Para o estudo usou-se uma coluna de vidro, com 2,75 m de altura e 3,7 cm de diâmetro interno, contendo 29 pratos perfurados (diâmetro dos furos, 0,3 cm e área livre de 35 %), com espaçamento de 9,35 cm. O solvente percorria a coluna no sentido ascendente e a fase contínua, no contrário. A pulsação era fornecida ao sistema líquido por uma biela ligada excentricamente a uma polia, de um lado, e a uma junta de expansão, do outro. A frequência variou de 0 a 2,8 s-1 e a amplitude, de 0,6 a 2,3 cm. Uma primeira série de ensaios foi feita com o sistema binário acetato de n-butila-água, pois, para ele, há dados disponíveis para comparação. Dos resultados obtidos, concluiu-se ser conveniente o desempenho do equipamento. Em seguida, usou-se (a) o sistema metil isobutil cetona-água para levantar curvas de inundação e retenção da fase dispersa para várias condições de operação e (b) o sistema metil isobutil cetona-fenol-água para obter dados de transporte de massa, ou seja, altura equivalente a um estágio de equilíbrio e eficiência da remoção do fenol. Os resultados foram comparados, quando possível, com outros da literatura e com correlações existentes; em alguns casos, obtiveram-se correlações próprias. Os resultados alcançados são reprodutíveis e, para propriedades físicas e geométricas semelhantes, comportam-se de modo compatível com os da literatura. O processo é razoavelmente eficiente na remoção do fenol. / The extraction of phenol from aqueous solutions using a pulsed perforated-plate column was studied. The glass column, 2.75 m high and 3.7 cm internal diameter contains 29 perforated plates (0.3 cm holes and 35% of free area). The solvent flows upwards and the continuous phase, downwards. The pulsation was obtained by the expansion and compression of an expansion joint. Frequency varied from 0 to 2.8 s-1 and amplitude, from 0.6 to 2.3 cm. The initial tests were undertaken with the binary system n-butyl acetate-water because, for this system, there are data for comparison. It was shown that the equipment leads to convenient results. Then, the system methylisobutylketone-water was used to obtain flooding curves and dispersed phase hold-up and the system MIBK-phenol-water to study height equivalent to a theoretical stage and the phenol separation efficiency. The results were compared, whenever possible, with data from the literature and with existing correlations; specific correlations were obtained in certain cases. Results are reproducible and, for similar geometries and physical properties they are compatible with those of literature. The equipment is rather efficient in removing the phenol from the solution.

Para o estudo usou-se uma coluna de vidro, com 2,75 m de altura e 3,7 cm de diâmetro interno, contendo 29 pratos perfurados (diâmetro dos furos, 0,3 cm e área livre de 35 %), com espaçamento de 9,35 cm. O solvente percorria a coluna no sentido ascendente e a fase contínua, no contrário. A pulsação era fornecida ao sistema líquido por uma biela ligada excentricamente a uma polia, de um lado, e a uma junta de expansão, do outro. A frequência variou de 0 a 2,8 s-1 e a amplitude, de 0,6 a 2,3 cm. Uma primeira série de ensaios foi feita com o sistema binário acetato de n-butila-água, pois, para ele, há dados disponíveis para comparação. Dos resultados obtidos, concluiu-se ser conveniente o desempenho do equipamento. Em seguida, usou-se (a) o sistema metil isobutil cetona-água para levantar curvas de inundação e retenção da fase dispersa para várias condições de operação e (b) o sistema metil isobutil cetona-fenol-água para obter dados de transporte de massa, ou seja, altura equivalente a um estágio de equilíbrio e eficiência da remoção do fenol. Os resultados foram comparados, quando possível, com outros da literatura e com correlações existentes; em alguns casos, obtiveram-se correlações próprias. Os resultados alcançados são reprodutíveis e, para propriedades físicas e geométricas semelhantes, comportam-se de modo compatível com os da literatura. O processo é razoavelmente eficiente na remoção do fenol. / The extraction of phenol from aqueous solutions using a pulsed perforated-plate column was studied. The glass column, 2.75 m high and 3.7 cm internal diameter contains 29 perforated plates (0.3 cm holes and 35% of free area). The solvent flows upwards and the continuous phase, downwards. The pulsation was obtained by the expansion and compression of an expansion joint. Frequency varied from 0 to 2.8 s-1 and amplitude, from 0.6 to 2.3 cm. The initial tests were undertaken with the binary system n-butyl acetate-water because, for this system, there are data for comparison. It was shown that the equipment leads to convenient results. Then, the system methylisobutylketone-water was used to obtain flooding curves and dispersed phase hold-up and the system MIBK-phenol-water to study height equivalent to a theoretical stage and the phenol separation efficiency. The results were compared, whenever possible, with data from the literature and with existing correlations; specific correlations were obtained in certain cases. Results are reproducible and, for similar geometries and physical properties they are compatible with those of literature. The equipment is rather efficient in removing the phenol from the solution.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6651.pdf: 7342156 bytes, checksum: 24286846097025ed263bb2f4e4b6dfb6 (MD5) Previous issue date: 2015-02-19 / Universidade Federal de Sao Carlos / Distillation is one of the most important industrial separation techniques. It requires high quantity of energy, corresponding to around 40% of the total energy consumption of chemical industries. As such, the optimization of a distillation column is indispensable, and it is only possible from the knowledge of the fluid dynamics phenomena occurring within the column. Some of models used for this, such as the models based on equilibrium and non-equilibrium stage concepts, usually provide useful results, but consider empirically many of the fluid dynamics phenomena by assuming a perfect mixture in each phase. In recent years, the advent of the high-speed computers combined with the development of accurate numerical methods for solving physical problems has revolutionized the way we deal with fluid dynamics phenomena. Computational fluid dynamics (CFD) techniques allow a microscopic description of the physical characteristics of the fluid motion. The main purpose of this study was develop a computational fluid dynamics model for gas-liquid flows that was able to predict the hydrodynamics and mass transfer on a sieve tray. A two-phase, three-dimensional and transient model, in an Eulerian-Eulerian framework was proposed for air/water (25°C) and ethanol/water systems at 1 atm. The continuity, momentum and mass equations were used to describe the gas and liquid phases. The sieve tray geometry simulated was based on experimental work of Solari e Bell (1986). The variables predicted were the velocity profiles, volume fraction of each phase, clear liquid height, recirculation areas, mass fraction and efficiency. The hydrodynamic and mass transfer model predictions were compared with experimental and numerical data from some authors and presented good agreement. This study shows that CFD can be used as a powerful tool for sieve tray simulation. / Destilação é uma das técnicas industriais de separação mais importante. Este processo requer grande quantidade de energia, correspondendo a aproximadamente 40% do consumo total de energia de indústrias químicas. Dessa forma, a otimização de colunas de destilação é indispensável, e para isso é necessário o conhecimento dos fenômenos fluidodinâmicos que ocorrem dentro da coluna. Alguns modelos utilizados nesses equipamentos, tais como os modelos baseados em conceitos de estágios de equilíbrio e não-equilíbrio, geralmente fornecem resultados úteis, mas consideram empiricamente muitos fenômenos fluidodinâmicos e assumem uma mistura perfeita em cada fase. Nos anos recentes, com o advento de computadores mais potentes combinado ao desenvolvimento de métodos numéricos precisos para a resolução dos problemas físicos, houve uma revolução no modo como lidamos com os fenômenos de fluidodinâmica. As técnicas de fluidodinâmica computacional permitem uma descrição microscópica das características físicas do escoamento dos fluidos. O principal objetivo deste estudo foi desenvolver um modelo de fluidodinâmica computacional para escoamentos líquido-vapor que fosse capaz de predizer a hidrodinâmica e a transferência de massa em pratos perfurados. Um modelo bifásico, tridimensional e transiente, numa abordagem Euleriana-Eulariana, foi proposto para os sistemas ar/água (25ºC e 1atm) e etanol/água a 1atm. As equações da continuidade, de momento e da transferência de espécies químicas foram utilizadas para descrever as fases líquida e gasosa. A geometria do prato perfurado simulado foi baseada no trabalho experimental de Solari e Bell (1986). As variáveis preditas foram o perfil de velocidades, a fração volumétrica de cada fase, a altura de líquido claro, áreas de recirculação, frações mássicas e eficiência. As predições do modelo para a hidrodinâmica e transferência de massa foram comparadas com dados experimentais e numéricos de alguns autores e apresentaram boa concordância. Este estudo mostra que o CFD pode ser utilizado como uma ferramenta poderosa para a simulação de pratos perfurados.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6010.pdf: 3960363 bytes, checksum: bb924b69a99f6fe80ceb63d34a17b457 (MD5) Previous issue date: 2014-03-17 / Universidade Federal de Sao Carlos / Distillation is one of the most important and used separation techniques of components at industrial level, applied in a wide range of processes. Its great importance is due to the capacity of purify components of a mixture using the volatility difference among them as driving force. However, this technique represents 40% of the total energy consumption of an industrial facility. Nowadays, with the necessity of rethink the energetic use owing to the massive usage of natural resources, new regulations of pollutant emissions, environmental issues and market competition; the enhancement of the distillation process has become essential to the refineries, petrochemicals and a variety of other sectors of the industry. Empirical studies about the flow dynamics in distillation columns are rare due to the large dimensions of this equipment and the high investment, including measurement instrumentation. This lack of experimental data makes difficult the appropriate understanding of the mechanisms that occur in this equipment, as flow patterns and degree of separation, as well as the relation between both. Nevertheless, to improve the distillation process performance is necessary to deeply know the dynamics of the multiphase flow existing on each tray of the column, where the contact between the phases indeed happens. In this study, was proposed the computational simulation of sieve trays of distillation columns using CFD s tools (Computational Fluid Dynamics). The main aim was to conceive a model capable to predict the hydrodynamics and the more volatile component transfer between the liquid and the vapor. Furthermore, the regions that possibly interfere on obtaining higher efficiencies were pointed out. For that, tridimensional, transient and multiphase models with the Euler- Euler framework were used. The main results show liquid velocity profiles, volumetric fraction, clear liquid height, mass fraction and efficiency. The results presented agreement with the literature. In general, the fluid dynamics results obtained here highlight the significance of the application of models that represent the complex behavior existing on sieve trays, since this crucially influence in the separation degree of the process. The CFD evidenced to be and valuable tool to study this sort of flow on columns internals and can be applied in the design and optimization of those equipment. / A destilação é uma das mais importantes técnicas de separação de componentes empregada a nível industrial nos mais diversos processos. Sua suma importância dá-se na capacidade de purificar componentes de uma mistura utilizando a diferença de volatilidade entre eles como força motriz. Entretanto, trata-se de uma técnica que representa cerca de 40% da energia consumida em uma planta industrial. Atualmente, com a necessidade de se repensar o uso energético, com as novas políticas de emissão de poluentes, da preocupação com o ambiente e a concorrência de mercado; o aperfeiçoamento do processo de destilação tem se tornado essencial para as refinarias, petroquímicas e diversos setores da indústria. Estudos empíricos sobre o escoamento em colunas de destilação são raros, em parte devido às grandes dimensões destes aparelhos e ao alto investimento em equipamentos e instrumentos de medição. Esta carência de dados experimentais dificulta o entendimento adequado dos mecanismos que ocorrem neste equipamento, como os padrões de escoamento e o grau de separação, assim como a relação entre estes dois. Contudo, para que se possa melhorar o processo destilatório, é necessário conhecer a fundo a dinâmica do escoamento multifásico existente em cada prato da coluna, onde de fato ocorre o contato íntimo entre as fases. Neste estudo, foi proposta a simulação computacional de pratos perfurados de colunas de destilação usando ferramentas de CFD (Computational Fluid Dynamics). O principal objetivo foi conceber um modelo capaz de prever a hidrodinâmica do prato e a transferência do componente mais volátil entre o líquido e o vapor. Além do mais, foram apontadas as regiões no prato que possivelmente interferem na obtenção de maiores eficiências de estágio. Para isso, foram usados modelos 3D, transientes e multifásicos com abordagem Euler-Euler. Os principais resultados mostram os perfis de velocidade, fração volumétrica, altura de líquido claro, fração mássica e eficiência, os quais apresentaram concordância quando comparados com a literatura. Em geral, os resultados fluidodinâmicos obtidos neste estudo ressaltam a importância da aplicação de modelos que representem o complexo comportamento encontrado em pratos perfurados, já que estes influenciam decisivamente no grau de separação do processo. CFD demonstrou ser uma ferramenta valiosa para estudar o fluxo em internos de torres de destilação e pode ser aplicado para projeto e otimização destes equipamentos.