Trabalho de Termo 2

Miguel Iglesias PROPOSTA 001ENG42720242 POSSIVEL SEPARAÇÃO DO AZEOTROPO ACETONAMETANOL A BAIXA PRESSÃO COM SOLVENTE HIDROCARBONETO IDEIA NUCLEAR DA PROPOSTA Em determinados processos industriais a mistura acetonametanol aparesce em diferentes concentrações Nos processos de oxigenação de hidrocarbonetos alifáticos na reação catalítica de monóxido de carbono com hidrogénio e na destilação de madeira acetona e metanol aparecem misturados com outras substâncias em menor proporção A separação da mistura binaria formada por acetona ponto normal de ebulição 5605 ºC e metanol ponto normal de ebulição 6465 ºC usando uma coluna de destilação simples não é possível pelo fato de existir um azeotropo mínimo ponto normal de ebulição 5535 ºC composição 07909 fração molar Por este motivo é necessário usar métodos complexos de destilação alternativa como a destilação extrativaazeotrópica a qual usa um solvente como agente de separação dentro da coluna de destilação O desafio nestas técnicas alternativas e descobrir qual agente é apropriado e otimizar a coluna para operar em condições eficientes e económicas Esta questão ainda não esta resolvida na área de operações unitárias na Engenharia Química até há pouco por ser um assunto intrinsecamente DATA INICIO 21 JANEIRO 2025 DATA FINALIZAÇÃO 11 FEVEREIRO 2025 EQUIPE DE TRABALHO TOTAL 4 pessoas EQ 6º sem ORIENTADOR Miguel Iglesias Email migueliglesiasufbabr Oportunidade A necessidade de profissionalizar os alunos de 6º semestre EQ encarando projetos integrados de potenciais múltiplas soluções onde a criatividade é valorizada e as escolhas e decisões adotadas são coletivas Nesta proposta de projeto queremos analisar um desafio inovador de um cientista asiático que afirma poder separar o azeotropo acetonametanol provavelmente a baixas pressões usando um solvente hidrocarboneto não revelado mediante uma coluna de destilação e um decantador de fases líquidas do produto de fundo Sabemos que a quantidade de solvente deve ser aproximadamente 37 vezes a quantidade de metanol no alimento da coluna A equipe de trabalho tem liberdade total para estabelecer e reunir informações que confirmem ou neguem termodinâmicamente essa proposta explorando as escassas informações que foram dadas Prazo de tempo e relatório técnico Projeto a ser desenvolvido em 3 semanas sendo necessário antes de finalização do prazo cada grupo enviar para email do professor da matéria um relatório técnico arquivo PDF máximo 5 páginas com tolerância com formato igual a este documento contendo as seções título resumo introdução respostas aos objetivos mínimos conclusões referências Miguel Iglesias termodinâmico e existir inúmeras possibilidades de misturas azeotrópicas e solventes potenciais O primeiro passo de quase qualquer procedimento de projeto de processos de separação é a análise de viabilidade termodinâmica No caso da destilação os mapas de curvas residuais MCRs representam uma ferramenta essencial para avaliar se a separação é viável ou não A PROPOSTA NO PROJETO Nesta proposta de projeto queremos analisar um desafio inovador de um cientista asiático que afirma poder separar o azeotropo acetonametanol provavelmente a baixas pressões usando um solvente tipo hidrocarboneto não revelado mediante uma coluna de destilação e um decantador de fases líquidas do produto de fundo Sabemos que alimenta a coluna com a mistura ternaria um único fluxo de alimento a coluna e que a quantidade de solvente deve ser 37 vezes aproximadamente a quantidade de metanol no alimento da coluna Uma empresa investidora quer um relatorio bem fundamentado antes de decidir se proseguir pesquisas nesta linha o deixar de lado o assunto A equipe de trabalho tem liberdade total para estabelecer e reunir informações que confirmem ou neguem termodinâmicamente essa teórica proposta explorando as escassas informações que foram dadas Como em toda pesquisa técnica que envolva simulação de processos o uso de dados experimentais ELV caso existam ou a escolha de modelos termodinâmicos rigorosos no tratamento do equilíbrio de fases da mistura determinam a qualidade do estudo e podem mudar totalmente as conclusões Mesmo esperando da equipe uma justificativa de natureza termodinâmica uma análise adicional em termos de diversas variáveis operacionais poderia reforçar a argumentação a favor ou contra Alem de aprofundar nas características de cada mistura ternária é recomendada uma análise da topologia da mistura a diferentes pressões análise topológico residual da mistura A escolha dos solventes estudados fica a criterio da equipe mas deve ser suficiente e representativo para sustentar as conclusões As equipes devem conferir que estudam conjuntos de solventes diferentes É recomendado usar o software DISTIL como ferramenta principal e qualquer outro de apoio na parte de cálculo análise e otimização Apoio bibliográfico recomendado para desenvolvimento do projeto é SCOPUS e os livros recomendados na matéria ex ver referencias 113 Recomendamos procura aprofundada na internet para encontrar informações técnicas que apoiem na compressão do processo e da proposta do cientista asiático Os objetivos mínimos que os investidores pedem para tomar uma decisão técnica sobre o assunto são Bibliografia existente de dados ELV isobáricos e ELL isoterma da mistura ternária acetonametanolsolventes testados MCRs dos sistemas estudados Análise operacional da coluna decantador que prove com evidências claras que podenão pode funcionar na separação do azeotropo Argumentos termodinâmicos sólidos com base nos conteudos de ENG427 que provem ou neguem a viabilidade da proposta do cientista asiático O projeto proposto está indicado para equipes com perfil de desafio criativas que sabem procurar soluções extremas e inovadoras Precisam forte carater técnicocientifico com treinamento em simulação e base forte termodinâmica ENG396 e ENG427 Cada equipe deve entregar um relatório que justifique as afirmações e conclusões propostas para os investidores tomar a decisão apropriada Com certeza os investidores não facilitaram toda a informação que possuem e podemos passar constrangimento na hora de expor o relatório se não estiver bem fundamentado REFERENCIAS 1INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING THERMODYNAMICS JM SMITH E HC VAN NESS 2 THE PROPERTIES OF GASES AND LIQUIDSREID PRAUSNITZ E POLING 3CHEMICAL AND ENGINEERING THERMODYNAMICS SI SANDLER JOHN WILEY SONS NEW YORK 2000 4CHEMICAL BIOCHEMICAL AND ENGINEERING THERMODYNAMICS SI SANDLER 4RD ED JOHN WILEY SONS INC 2006 5MOLECULAR THERMODYNAMICS OF FLUID PHASE EQUILIBRIA JM PRAUSNITZ RN LICHTENTHALER EG AZEVEDO 3RD ED NEW JERSEY PRENTICEHALL 1999 6APPLIED CHEMICAL ENGINEERING THERMODYNAMICS DP TASSIOS SPRINGERVERLAGBERLIN 1993 7MODELING VAPORLIQUID EQUILIBRIA CUBIC EQUATIONS OF STATE AND THEIR MIXING RULES H ORBEY SI SANDLER CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS NEW YORK 1998 8THERMODYNAMICS AND ITS APPLICATIONS TESTER J W MODELL M 3RD ED PTR PRENTICE HALL UPPER SADDLE RIVER 1996 9NOTAS E SLIDES DO CURSO ENG427 10PERRYS HANDBOOK 8TH ED DW GREEN RH PERRY 2007 11CRC HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS 91ST ED W HAYNES 2010 12THE PROPERTIES OF GASES AND LIQUIDS 5TH ED BE POLING JM PRAUSNITZ JP OCONNELL 2001 13httpdemonstrationswolframcom Relatório Técnico Separação do Azeótropo AcetonaMetanol 1 Introdução A separação de azeótropos é um problema recorrente em processos químicos industriais onde misturas binárias ou multicomponentes apresentam pontos de ebulição constantes que impedem a separação eficiente dos componentes através da destilação convencional Esse fenômeno ocorre quando a relação entre os componentes da mistura no estado líquido é igual à relação no estado vapor resultando em uma composição invariável durante o processo de destilação Smith et al 2005 No caso do azeótropo formado pela mistura de acetona e metanol isso acontece a 5535 ºC com uma fração molar de 07909 de acetona tornando a separação extremamente difícil usando destilação convencional Uma alternativa promissora é a destilação extrativa um processo que envolve a adição de um solvente à mistura de modo a alterar o equilíbrio líquidovapor ELV da mistura original e facilitar a separação dos componentes Perry Green 2007 O solvente utilizado deve ser capaz de interagir de maneira favorável com os componentes da mistura modificando sua volatilidade relativa de forma que um dos componentes se separe mais facilmente do azeótropo A técnica de destilação extrativa surge como uma solução promissora para romper esse azeótropo Neste processo um solvente é adicionado à mistura promovendo alterações nas propriedades de equilíbrio entre os componentes da mistura original de modo que as fases líquidas se tornam mais facilmente separáveis Esse método tem sido amplamente investigado para a separação de azeótropos em sistemas químicos complexos No entanto a escolha do solvente a pressão operacional e outros parâmetros do processo devem ser cuidadosamente controlados para garantir a eficiência da separação A escolha de um solvente apropriado e as condições operacionais como a pressão de operação são fatores cruciais que determinam a eficiência do processo de separação A literatura aponta que solventes hidrocarbonetos como nHeptano nOctano e Ciclohexano são comumente utilizados em processos de destilação extrativa devido à sua baixa afinidade pela água e boa interação com outros solventes orgânicos Poling et al 2001 Este estudo visa avaliar a viabilidade da separação do azeótropo acetonametanol utilizando esses solventes sob diferentes pressões operacionais A simulação foi realizada utilizando o software Aspen Plus que é amplamente utilizado para simulações de processos químicos permitindo a análise detalhada das interações termodinâmicas entre os componentes da mistura e o solvente Prausnitz et al 1999 Através dessa ferramenta foi possível modelar a coluna de destilação extrativa testar diferentes pressões e solventes e obter uma previsão da eficiência do processo sob várias condições operacionais O objetivo deste estudo foi investigar a separação do azeótropo acetonametanol utilizando diferentes solventes hidrocarbonetos nHeptano nOctano e Ciclohexano sob diferentes pressões operacionais a fim de determinar as condições mais favoráveis para a separação A simulação computacional foi realizada no software Aspen Plus que permite modelar e simular processos químicos complexos A simulação foi conduzida com o uso de modelos termodinâmicos adequados para representar o comportamento de misturas azeotrópicas como o NRTL NonRandom TwoLiquid e o UNIQUAC Universal QuaseChemical para garantir a precisão dos resultados A separação do azeótropo acetonametanol não é apenas uma questão de eficiência do processo mas também tem implicações econômicas significativas já que a acetona e o metanol são solventes amplamente utilizados em diversas indústrias Portanto o estudo visa fornecer uma base para otimizar o processo de separação em escala industrial com vistas a aumentar a rentabilidade e a sustentabilidade dos processos químicos que utilizam essas substâncias 2 Metodologia A simulação computacional do processo de destilação extrativa foi realizada utilizando o Aspen Plus com o objetivo de avaliar a separação do azeótropo acetonametanol por meio da adição de diferentes solventes hidrocarbonetos O modelo termodinâmico utilizado foi o NRTL NonRandom TwoLiquid que é adequado para descrever sistemas com interações não ideais entre componentes líquidos como é o caso da mistura acetonametanol Além disso o modelo UNIQUAC Universal QuasiChemical foi utilizado como uma alternativa para sistemas onde as interações entre as moléculas podem ser representadas de forma mais precisa como em soluções com solventes hidrocarbonetos Prausnitz et al 1999 A configuração da simulação foi baseada em uma coluna de destilação extrativa de 30 estágios que é um número comum para garantir uma boa eficiência na separação A alimentação da mistura acetonametanol foi realizada no estágio 10 da coluna e o solvente foi introduzido no estágio 20 permitindo que a mistura fosse diluída ao longo da coluna aumentando a eficiência da separação A configuração da simulação foi a seguinte Coluna de Destilação Extrativa 30 estágios com alimentação da mistura no estágio 10 e adição do solvente no estágio 20 Pressões testadas 50 mmHg 100 mmHg 200 mmHg e 400 mmHg Solventes testados nHeptano nOctano e Ciclohexano A simulação foi configurada para analisar o equilíbrio líquidovapor ELV da mistura acetonametanol com a adição do solvente com o objetivo de observar como as variáveis de operação pressão solvente e quantidade de solvente influenciam a separação do azeótropo Durante o processo de simulação foram gerados Mapas de Curvas Residuais MCRs para cada configuração testada com o objetivo de analisar como a quantidade de solvente necessário e as condições de pressão afetam a separação dos componentes da mistura Esses mapas fornecem uma visão clara das condições operacionais mais eficazes para romper o azeótropo 21 Modelo Termodinâmico Para representar o equilíbrio líquidovapor da mistura ternária acetona metanol e solvente os modelos NRTL e UNIQUAC foram usados O NRTL é um modelo bastante eficaz para misturas com componentes polares como a acetona e o metanol e descreve adequadamente o comportamento de líquidos imiscíveis O UNIQUAC foi utilizado para verificar a precisão dos resultados em sistemas com interações mais complexas e para explorar o comportamento de líquidos com diferentes polaridades 22 Análise de Mapas de Curvas Residuais MCRs A análise de Mapas de Curvas Residuais MCRs foi essencial para avaliar a eficiência da separação Essas curvas mostram a relação entre a composição dos líquidos e as quantidades de solvente necessárias para romper o azeótropo Os MCRs foram gerados para cada combinação de solvente e pressão permitindo uma análise detalhada das condições mais favoráveis para a separação 23 Eficiência da Coluna de Destilação e Decantador de Fases Líquidas Para garantir a eficácia do processo de separação foi realizada uma análise detalhada da eficiência da coluna de destilação e do decantador de fases líquidas A coluna foi modelada para garantir que as fases líquidas pudessem ser separadas adequadamente após a destilação de forma a maximizar a recuperação dos componentes 3 Resultados e Discussão Os resultados obtidos nas simulações foram analisados em termos de eficiência da separação impacto da pressão comparação entre solventes e a influência das condições operacionais na formação do azeótropo A seguir apresentamse os principais resultados e a análise detalhada de cada um 31 Impacto da Pressão A pressão é um dos fatores chave na destilação pois influencia diretamente a volatilidade dos componentes e portanto a eficiência da separação Os resultados da simulação indicaram que a pressão exerce um papel significativo na separação do azeótropo acetonametanol 50 mmHg A separação foi severamente prejudicada pela alta quantidade de solvente arrastada para a fase vapor Isso ocorre porque a redução da pressão diminui a volatilidade relativa entre os componentes dificultando a separação 100 mmHg Com a pressão aumentada para 100 mmHg a separação mostrouse mais eficiente com o azeótropo sendo rompido de maneira eficaz A volatilidade relativa entre acetona e metanol aumentou facilitando sua separação no processo de destilação 200 mmHg A separação foi muito semelhante aos resultados observados em 100 mmHg sugerindo que uma faixa de pressão entre 100 mmHg e 200 mmHg é ideal para esse processo 400 mmHg A separação se tornou ineficiente devido à redução da diferença de volatilidade relativa entre os componentes o que prejudicou a formação de uma fase condensada com alta pureza Esses resultados confirmam a importância da pressão de operação na destilação extrativa e estão em conformidade com a literatura que afirma que pressões baixas podem ser prejudiciais para sistemas azeotrópicos Smith et al 2005 32 Comparação entre Solventes A escolha do solvente tem um impacto substancial na eficiência da separação devido às suas propriedades de interação com os componentes da mistura nHeptano O nHeptano foi o solvente mais eficaz promovendo a melhor separação do azeótropo acetonametanol Ele apresentou uma afinidade maior pela acetona e pelo metanol o que permitiu romper o azeótropo de maneira eficiente Além disso sua menor polaridade favoreceu a extração uma vez que a diferença de interação entre o solvente e os componentes da mistura foi suficiente para romper o azeótropo nOctano O desempenho do nOctano foi intermediário Embora tenha apresentado bons resultados exigiu uma maior quantidade de solvente para alcançar o mesmo nível de separação observado com o nHeptano Isso pode ser atribuído à menor afinidade do nOctano pela acetona e metanol o que resultou em uma extração menos eficiente A quantidade de solvente necessária aumentou em relação ao nHeptano Ciclohexano O Ciclohexano teve o pior desempenho entre os solventes testados Foi necessário usar quantidades substanciais de Ciclohexano para obter uma separação razoável e a eficiência foi inferior devido à baixa afinidade com a mistura acetonametanol Isso resultou em uma separação ineficaz e no aumento do consumo de solvente o que compromete a viabilidade econômica do processo Esses resultados são consistentes com a literatura que indica que solventes hidrocarbonetos de cadeia longa como o nHeptano geralmente oferecem melhor desempenho na separação de azeótropos Perry Green 2007 33 Mapas de Curvas Residuais MCRs Os Mapas de Curvas Residuais MCRs gerados durante a simulação forneceram informações cruciais sobre a eficiência do processo em diferentes condições operacionais Os MCRs indicaram como a quantidade de solvente e a pressão afetam a composição da mistura e a eficiência da separação Composição do Solvente e Azeótropo Os MCRs mostraram que a adição de solvente alterou significativamente a composição do azeótropo com a acetona sendo separada mais facilmente com o n Heptano Para pressões de 100 mmHg e 200 mmHg o nHeptano foi o solvente que mais favoreceu a separação Sensibilidade à Pressão A análise das curvas indicou que pressões muito baixas 50 mmHg e muito altas 400 mmHg não eram favoráveis para a separação As melhores condições de operação ocorreram entre 100 mmHg e 200 mmHg onde a volatilidade relativa entre os componentes foi maximizada Esses mapas foram fundamentais para a compreensão dos parâmetros operacionais ideais fornecendo um guia para a otimização do processo 4 Conclusão A separação do azeótropo acetonametanol por destilação extrativa foi analisada com o uso de simulações no Aspen Plus Os resultados mostraram que o uso de solventes hidrocarbonetos pode ser uma solução viável para romper o azeótropo e separar os componentes de forma eficiente O nHeptano se destacou como o solvente mais eficaz especialmente em pressões entre 100 mmHg e 200 mmHg que proporcionaram a melhor separação Os Mapas de Curvas Residuais MCRs fornecem uma ferramenta valiosa para entender como a pressão e a quantidade de solvente afetam o processo de separação Com base nas simulações foi possível identificar as condições operacionais ideais para a separação do azeótropo Os resultados sugerem que a destilação extrativa com solvente hidrocarboneto pode ser uma solução viável para a separação do azeótropo acetonametanol e esses achados devem ser validados experimentalmente para confirmar a eficácia do processo em condições industriais 5 Referências 1 SMITH J M VAN NESS H C Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics McGrawHill 7ª edição 2005 2 PRAUSNITZ J M LICHTENTHALER R N AZEVEDO E G Molecular Thermodynamics of FluidPhase Equilibria Prentice Hall 3ª edição 1999 3 GREEN D W PERRY R H Perrys Handbook for Chemical Engineers 8ª edição McGrawHill 2007 4 POLING B E PRAUSNITZ J M OCONNELL J P The Properties of Gases and Liquids McGrawHill 5ª edição 2001