Modelagem matemática e análise fluidodinâmica do processo de destilação por filme líquido descendente

Abstract

No mercado atual, competitivo e globalizado, é importante agregar rentabilidade às unidades de negócios através do desenvolvimento de soluções tecnológicas diferenciadas. Neste sentido, a adequação da produção de derivados de petróleo extraído deve ser realizada de maneira competitiva, com a integração e a otimização de toda a cadeia produtiva. Dentre as formas para alcançar estes objetivos destacam-se a redução do custo de fracionamento e o desenvolvimento de novas concepções de equipamentos. Estes dois fatores podem ser obtidos quando implementada uma maneira alternativa de troca de calor e massa entre as fases em um processo de destilação, que permita a redução do consumo energético e aumente a eficiência de separação. Desta maneira a destilação por filme líquido é uma opção para otimizar a transferência de calor e massa devido a grande área de contanto. As principais dificuldades para este processo são a seleção e localização adequada do sistema de distribuição de alimentação, os limites das vazões de alimentação para maximizar a transferência de calor e massa, o layout do tubo de destilação para escoamento das fases líquida e vapor, além da modelagem para estudar a capacidade de separação do processo e sua viabilidade. O objetivo deste trabalho foi o estudo fluidodinâmico e avaliação da eficiência do sistema de distribuição de alimentação (SDA) sobre o processo de destilação por filme líquido descendente. Com posterior avaliação da eficiência deste sobre o processo de destilação com dois perfis de temperatura distintos, isotérmico e não isotérmico, na superfície de evaporação utilizando-se fluidodinâmica computacional (CFD). A técnica de CFD é uma importante e poderosa ferramenta para pesquisa e desenvolvimento de processos de engenharia. Neste trabalho utilizou-se um modelo tridimensional de colunas de destilação por filme líquido. O trabalho foi dividido em três partes: desenvolvimento e estudo de refino da malha numérica visando diminuir os efeitos de difusão numérica para obtenção de resultados mais acurados com menor tempo e custo computacional, análise do escoamento e avaliação do SDA desenvolvido na formação e manutenção do filme líquido descendente sobre a superfície de evaporação (CFD e experimental) e validação dos modelos propostos para avaliação da eficiência do DAS sobre a capacidade de separação da unidade de destilação por filme líquido descendente utilizando-se dois perfis de temperatura. As simulações foram realizadas considerando escoamento multifásico, modelo de turbulência Shear Stress Transport (SST) e esquema de interpolação upwind. Os resultados obtidos demonstram a eficiência e viabilidade de utilização do SDA desenvolvido sobre a capacidade de separação da unidade de destilação por filme líquido descendente. O modelo tridimensional proposto foi capaz de prever os resultados de separação da unidade com erro relativo máximo de 10%. <br>

In the current, competitive and globalized market, it is important to aggregate profitability to business units by developing new and different technological solutions. In this sense, the adequacy of manufacturing of products deriving from petroleum extracted must be carried out in a competitive way, with the integration and optimization of the whole production chain. Among the ways to reach these goals it is possible to highlight the fractioning cost reduction and the development of new conceptions of equipments. These two factors can be obtained when a new way of heat and mass exchange is implemented between the stages of a distillation process, which allows the reduction of energetic consummation and increases the separation efficiency. In this way, the distillation through liquid film is an option in order to optimize heat and mass transference due to its great area of contact. The main difficulties for this process are the adequate sealing and location of the feeding distribution system, the limits of the feeding flow rate in order to maximize the heat and mass transference, the layout of the distillation tube for the flowing of the liquid and vapor stages, besides modeling, in order to study the separation capacity of the process and its viability. Therefore, this paper aims to design and build a distillation system by descending liquid film, with posterior evaluation of its efficiency on the distillation process with two distinct temperature profiles, isothermal and non-isothermal one, on the evaporation surface by using computational fluid dynamics (CFD). The CFD technique is an important and powerful tool for research and development of the engineering process. In this paper a tridimensional model of distillation columns through liquid film was used. The paper was divided into three parts: development and study of the refine of the numerical grid, aiming to decrease the effects of numeric diffusion in order to obtain more accurate results in a shorter time and computational effort, analysis of flowing and evaluation of SDA developed on the formation and maintenance of the descending liquid film on the evaporation surface (CFD and experimental) and validation of the models proposed for evaluating the SDA efficiency on the separation capacity of the distillation unit through descending liquid film, by using two temperature profiles. The simulations were carried out considering the multiphase flowing, turbulence model Shear Stress Transport (SST) and upwind interpolation scheme. The results obtained show the efficiency and viability of using SDA developed on the capacity of separation of the distillation unit through descending liquid film. The tridimensional model proposed was able to predict the results of the separation of the distillation unit with relative error of 10% maximum.