Engenharia Química

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Acoplamento das reações de Fischer-Tropsch e, reator mutifuncional
(2016) Santos, Rafael Soares dos
Os reatores multifuncionais são equipamentos que promovem o acoplamento térmico de uma reação exotérmica e uma reação endotérmica, fazendo com que a primeira forneça a energia necessária para a segunda ocorrer, simultaneamente ou em etapas. Essa combinação de duas operações unitárias vai de encontro ao conceito de integração de processos, com objetivo de reduzir o consumo de energia e consequentemente o custo operacional de processos industriais. Neste trabalho estudou-se as reações da síntese de Fischer-Tropsch acoplada termicamente com a desidrogenação de metilciclohexano, em um reator multifuncional, com intuito da integração da produção de combustíveis como gasolina e hidrogênio. Foi feita a modelagem matemática do reator, escrevendo-se as equações de balanço material para cada componente dos dois sistemas reacionais, bem como as equações de conservação de energia para as reações exotérmica e endotérmica. A modelagem foi feita em regime permanente, por meio de equações diferenciais ordinárias, e o sistema de equações obtido foi resolvido em MATLAB; o modelo cinético dessas reações foi levantado em literatura. Foram simuladas diferentes condições operacionais para a operação do reator em escoamento paralelo, com uma geometria definida, visando a otimização da produção de gasolina. Nas melhores condições, o rendimento da produção de gasolina atinge 10,69 g/100g(H2+CO).
Acoplamento térmico das reações de desidratação do etanol e hidrodealquilação do tolueno em reator multifuncional
(2019) Santos, F. A. R.
Estudos sobre intensificação de processos, que visam transformar a estrutura das plantas químicas, tornando-as mais compactas, seguras, de maior eficiência energética e menor impacto ambiental, aumentam cada vez mais. Uma das propostas é a utilização de reatores multifuncionais, possibilitando realizar um acoplamento térmico, em que a energia necessária para a condução de uma reação endotérmica é obtida pela energia liberada em uma reação exotérmica, dispensando ou reduzindo o uso de utilidade. Neste trabalho, foi estudada a reação de desidratação do etanol acoplada termicamente com a hidrodealquilação do tolueno. Essa escolha se deveu à importância de etileno e benzeno, produtos dessas reações, na indústria petroquímica. Foi feita a modelagem matemática do reator, escrevendo-se o balanço material, de energia e a perda de carga no equipamento, admitindo-se um meio pseudo-homogêneo. As leis cinéticas foram tomadas da literatura e as análises feitas em regime permanente e transiente. A solução deste sistema foi realizada pelo software MATLab, por solução direta de EDO’s no estudo de regime permanente, em um problema de valor inicial para o escoamento paralelo, e por diferenças finitas para o estudo de escoamento contracorrente e em regime transiente. Com uma geometria definida, estudou-se um caso base e posteriormente avaliou-se a influência de alguns parâmetros de processo na conversão das reações, visando a otimização da produção de ambos produtos. Mostrou-se que o acoplamento sugerido é factível, com perfis controlados de temperatura no reator e baixa perda de carga, atingindo conversões superiores a 80% para as duas reações. A melhor condição obtida no escoamento paralelo foi simulada em escoamento contracorrente e foi possível aumentar a conversão do tolueno para 99%. O estudo em regime transiente apresentou o efeito de perturbações nas temperaturas e vazões de entrada, obtendo-se dinâmicas bastante rápidas, da ordem de décimos de segundo, nas variáveis de saída do problema
Cinética de transesterificação de óleo de palma em meio alcalino
(2016) Ferreira, M. C.
Estudo de melhoria da eficiência energética de uma planta de resinas
(2022-12-07) Barbeta, Ana Carolina Silva ; Perossi, Beatriz de Oliveira; Sorbile, Gabriela Reche ; Stelmasuk, Guilherme Fernandez
Na indústria química, o consumo energético se traduz, em grande parte, na forma de energia térmica, especialmente no aquecimento e resfriamento de equipamentos e produtos. Por conta disso, este trabalho visa reduzir o gasto de energia em uma fábrica de resinas através da otimização e reaproveitamento das fontes de calor existentes. Por ser uma fábrica antiga, a planta estudada possui muito espaço para melhorias que gerem aumento da eficiência do processo. O ponto focal escolhido para o presente estudo foi um reator de mistura multipropósito e seu trocador de calor do tipo casco e tubos, onde foram estudadas três propostas de reaproveitamento do calor dissipado pelo óleo. A primeira delas consiste em alternar a corrente de água de resfriamento do trocador já existente com água de diluição do processo que deve ser aquecida, conforme necessidade; já a segunda ideia considera um desvio na corrente de óleo com a inclusão de um novo trocador de calor, em prol de aquecer exclusivamente a água de diluição e garantir sua pureza; por fim, a terceira proposta leva em conta a substituição do vapor utilizado no sistema de aquecimento do armazenamento da resina fabricada pelo próprio óleo recirculado no sistema do reator. Optou-se por seguir com as duas últimas alternativas após a realização da análise de viabilidade técnica do processo, para a qual foi preciso estimar algumas variáveis e propriedades, como a vazão de escoamento de óleo no sistema, avaliada entre 45 e 78 m³/h. A partir dos dados encontrados, foi feita uma estimativa de custo de aquisição e instalação do novo trocador de calor, que possibilitou estipular um tempo de retorno médio de 20 meses para este investimento, comprovando sua viabilidade econômica. Para o trocador proposto, obteve-se um intervalo de custos para diferentes condições de operação do processo, as quais deverão ser apresentadas à empresa em estudo como um conjunto de soluções para futura discussão e decisão. Por fim, a partir do estudo dos pontos de economia no processo, foi estimada uma redução anual de R$ 1,5 M na geração de vapor na caldeira, considerando o gás natural, a água desmineralizada e a implementação das duas propostas viáveis, representando 27,3% de redução nos gastos gás natural para a empresa.
Estudo de processo para a obtenção de triacetina a partir de glicerol
(2018) Pereira, V. M. S.
Com a disseminação da utilização de combustíveis renováveis, a produção de biodiesel aumentou muito nas últimas décadas. Em função disto, o glicerol, um subproduto dessa produção, tornou-se abundante no mercado químico, passando a ter um baixo valor de venda. Uma rota rentável para o beneficiamento do glicerol é a conversão dele em triacetina, via processo de acetilação. A triacetina é um importante acetato utilizado como aditivo de combustível, aditivo alimentar, produção de plásticos biodegradáveis, dentre outros. Por esse motivo, o presente trabalho tem como intuito estudar o processo de produção de triacetina a partir do glicerol, simulando duas diferentes topologias: uma delas combinando um reator de mistura perfeita e uma coluna de destilação e a outra envolvendo uma coluna de destilação reativa. Foram obtidas as energias livre de Gibbs para acetilação do glicerol e dos seus produtos para três modelos cinéticos, disponibilizados na literatura, usando como catalisador ácido acético em excesso, ácido sulfúrico e Amberlyst-15. O modelo com catálise de excesso de ácido acético apresentou os melhores resultados para os produtos, com baixos erros quando comparado aos dados de Gibbs apresentados na literatura. O sistema reacional foi representado por três reações de equilíbrio, nas quais são conduzidas acetilações sucessivas. A fim de se avaliar a influência da temperatura sobre a seletividade e a conversão nesse sistema, fez-se uma varredura em Matlab, num modelo matemático em batelada, simulado até se atingir o equilíbrio. Esse mapeamento mostrou que é interessante se trabalhar com temperatura próxima a 373 K, o que leva a razoável conversão e boa seletividade. As topologias de processo foram simuladas em AspenPlus, utilizando o NRTL como pacote termodinâmico. Configurações para a coluna reativa foram simuladas, realizando analises com a alimentação dos produtos sendo feita nos mesmo estágio de alimentação, em estágios diferentes e utilizando dois elementos de arraste na coluna reativa, acetado de isobutila e hexano. Essas simulações mostraram que o emprego de coluna de destilação reativa com alimentação em pratos diferentes proporcionaram conversão de quase 75% de glicerina e com consumo específico de utilidade quente e fria de 4,0 e 3,9 MJ·kg-1 , respectivamente. Essa foi a maior conversão nos sistemas estudados e, além disso, com os menores consumos específicos de energia.
Otimização de reator de polimerização
(2021-12-10) Piedade, Fernanda Gomes; Camilo, Lara Cristina da Silva; Prevedel, Matheus Menna Barreto; Nascimento, Natália Bravin
A indústria de tintas e vernizes no país evoluiu muito nos últimos anos devido à crescente necessidade dos mercados nacional e internacional, o que exigiu das empresas o fornecimento de produtos e serviços com melhor qualidade. Nessa indústria, o poli metacrilato de metila (PMMA) é um produto relevante, logo é necessário garantir que este apresente suas principais propriedades mecânicas e químicas dentro das especificações exigidas. Tais propriedades como resistência mecânica e química são afetadas por características poliméricas como massa molar média, índice de fluidez, compatibilidade entre o polímero e o solvente, dentre outras, que são amplamente influenciadas pelas condições de processo. Sendo assim, este trabalho propõe avaliar e otimizar o processo de polimerização de metacrilato de metila (MMA) realizado em um reator semi-batelada, cuja reação é conduzida em solução, aplicando como solvente o xilol e peróxido de benzoíla como iniciador da polimerização. Para isso, estudou-se o modelo matemático que descreve o sistema e, através do software Matlab, simulou-se e aprimorou-se as condições operacionais da polimerização do metacrilato de metila (MMA) em um reator industrial. A partir do ajuste de parâmetros cinéticos do modelo aplicado, que objetivavam a minimização do erro quadrático entre a conversão experimental e a prevista pelo modelo, foi possível adequar o valor para a energia de ativação de decomposição do iniciador, cujo valor é de 131,87 kJ/mol, permitindo que o reator industrial fosse melhor representado pelo modelo. Com isso foi possível avaliar as condições operacionais e realizar a otimização do processo, cujos principais resultados foram a diminuição da temperatura de 116°C do meio reacional para 110°C, e a redução do tempo de polimerização em até uma hora e do tempo de adição em até uma hora e meia, sem alterar a relação monômero/iniciador. Para esses resultados o com grau de conversão e o peso molecular médio ponderal mínimos atingido são de 97,73% e 6,29E4 g/mol respectivamente. Entretanto a taxa de calor gerada na polimerização excede em 50% o valor limite de 4,5E5 W, sendo necessária uma futura análise econômica para verificar a possibilidade de expandir o potencial de resfriamento atual.