Modelagem e simulação do processo de produção do acrilato de etila
Luiz Gustavo Ambrogi
DISSERTAÇÃO
Português
(Broch.)
T/UNICAMP Am18m
[Modeling and simulation of the ethyl acrylate production process]
Campinas, SP : [s.n.], 2007.
140p. : il.
Orientadores: Rubens Maciel Filho, Maria Regina Wolf Maciel
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica
Resumo: Para a síntese do acrilato de etila, foi desenvolvido um modelo contínuo bidimensional estacionário para um reator tubular, considerando transferência de calor e massa por dispersão radial e convecção axial. Foi assumido o modelo pseudo-homogêneo sendo do tipo ¿plug-flow¿, o qual se mostrou...
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Resumo: Para a síntese do acrilato de etila, foi desenvolvido um modelo contínuo bidimensional estacionário para um reator tubular, considerando transferência de calor e massa por dispersão radial e convecção axial. Foi assumido o modelo pseudo-homogêneo sendo do tipo ¿plug-flow¿, o qual se mostrou adequado para as condições de escoamento utilizadas. Todos os elementos necessários à modelagem detalhada do processo foram estabelecidos, incluindo informações experimentais, bem como as correlações para cálculo das propriedades físicas dos componentes puros, os métodos de cálculo respectivos à mistura, as correlações para estimativa dos parâmetros de transferência de massa e energia e a perda de carga. O modelo foi desenvolvido para trabalhar com diferentes métodos numéricos. Uma adimensionalização das variáveis foi realizada antes da discretização das equações diferenciais parciais pelo Método de Colocação Ortogonal. A solução numérica é baseada na implementação do Método das Linhas, o qual é uma combinação de um método de colocação ortogonal na dimensão radial e uma integração axial pelo método de Runge- Kutta de 4 ª ordem. Um método baseado na Quadratura de Gaus-Jacobi foi utilizado para o cálculo das médias das propriedades físicas na radial para cada intervalo de integração. O comportamento do reator é investigado em função de sua sensibilidade a um grupo de parâmetros de projeto e operação. Este software, que na verdade é uma planta virtual, foi utilizado para representar a produção do acrilato de etila em escala industrial em um reator multitubular. O catalisador utilizado foi ácido sulfúrico e as informações sobre a cinética foram suficientes para abordar várias operações compatíveis com as condições industriais. A reação é endotérmica, homogênea, possui uma cinética de segunda ordem e ocorre na fase líquida. A temperatura de reação utilizada foi em torno de 80 ºC, e o fluido de aquecimento utilizado foi o Dowterm A. Para etapa de separação utilizou-se um software comercial, no caso o Aspen Plus. Esta etapa compreendeu primeiramente a caracterização termodinâmica da mistura reacional, e em seguida, a simulação dos principais equipamentos utilizados na separação, visando a otimização do processo. O Acrilato de etila é um éster produzido a partir do ácido acrílico e do etanol. Ésteres acrílicos como este, são mundialmente utilizados para a produção de polímeros, os quais por sua vez, são utilizados principalmente na indústria de tintas e vernizes, adesivos, couro, papel, e tecidos. O que motivou este trabalho, foram os recentes avanços no desenvolvimento de uma rota bioquímica para a síntese do ácido acrílico, utilizando a cana de açúcar como matéria prima. Hoje o ácido acrílico é produzido pela oxidação do propeno, ou seja, uma rota petroquímica. Como o etanol também é produzido no Brasil a partir da cana de açúcar, com um preço muito competitivo comparado à via petroquímica, é possível desenvolver uma ¿rota verde¿, a qual pelos resultados encontrados, é interessante tanto do ponto de vista financeiro quanto ambiental
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Abstract: For the synthesis of ethyl acrylate, a continuous bi-dimensional steady-state model for a tubular reactor is developed, considering heat and mass transfer by radial dispersion and axial convection. The model is pseudo-homogeneous and is assumed a plug flow type, which it quite reasonable...
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Abstract: For the synthesis of ethyl acrylate, a continuous bi-dimensional steady-state model for a tubular reactor is developed, considering heat and mass transfer by radial dispersion and axial convection. The model is pseudo-homogeneous and is assumed a plug flow type, which it quite reasonable for the used flow conditions. All the elements necessary to the detailed process modeling were established, including experimental information as well as the correlations to calculate the pure-component physical properties, the respective mixture properties calculations methods, the correlations to estimate heat and mass transfer parameters and pressure drop. The model is built and rearranged to be solved for different numerical methods. An adimensionalization of the variables was carried out before the discretization of the partial differential equations by Orthogonal Collocation method. The numerical solution is based on the method of lines implementation, which is a combination of an orthogonal collocation method in the radial dimension and an axial integration by an explicit 4th order Runge-Kutta method. A Gauss-Jacobi quadrature based method for the radial mean physical properties calculations is used as an internal procedure for each integration interval. This software, in fact a virtual plant, was used to represent the industrial scale production in a multitubular reactor. The catalyst used was sulfuric acid and the information about kinetic was available to cover a broad range of operations compatible with industrial conditions. The kinetic is of second order, homogeneous and the reaction is endothermic and it takes place in the liquid phase. The reactor temperature was about 80 ºC, and Dowtherm A was used as heater fluid. The commercial software Aspen Plus, was used for the separation step. This step includes firstly a thermodynamic characterization of reaction mixture, and after, the simulation of the major equipments used in the separation step, aiming the process optimization. Ethyl acrylate is an ester produced from acrylic acid and ethyl alcohol. Acrylic esters such this, are worldwide used, primarily for polymers production, mainly for coatings, paints, adhesives, and binders for leather, paper, and textiles. The motivation of this work, was the recent advances in the development of biochemical route for the synthesis of acrylic acid by the sugar cane. Today the acrylic acid is produced by the propene oxidation, or a petrochemical route. As the ethyl alcohol is already produced in Brazil by the sugar cane, in a very competitive price compared to petrochemical via, it is possible to develop a ¿green route¿, which by the results found, is both interesting in a financial and environmental point of view
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Maciel Filho, Rubens, 1958-
Orientador
Maciel, Maria Regina Wolf, 1955-
Coorientador
Maugeri Filho, Francisco, 1952-
Avaliador
Torres Alvarez, Mario Eusebio, 1968-
Avaliador
Modelagem e simulação do processo de produção do acrilato de etila
Luiz Gustavo Ambrogi
Modelagem e simulação do processo de produção do acrilato de etila
Luiz Gustavo Ambrogi
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