Apresentacao Power Point Operacoes de Separacao e Purificacao na Industria Quimica USP

Departamento de Engenharia Química Escola Politécnica USP Prof Moisés Teles moisestelesuspbr Prof Moisés Teles PQI 3211 Processos Químicos Aula Operações de Separação e Purificação Utilidades Introdução Prétratamento das matérias primas Reação A B C D Separação e Purificação Mistura de A B C e D A B C D Exemplo o cliente quer comprar C com uma pureza de 999 A 80 B 10 C 2 D 8 Processo de Separação Prof Moisés Teles Indústria Química Operações Principais Reações químicas reatores Separação de misturas diversas operações Operações Auxiliares Separação de fases Adição ou remoção de calor trocadores de calor Trabalho de eixo bombas e compressores Mistura ou divisão de correntes Aglomeração de sólidos Redução de tamanho de partículas sólidas Separação de sólidos pelo tamanho das partículas Operações Principais Reações químicas reatores Separação de misturas diversas operações Operações auxiliares Separação de fases Adição ou remoção de calor trocadores de calor Trabalho de eixo bombas e compressores Mistura ou divisão de correntes Aglomeração de sólidos Redução de tamanho de partículas sólidas Separação de sólidos pelo tamanho das partículas Indústria Química Destilação Absorção Extração líquidolíquido Lixiviação Cristalização Secagem Adsorção Separação por membranas Separação homogênea típica 1 Componentes a serem separados estão inicialmente na fase principal 2 Promovese o contato entre a fase principal e uma fase auxiliar Após o contato o sistema multicomponente não está em equilíbrio 3 Há transporte de componentes entre as fases Transporte ocorre no sentido de se estabelecer o equilíbrio termodinâmico 4 Promovese separação heterogênea entre as fases principal e auxiliar Moléculas do componente I Moléculas do componente II Fase auxiliar Fase principal 1 2 3 4 Etapas da separação 1 Fase principal solução etanolágua 2 Fase auxiliar etanol água vapor gerado no próprio equipamento pelo fornecimento de calor 3 Transporte preferencial do componente mais volátil etanol 4 Separação entre o líquido e o vapor Moléculas de etanol Moléculas de água Fase auxiliar Fase principal 1 2 3 4 Etapas da separação exemplo Princípio da separação diferença em propriedades dos componentes a serem separados Ao entrar em contato com a fase auxiliar alguns componentes são transportados em maior proporção que outros efetuando assim a separação Exemplos de propriedades a explorar Volatilidade solubilidade Separação Processo nas condições ideais produção de etanol Etileno puro disponível Sem reações secundárias Um reator um condensador parcial destilação Processo hipotético simples C2H4 H2O C2H5OH ΔH 45 kJmol 572 K 672 MPa 6 Prof Moisés Teles A realidade industrial Realidade industrial Etileno com impurezas ex propileno Ocorrência de reações secundárias envolvendo o etileno e impurezas Maior complexidade formação de outros substâncias que precisam ser removidas Tipos de separação destilação cristalização extração líquidolíquido absorção membrana permeabilidade seletiva Adsorção eletroforese campo elétrico térmico força Influência da pureza do produto no preço Fonte Seader Henley 2011 DESTILAÇÃO CONTÍNUA Prof Moisés Teles Mais de 40000 colunas de destilação nos EUA Consumo de energia 40 da energia total usada em refinarias e plantas químicas Mais de 90 dos processos de separação Investimentos da ordem de US 8X109 Separation and Purification Technology 56 2007270277 Operação de transferência de massa Diferença de volatilidade enriquecimento através de vaporização 7 etilenoglicol 93 água 98 etilenoglicol 2 água Operações de separação Destilação Indústria do petróleo Histórico Separação de hidrocarbonetos Biorefinarias interesse renovado Reações que produzem soluções aquosas diluídas Processo de downstream destilação custos de operação Normalmente envolve misturas líquidas não ideais necessidade de modelos termodinâmicos rigorosos Operações de separação Destilação Prof Moisés Teles Exemplo destilação contínua Prof Moisés Teles Saturated liquid kgmolh Toluene 250 Phenol 750 1 atm 98 mol toluene VB 115 VBmin Reboiler Steam 98 mol phenol Sistema contínuo Destilação contínua Prof Moisés Teles Destilação contínua a coluna V V L L Simulação Controle Fenômenos de Transporte Balanços de Massa e Energia Termodinâmica Operação Projeto Variáveis de projetooperação para Manter especificações do produto grau de pureza etc Otimizar consumo de energia aspectos ambientais e econômicos Operações de separação Destilação Prof Moisés Teles Contato entre as fases líquida e vapor para favorecer transferência de massa dos componentes mais voláteis para fase vapor FTTermo Operações Unitárias Transferência de massa área tempo gradiente resistência Prof Moisés Teles Termodinâmica TPcomposição até onde pode haver TM equilíbrio Destilação princípios básicos Transferência de massa requer contato eficiente entre as fases Recheio Pratos Destilação princípios básicos Prof Moisés Teles Destilação contínua Prof Moisés Teles Pratos Seader Henley e Hoper 2011 Separation Process Principles Chemical and Biochemical Operations 3rd Edition Prof Moisés Teles Destilação contínua Destilação contínua Prof Moisés Teles F D F D B F x D x Bx D Vn1 Ln D xD V1y1 R xR Vn1 yn1 Ln xn B LN Vb Lm Vm1 B xB LN xN Vb yb Lm xm Vm1 ym1 Destilação contínua Balanço Global Balanço de um B componente particular Exercício desenvolver um balanço de massa global e por componente para cada regiãoda coluna Prof Moisés Teles F D F D B F x D x Bx D Vn1 Ln D xD V1 y1 R xR Vn1 yn1 Ln xn B LN Vb Lm Vm1 B xB LN xN Vb yb Lm xm Vm1 ym1 Destilação contínua Prof Moisés Teles Balanço Global Balanço de um B componente particular Solução do exercício Destilação contínua trocadores de calor Prof Moisés Teles DESTILAÇÃO BATELADA Prof Moisés Teles Usos Indústria farmacêutica Indústria de bebidas destiladas Indústria de Química Fina A carga líquida é colocada no fervedor e aquecida até vaporizar O vapor formado é recolhido através de um condensador Destilação princípios básicos destilação em batelada Prof Moisés Teles no text present Prof Moisés Teles Vantagens Flexibilidade no esquema de produção resposta a flutuações na demanda dos produtos Produção de misturas com especificações para cada cliente Mais econômica quando pequenas quantidades de diferentes produtos devem ser produzidas uma planta vários produtos Vs uma planta um produto Indústria farmacêuticaalimentos rastreamento de produtos é fundamental devido às exigências de controle de qualidade batch identity Adequada quando a alimentação contém sólidos ou materiais que podem se solidificar ou resinas que podem causar incrustações em colunas contínuas Adequada quando a alimentação tem composição que varia com o tempo ou com a batelada Aumento de produção de especialidades químicas de valor agregado Destilação princípios básicos destilação em batelada Prof Moisés Teles Aiche Kister Distillation Symposium2013 62e Comparison of Batch and ContinuousIndustrial Distillation Próxima batelada adicionada à alimentação Resíduos Mais consumo de energia Desvantagens Mistura permaneçe durante longo período de tempo a altas temperaturas decomposição Consumo energético geralmente maior comparado ao processo contínuo Dificuldade de identificar quando mudar de tanque acumulador Se produto na alimentação muito diluído concentração e reprocessamento em outra batelada Dificuldade de determinar a razão ótima de refluxo Produção de misturas intermediárias contendo produtos fora de especificação reprocessamento Destilação princípios básicos destilação em batelada O produto de interesse pode ser tanto o vapor como o líquido residual Sistema dinâmico propriedades variam com o tempo Prof Moisés Teles Problemas típicos Avaliar se uma dada planta é adequada para um novo processo Projetar uma nova planta para uma separação específica Destilação princípios básicos destilação em batelada Prof Moisés Teles Fundamentos e simuladores comerciais httpwwwaspentechcomprod uctsaspenbatchmodeleraspx httpwwwprosimnetfrlogiciels batchcolumn9php Destilação em batelada simuladores Destilação em batelada aspectos econômicos Prof Moisés Teles ABSORÇÃO Copyright TriMer Corporation Owosso MI Absorção Qual a finalidade deste processo Prof Moisés Teles Absorção química Exemplo Adoçamento de gás natural absorção de CO2 e H2S de uma corrente de gás por alcanolaminas Dietanolamina DEA monoetanolamina MEAetc Líquido CH4 88 H2S 5 CO2 7 CH4 99 H2S 05 CO2 05 Prof Moisés Teles Absorção Exemplos industriais Fonte Seader JD Henley EJ Roper DK Separation Process Principles 3rd edition Acoplamento de operações Qual a função destes trocadores Quais operações de Transferência de Massa Quais operações de Transferência de Calor Ex remoção de CO2 de gás de síntese stripper MEA CO2 N2 N2 CO2 MEA H2 CO MEA CO2 solvent cooler absorber H2NCH2CH2OH MEA hot feed gas H2 CO CO2 syn gas heat exchanger Principais variáveis de projetooperação Características ideais do agente de absorção Alta solubilidade para o soluto Baixa volatilidade Estável e inerte Baixa corrosão Baixa viscosidade Baixa flamabilidade e toxicidade Disponibilidade se possível no processo Baixo custo Mais comuns absorvente água hidrocarbonetos soluções aquosas de ácidos e bases Mais comuns agentes de stripping vapor ar gases inertes e hidrocarbonetos Absorção usada para remover impurezas contaminantes poluentes de um gás ou para recuperar compostos de interesse O composto a ser removido está nogás Soluto ou absorbato espécie transferida para a correntelíquida Stripping é promovido o contato de uma mistura líquida com um gás para remover espécies químicas O composto a ser removido está nolíquido Absorção Prof Moisés Teles Stripping Stripping esgotamento Prof Moisés Teles Absorção física não há reação química entre o absorvente e o soluto Exemplo águae hidrocarbonetos como absorventes Absorção química há reação química entre o soluto e o absorvente Exemplo uso de soluções aquosas de NaOH para remoção de gases ácidos de uma corrente gasosaremoção de CO2 e H2S usando soluções de amina DEAetc Absorção Prof Moisés Teles Prof Moisés Teles Fonte Seader JD Henley EJ Roper DK Separation Process Principles 3rd edition Copyright MikroPul Inc Charlotte NC Absorção Fonte Seader JD Henley EJ Roper DK Separation Process Principles 3rd edition Absorção Prof Moisés Teles EXTRAÇÃO LÍQUIDOLÍQUIDO Prof Moisés Teles Aplicações Bioseparações separações de antibióticos recuperação de proteínas de produtos naturais Aplicações nucleares recuperação de urânio Mineração Extração de perfumes fragrâncias e óleos essenciais Química fina Exigências de alta pureza Produtos sensíveis ao calor degradação oxidação etc Espécies com alto ponto de ebulição em pequenas quantidades Volatilidades próximas Grande diferença de solubilidade Solubilidade de A maior em C que em B É possível que todo o A seja removido de B Aliquat 336 Prof Moisés Teles Extração líquidolíquido exemplos industriais Misturador decantador Coluna Batelada Extração líquidolíquido equipamentos Prof Moisés Teles misturador decantador Prof Moisés Teles Misturador decantador mixer settler Extração líquidolíquido equipamentos Misturador decantador mixer settler Extração líquidolíquido equipamentos Prof Moisés Teles Colunas de spray Extração líquidolíquido equipamentos Prof Moisés Teles Prof Moisés Teles SCHEIBEL Columns httpmodularprocesscomliquidextractionextraction columntypesscheibelcolumns Colunas com agitação mecânica Altas tensões superficiais Viscosidades altas Alta resistência à TM Agitação aumenta área interfacial por unidade de volume Extração líquidolíquido equipamentos Alta seletividade para o soluto que se quer extrair alto coeficiente de distribuição Tensão superficial facilidade de dispersão e coalescência Estabilidade reúso Baixa viscosidade transferência de massa Segurança não tóxico não inflamável Barato Extração líquidolíquido solvente Prof Moisés Teles Perspectivas gerais Use SEM MODERAÇÃO BALANÇOS DE MASSA E ENERGIA Prof Moisés Teles