Modeling and simulation of distillation with parallel streams applied to bioethanol production

Orientadores: Antonio José de Almeida Meirelles, Fabio Rodolfo Miguel BatistaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: A elevada demanda energética dos processos convencionais de destilação motiva o surgimento de novas técnicas visando ao aumento da eficiência de separação. Uma destas técnicas é conhecida como paradestilação e consiste em dividir o fluxo de vapor no interior da coluna em duas correntes ascendentes e paralelas entrando em contato com um único fluxo descendente de líquido. Este arranjo aumenta o número de estágios teóricos por unidade de altura da coluna, promovendo uma menor perda de pressão, com possibilidade de redução no consumo de energia e no custo do equipamento. De forma análoga, também foi proposta a metadestilação, que consiste na divisão do fluxo de líquido mantendo uma única corrente de vapor. As publicações encontradas na literatura sobre tais procedimentos são focadas na separação de misturas binárias, o que não reflete o caráter multicomponente da destilação alcoólica industrial, na qual estão presentes diversos componentes minoritários capazes de afetar o processo. A partir de tais observações, este trabalho teve como objetivo a modelagem e simulação dos processos de paradestilação e metadestilação multicomponente aplicados à produção de bioetanol. Para tal propósito, a simulação foi conduzida utilizando o software MatLab®, com a implementação do algoritmo proposto por Naphtali & Sandholm adaptado. O fermentado de cana-de-açúcar, conhecido como vinho alcoólico, foi representado por uma mistura multicomponente contendo etanol e água, como compostos majoritários, e metanol, acetato de etila, álcool isoamílico, isobutanol e glicerol, como compostos minoritários. Investigou-se a influência de diversos parâmetros operacionais, tais como razão de refluxo, número de estágios e posição da alimentação, no consumo energético e na eficiência de separação, comparando os resultados com o processo de destilação convencional. Por fim, foi investigada a aplicação da paradestilação no processo de demetilação e a aplicação da metadestilação no processo de hidrosseleção, envolvidos na produção de álcool neutro e bioetanol hidratado de qualidade superior. Os resultados indicaram que, com a coluna de metadestilação, é possível obter um mesmo grau de separação utilizando uma coluna com mesma altura da coluna convencional, porém com um diâmetro possivelmente menor. No que tange à paradestilação, para um mesmo grau de separação, esta coluna apresenta um acréscimo de 60% no número de estágios, porém com uma altura consideravelmente menor do que a coluna de destilação convencional. Por outro lado, caso a coluna de paradestilação possua a mesma altura de uma coluna convencional, um mesmo grau de separação em ambas as colunas irá gerar um consumo de vapor cerca de 40% menor que no primeiro processo. Conclui-se, portanto, que é possível utilizar uma coluna de menor altura consumindo a mesma energia, ou uma coluna de mesma altura com um consumo menor de energia, conferindo uma importante vantagem ao processo de paradestilação, quando comparado com o processo convencionalAbstract: The high energy required by the conventional distillation processes motivates the development of new techniques with the aim of increasing the separation efficiency. One of those techniques is known as parastillation and consists of splitting the vapor flow inside the column into two parallel and ascending streams that contact with one unique descending liquid flow. This arrangement increases the number of theoretical stages per unit of column height, promoting a lower pressure drop and the possibility of reducing the energy consumption and equipment cost. Analogously, the metastillation process was also proposed, which consists in dividing the liquid flow while maintaining a single vapor stream. The scientific publications about these processes are focused on the separation of binary mixtures, which does not reflect the multicomponent character of the industrial alcohol distillation, in which several minor components are present that may affect the process. From such observations, this work aimed to modeling and simulating a multicomponent parastillation and metastillation processes applied to the bioethanol production. For this purpose, the simulation was conducted using the MatLab®, software with the implementation and adaptation of the algorithm proposed by Naphtali & Sandholm. The fermented of sugar cane, known as alcoholic wine, was represented by a multicomponent mixture containing ethanol and water as major compounds and methanol, ethyl acetate, isoamyl alcohol, isobutanol and glycerol as minor ones. The present dissertation investigates the influence of several operating parameters, such as reflux ratio, number of stages and feed position, on the energy consumption and separation efficiency, by comparing the results with the conventional distillation process. Finally, it was investigated the application of parastillation in the demethylizer column and of metastillation in the hydrosselection column, both used for the production of neutral alcohol and hydrated bioethanol with superior quality. The results showed that, using the metastillation column, it is possible to achieve the same degree of separation operating a column with the same height of conventional distillation column, though possibly with a smaller diameter. Taking into account the parastillation process, for the same degree of separation, this column presents an increase of 60% in the number of stages, although with a considerably lower height than the traditional distillation column. On the other hand, when the parastillation column has the same height of a conventional column, the desired degree of separation in the parastillation equipment can be obtained with steam consumption about 40% lower than the traditional process. This means that it is possible to use a smaller column with the same energy demand or a column with the same height but with lower energy consumption, conferring an important advantage to the parastillation process when compared with the conventional oneMestradoEngenharia de AlimentosMestra em Engenharia de AlimentosCAPE