Aplicação de técnicas de CFD no estudo da eficiência de estágio em colunas de destilação para produção de etanol

• Main Author: Oliveira, Gladson Cintra de
• Other Authors: Gonçalves, José Antônio Silveira
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de São Carlos 2016
• Subjects: Fluidodinâmica computacional; Destilação; Pratos perfurados; Eficiência; Distillation; Sieve trays; Efficiency; Computational fluid dynamics (CFD); ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
• Online Access: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/4139

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.