Orientador: Antonio José de Almeida Meirelles

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

Resumo: Apesar da sua alta demanda energética, a destilação é uma das técnicas de separação de misturas líquidas mais amplamente utilizada no mundo. Com o intuito de melhorar a eficiência térmica deste processo, possibilidades de integração térmica e alternativas para a redução do consumo energético...

Resumo: Apesar da sua alta demanda energética, a destilação é uma das técnicas de separação de misturas líquidas mais amplamente utilizada no mundo. Com o intuito de melhorar a eficiência térmica deste processo, possibilidades de integração térmica e alternativas para a redução do consumo energético de colunas de destilação constituem sempre um tópico de intensa investigação. Dentre as técnicas de integração térmica, podem-se citar as diferentes possibilidades de se empregar colunas de múltiplo efeito e o uso de bomba de calor. Desta forma, este trabalho visou estudar dois modelos propostos de integração térmica de colunas de destilação para produção de etanol, considerando uma grande quantidade de compostos minoritários a fim de representar as condições reais encontradas em destilarias industriais. As configurações propostas foram analisadas via simulação computacional utilizando-se o software comercial Aspen Plus, da Aspen Technology, Inc., e foram comparadas do ponto de vista de seu desempenho energético, recuperação de etanol e qualidade do produto. O processo foi otimizado utilizando-se planejamento experimental fatorial, associado à análise de superfícies de respostas. Como etapa preliminar deste trabalho, os resultados obtidos do simulador para as configurações atuais de colunas de destilação foram comparados com dados industriais, através da análise por cromatografia gasosa de amostras coletadas em plantas industriais em operação. Apesar de apresentar alguns desvios significativos, de modo geral o simulador comercial conseguiu reproduzir de forma satisfatória o processo de destilação alcoólica industrial. Os dois modelos de integração térmica estudados apresentaram bons resultados, com consumo específico de vapor de 0,995 e 1,431 kg vapor/L álcool hidratado (significando redução de 54 e 33 % no consumo) no processo em duplo efeito tradicional e adaptado, respectivamente. Apesar de apresentar menor redução de consumo energético, na integração em duplo efeito adaptado a diferença de temperatura entre o topo da coluna A e a base da coluna B1 é de 14,3 ºC, exigindo um trocador de calor com menores dimensões que no caso do duplo efeito tradicional, no qual esta diferença é de apenas 5 ºC. Ainda, o vácuo necessário na integração tradicional é maior que na configuração adaptada, o que exige colunas com maiores diâmetros. Por fim, observou-se que os componentes minoritários, em especial os álcoois superiores, exerceram uma grande influência no consumo de vapor do processo

Abstract: Despite its high energetic demand, distillation is one of the most widely used techniques for separating liquid mixtures in the world. In order to improve the energetic efficiency of this process, possibilities of thermal integration and alternatives for reducing the energy consumption of...

Abstract: Despite its high energetic demand, distillation is one of the most widely used techniques for separating liquid mixtures in the world. In order to improve the energetic efficiency of this process, possibilities of thermal integration and alternatives for reducing the energy consumption of distillation columns are always a topic of intense investigation. Among the techniques of thermal integration, there are different possibilities of employing the multiple effect columns and the use of heat pump. Thus, this work aimed to study two proposed models for thermal integration of distillation columns to produce ethanol, considering a large amount of minor compounds in order to represent the actual conditions found in the industrial mills. Those proposed configurations were analyzed through computer simulation using the commercial software Aspen Plus, from Aspen Technology, Inc., and they were compared regarding their energetic performance, ethanol recovery and final product quality. The process was optimized using experimental factorial design and surface response analysis. As a preliminary step of this work, the results of the simulator for the current distillation columns configurations were compared with industrial data through analysis by gas chromatography of samples collected from mills in operation. Although it has presented some significant deviations, in general the simulator was able to reproduce satisfactorily the industrial process of alcoholic distillation. Both thermally integrated configurations showed good results, with a specific steam consumption of 0.995 and 1.433 kg steam/L hydrated alcohol (reduction in the consumption of 54 and 33 %) in the traditional and adapted double effect process, respectively. Despite the lower reduction in energy consumption, the process in double effect adapted has presented a temperature difference between the top of column A and the bottom of column B1 of 14.3 ºC, requiring a smaller heat exchanger than in the case of traditional double effect process, in which this difference is only 5 ºC. In addition, the necessary vacuum in the traditional double effect process is greater than in the adapted configuration, which requires columns with larger diameters. Finally, it was observed that minor compounds, in special the high alcohols, had a great influence in the steam consumption of the process