desenvolvimento tecnológico com fundamentação da termodinâmica. Este mestrado busca trabalhar neste aspecto estudando a desidratação do etanol pela destilação extrativa fazendo uso do solvente líquido glicerol, dos sais acetato de potássio e cloreto de cálcio, ou de ambos os tipos de recursos. Esses recursos, chamados de agentes de separação, conseguem quebrar a barreira da azeotropia e possuem vantagens como não contaminação do produto de topo e menor consumo de energia. A coluna de retificação mais o sistema de desidratação convencional são substituídos por uma única coluna de destilação extrativa que é a própria coluna de retificação, adicionando os agentes de separação na corrente de refluxo. A simulação é realizada no estado estacionário utilizando modelo rigoroso de cálculo da coluna. Para sistemas não eletrolíticos foi utilizado o modelo UNIFAC, e para sistemas envolvendo eletrólitos os modelos UNIFAC com adição do termo de Debye-Hückel e UNIFAC-Dortmund. Valores máximos para os desvios absolutos médios de temperatura e de fração molar de etanol na fase vapor foram de 5,51 K e 0,0646, respectivamente. Apesar disso, observou-se que os desvios foram maiores na região de menor concentração de etanol. A simulação da coluna extrativa com glicerol convergiu gerando etanol anidro conforme a especificação, mostrando ser uma prova do conceito de que a aplicação do processo proposto foi bem sucedida. A simulação da destilação extrativa salina apresentou dificuldades de convergência que deverão ser estudadas em futuros trabalhos.