Application of homotopy continuation method for robust simulation of destillation columns

Orientador: Reginaldo GuirardelloDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: O início da produção de etanol no Brasil ocorreu com a criação do Programa Nacional do Álcool (Proálcool) em 1975, com a finalidade de iniciar a produção do etanol anidro para ser acrescentado à gasolina. Atualmente o Brasil é o segundo maior produtor mundial de etanol. O método de produção mais utilizado para obtenção do bioetanol é a fermentação do caldo da cana-de-açúcar, que é comprovada a melhor matéria-prima para a produção. O álcool produzido a partir desse processo deve passar por um processo de destilação para atingir às especificações mínimas exigidas pela regulamentação. No entanto, projetar uma torre de destilação pode ser uma tarefa difícil, já que muitos parâmetros operacionais afetam o processo de separação. Além disso, a construção de uma planta piloto é custosa e consome muito tempo. Uma alternativa para o problema, é a utilização da simulação computacional no processo de destilação. Sendo este trabalho vinculado ao projeto temático "Simulação da Biorrefinaria de Cana-de-Açúcar de 1ª Geração na Plataforma EMSO", tem-se como objetivo o desenvolvimento de um modelo rigoroso de uma coluna de destilação para a produção do etanol hidratado e anidro. Os modelos gerados neste estudo são implementados na linguagem de modelagem do simulador EMSO, utilizando o pacote termodinâmico VRTherm, juntamente com aplicação do método da continuação Homotópica. A Homotopia consiste em criar um sistema de fácil resolução e através de uma combinação convexa com o sistema original, obter gradativamente melhores estimativas iniciais pela variação do parâmetro da combinação. Desse modo, o método possui melhores propriedades de convergência, sendo globalmente convergente. O método da continuidade Homotópica pode ser utilizado para qualquer caso, não apenas para o sistema etanol-água. Com as simulações, foi sendo atingida a fração molar de etanol de 0,85 para etanol hidratado e 0,93 para etanol anidro, o que leva a concluir que o software EMSO pode muito bem ser utilizado para a simulação de um processo de separação da mistura etanol-água por destilaçãoAbstract: The start of ethanol production in Brazil occurred with the creation of the National Alcohol Program in 1975, in order to start the production of anhydrous ethanol to be added to gasoline. Brazil is the second largest producer of ethanol. According to the National Oil and Gas Agency (ANP), Brazilian ethanol production increased 3.4% last year. The most used method to obtain bioethanol is by sugarcane fermentation. This raw material has been proved the best production method. The alcohol produced by sugarcane pass throughout a distillation process to attain the required regulatory specifications. According to ANP Resolution, hydrated ethanol fuel must be concentrated between 95.1% (v/v) and 96.0% (v/v) to be commercialized, and the distillation is the most frequently used method to carry out this separation process. Nevertheless, distillation mechanisms require large energy consumption associated with the separation, due to the high moisture content. The aim of this work is to develop a rigorous model of a distillation column for the production of the anhydrous ethanol. This work is a part of the project "Simulation of the Biorefinery of sugarcane 1st Generation in EMSO Platform". The mathematic models generated in this study were implemented in the modeling language of EMSO (Environment for Modelling, Simulation and Optmization) simulator. EMSO is a free simulator with full graphical environment and allows the users to work with dynamic and stationary processes. In this work we utilized the Homotopy Continuation method once the difficulty of efficiently modeling a distillation column with many interactions. The Homotopy method consists of creating an easy resolution system by convex combination with the original system. The results consists of creating an easy resolution system and through a convex combination with the original system, get gradually better initial estimates by varying the combination of the parameter. In such way, the method has better convergence properties and is globally convergent. Homotopy Continuation method It can be used for any case not only for the system ethanol-water. In the simulations, the molar fraction of satisfactory ethanol was reached, which leads to the conclusion that the EMSO software may well be used for simulation of a process of separation of the ethanol-water mixture by distillationMestradoDesenvolvimento de Processos QuímicosMestre em Engenharia Química131235/2014-1CNP