Orientador: Rubens Maciel Filho

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Um dos problemas na produção de etanol é o elevado custo energético associado a sua separação por causa do excesso de água e a existência de um azeótropo na mistura etanol - água, pelo que através da destilação convencional esta mistura só pode ser separada até um máximo de 95% em peso....

Resumo: Um dos problemas na produção de etanol é o elevado custo energético associado a sua separação por causa do excesso de água e a existência de um azeótropo na mistura etanol - água, pelo que através da destilação convencional esta mistura só pode ser separada até um máximo de 95% em peso. Existe na atualidade um notável interesse no desenvolvimento de processos tecnológicos com o objetivo de melhorar as técnicas de separação necessárias para isolar o etanol do produto obtido na fermentação. Convencionalmente as técnicas empregadas para a purificação final na etapa posterior à destilação convencional são a destilação azeotrópica e a destilação extrativa, embora a importância relativa da adsorção tenha aumentado nos últimos anos como conseqüência do desenvolvimento dos processos de adsorção, a invenção das peneiras moleculares. Desta forma o processo PSA (Pressure Swing Adsorption) como um processo de maior eficiência térmica tornou se uma alternativa à destilação azeótropica. No entanto, o desenho e a análise de um sistema PSA é uma tarefa difícil devido ao grande número de parâmetros envolvidos na simulação numérica, pelo que é de grande importância a utilização de simuladores comerciais no estúdio deste tipo de processos. No presente trabalho foi estudada a dinâmica do processo PSA para a desidratação de etanol com zeólitas 3A mediante sua simulação no Software comercial Aspen Adsim. Foram estimados a partir de dados experimentais encontrados na literatura os parâmetros da Isoterma de Langmuir e o coeficiente de transferência de massa dado por LDF e estabelecido o ciclo de Adsorção PSA completo. As condições utilizadas foram similares as indústrias e foram estabelecidos ciclos por médio da ferramenta Cycle Organizer do simulador com 4 passos básicos assim: Adsorção, Despressurização, Purga e Pressurização em um tempo total de 11,5 minutos para dois leitos de adsorção. Foi atingido um estado estável CSS ao redor de 383 ciclos com uma pureza de 99,4%, 92,9% de recuperação e 46,83 l/hr/kg de produtividade. Foram pesquisados os efeitos da pressão de adsorção, a concentração da água na alimentação e vazão de alimentação, assim com a influência dos parâmetros da isoterma de Langmuir e do coeficiente de transferência de massa MTC para dois leitos de adsorção sob a Porcentagem de Pureza, Recuperação e Produtividade. Mediante este análise foi possível verificar que todas as variáveis de processo estudadas são significativas nas variáveis de resposta, enquanto constatou se que o parâmetro MTC é um parâmetro sensível que depende do sistema e das resistências que atuam no momento da transferência de massa, pelo que tem que ser estimado a partir de dados experimentais. Os efeitos das variáveis de projeto diâmetro e comprimento da coluna influíram notoriamente na produtividade do processo.Em conclusão o simulador Aspen Adsim tem sido apresentado como uma ferramenta útil para simulação dinâmica de um processo de adsorção

Abstract: One of the problems with ethanol production is the high energy cost which is associated with the separation of ethanol due to of excess water and the existence of an azeotrope in the mixture ethanol-water, by conventional distillation the mixture can be separated up to 95% weight....

Abstract: One of the problems with ethanol production is the high energy cost which is associated with the separation of ethanol due to of excess water and the existence of an azeotrope in the mixture ethanol-water, by conventional distillation the mixture can be separated up to 95% weight. Currently, there is great interest in the development of technological processes to improve the necessary separation techniques in order to isolate the product obtained in ethanol fermentation. Conventionally, the techniques employed for final purification after conventional distillation are azeotropic distillation and extractive distillation. Although the relative importance of adsorption processes has increased in recent years as a result of increased development of adsorption process and the invention of molecular sieves. Thus, the PSA (Pressure Swing Adsorption) technique as a process of improved thermal efficiency has become an alternative in the azeotropic distillation. However, the design and analysis of a PSA system represents a difficult task due to the large number of parameters involved in the numerical simulation. Therefore, it is of great importance the commercial use of simulators in this research process. This study analyzed dynamics of the PSA process for the dehydration of ethanol with zeolite 3A by means of its commercial simulator software Aspen Adsim. It estimated that the parameters of the Langmuir isotherm and mass transfer coefficient given by LDF based on experimental data from the literature, furthermore, it established the complete PSA adsorption cycle. The conditions were similar to those used in the industry and have been established by means of the simulator, Cycle Organizer tool, the following for basics steps: adsorption, depressurization, purge and pressurization in a total time of 11,5 min to two adsorption beds. A steady state was reached - CSS around 383 cycles, with a purity of 99.4%, 92.9% of recuperation and 46.83 l/hr/kg of productivity. A parametric study also was done to investigate the effects of adsorption pressure, the concentration of water in food, feed flow, the of the Langmuir isotherm parameters and mass transfer coefficient - MTC for two adsorption beds under the percentage of purity, recovery and productivity. Through this analysis it was verified that all processes variables are significant in the studies response variables. While the MTC parameter found that is a susceptible parameter and depend on the resistances of transfer and, therefore, has to be estimated from experimental data. The effects of design variables such as diameter and length of bed visibly influenced the productivity of this process. In conclusion the simulator Aspen Adsim has been presented as a useful tool for dynamic simulation of adsorption process