Orientador: Maria Regina Wolf Maciel

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

Resumo: Nas últimas décadas, a intensificação de processos tem atraído a atenção da academia e da indústria. A Rotating Packed Bed (RPB) foi desenvolvida no contexto de intensificação de processos e tem sido amplamente usada em destilação, absorção, dessorção, dessulfuração, oxidação, cristalização,...

Resumo: Nas últimas décadas, a intensificação de processos tem atraído a atenção da academia e da indústria. A Rotating Packed Bed (RPB) foi desenvolvida no contexto de intensificação de processos e tem sido amplamente usada em destilação, absorção, dessorção, dessulfuração, oxidação, cristalização, precipitação, polimerização e síntese de nanomateriais. Em uma coluna de destilação convencional, o fluxo de líquido está sob a influência da gravidade, como resultado, grandes colunas são requeridas para atingir altos níveis de separação. Para superar esta limitação, uma coluna de destilação com recheio rotativo (HIGEE High-gravity contactor) foi desenvolvida por Ramshaw e Mallison (1981) para realizar separações gás - líquido, a qual pode induzir forças centrífugas até 1000 vezes a força da gravidade. O incremento da força de contato entre as fases gera altos graus dos coeficientes volumétricos de transferência de massa e elevados limites de inundação (Ramshaw, 1983), permitindo uma redução de tamanho do equipamento comparado com o tamanho requerido para obter uma transferência de massa equivalente em colunas convencionais. Uma coluna HIGEE pode operar a altas vazões de gás ou líquido, devido à sua elevada capacidade de inundação. Além disso, este equipamento permite usar recheios com maior área superficial específica (2000-2500 m²/m³) e altas porosidades (0,90-0,95). Adicionalmente, utilizando colunas HIGEE podem ser obtidas grandes forças propulsoras do fluxo de líquido e diminuição nos tempos de residência devido à alta velocidade rotacional, o que permite que este equipamento opere com fluidos altamente viscosos, materiais sensíveis ao calor, e nanopartículas inorgânicas. A eficiência de transferência de massa aplicada a processos de destilação através de equipamentos com recheio rotativo tem sido estudada por poucos autores usando diferentes sistemas. Assim, o principal objetivo deste trabalho é simular uma coluna de destilação de alta eficiência (coluna HIGEE) no simulador comercial Aspen Plus V7.2, com o intuito de predizer o comportamento de separação do sistema etanol - água e compará-lo com o comportamento alcançado em uma coluna convencional. Para simular este equipamento no software comercial, foi preciso introduzir uma sub-rotina em Fortran que modificasse o modelo de transferência de massa de uma unidade existente. Estudou-se a eficiência de transferência de massa de uma RPB para diferentes condições de operação. Os resultados mostraram o potencial da coluna HIGEE como um processo intensificado que permite a redução considerável na altura e volume, comparado com uma coluna convencional com recheio, manifestando-se como uma alternativa promissória para o processo de destilação contínua

Abstract: In the last decades, the intensification of processes has attracted the attention of both academia and industry. A Rotating Packed Bed (RPB) was developed in the context of process intensification and it has been widely used in distillation, absorption, desorption, desulfurization,...

Abstract: In the last decades, the intensification of processes has attracted the attention of both academia and industry. A Rotating Packed Bed (RPB) was developed in the context of process intensification and it has been widely used in distillation, absorption, desorption, desulfurization, oxidation, crystallization, precipitation, polymerization, and nanomaterials synthesis. In a conventional distillation column, the liquid flows under the influence of the gravity. As a result, large columns are commonly required to achieve high levels of separation. To overcome this limitation, a rotating packed bed distillation column (HIGEE High-gravity contactor) was developed by Ramshaw and Mallinson (1981) for gas-liquid separations, which can induce centrifugal forces over 1000 times that of the earth's gravity. Increasing the driving force of contact between the phases allows greater degrees of volumetric coefficient of mass transfer and high flooding limits (Ramshaw, 1983) allowing a reduction of the size of the equipment in comparison with the size needed to obtain an equivalent mass transfer in a conventional column. A HIGEE column could be operated at a higher gas or liquid flow rate, due to very high flooding capacity. Moreover, it has been showed that this equipment allows the use of packings with a larger specific area (2000-2500 m²/m³) and higher void fraction (0.90- 0.95). In addition, larger driving force of liquid flow and reduced liquid residence time can be obtained in a HIGEE column due to the high rotational speed, which enables to operate equipment with very viscous fluids, heat sensitive materials, and inorganic nanoparticles. The mass transfer efficiency of a rotating packed bed contactor applied to distillation has been studied by few authors using different systems. Therefore, the main objective of this work is to simulate a distillation column of high efficiency (HIGEE Column) in the commercial simulator Aspen Plus V7.2, in order to predict the separation behaviour of the ethanol-water system and to compare this with conventional ones. In order to simulate this equipment in the commercial software, it was introduced a subroutine Fortran to account for the modification on the mass-transfer model of an existing unit. Mass transfer efficiency of RPB under different operating conditions was investigated. The results showed the potential of HIGEE column as an intensified process allowing a considerable reduction in height and volume in comparison with a conventional packed column, showing a promissory alternative for continuous distillation process