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Processo de Produção do Estireno

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by

Carolina Rabelo

on 28 May 2014

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Transcript of Processo de Produção do Estireno

Fluxograma Inicial
Processo de Produção do Estireno
A partir da Desidrogenação do Etilbenzeno sobre Catalisador de Óxido de Ferro



Composição da alimentação: 98% de etilbenzeno, restante benzeno e tolueno

Operação anual da planta: 8000 h

Produção de estireno: 120 kmol/h

Dois reatores PFR adiabáticos em série
Temperatura de operação: 600 a 650 °C
Pressão: 1,4 a 2,4 atm

Vapor d’água a baixa pressão
700 a 850 °C

Relação vapor/etilbenzeno: de 6 a 15

Conversão de etilbenzeno: 60 a 75%

Seletividade para a reação principal: 87 a 96%

Temperatura de operação: 40 °C

Pressão: 1 atm (1,0325 bar)

Primeira coluna: separa o estireno
Operação a vácuo para evitar a polimerização do estireno
Número de pratos: 70 a 100
Alta razão de refluxo

Segunda coluna: separa benzeno e tolueno

Estudo da Unidade de Reação
(Reator de equilíbrio)
Equilíbrio químico
Cinética química

Reações
Reação principal: endotérmica, favorecida por altas temperaturas e baixas pressões

Reações paralelas: termodinamicamente mais favoráveis que a reação principal, que apresenta positivo

Objetivo: aumentar a produção do estireno em relação ao benzeno e tolueno

Limite de operação: craqueamento térmico do estireno a 610 °C

Variáveis estudadas:
Temperatura
Pressão
Razão vapor/etilbenzeno
Modo de operação isotérmico ou adiabático

Parâmetros avaliados:

Equilíbrio químico:
Conversão de etilbenzeno
Seletividade para o estireno

Cinética química:
Rendimento instantâneo
Seletividade instantânea

Resultados Obtidos
Temperatura: 525°C

Pressão: 1,4 bar

Razão vapor/etilbenzeno: 6

Modo de operação: adiabático

Estudo da Unidade de Separação
(Separador Trifásico)

Equilíbrio de Fases
Diagramas ternários

Variáveis estudadas:
Temperatura
Pressão

Parâmetros avaliados:
Recuperação de estireno na corrente D_6;
Gasto energético para resfriar os produtos da unidade de reação ;
Frações molares de orgânicos nas correntes aquosa e gasosa ;

Gasto energético e Recuperação de Estireno x
Temperatura
Temperatura: 35 °C

Pressão: 1 atm

Separador Trifásico
Estudo da unidade de purificação
(Colunas - Método Shortcut)
Equilíbrio de Fases:
Diagramas Binários

Variáveis estudadas:
Ordem direta ou indireta
Temperatura
Pressão

Parâmetros avaliados:
Recuperação e pureza de estireno (D_9)
Recuperação e pureza de benzeno e tolueno (D_11)
Número de estágios
Razão de refluxo
Calor no refervedor

Colunas de Destilação
Dados da Literatura
Coluna 1
O estireno é o componente de interesse e o menos volátil.

O etilbenzeno é o mais pesado dentre os demais.


Coluna 2
O etilbenzeno deve sair no fundo para ser reciclado, e garante-se que o estireno também saia no fundo por ser mais pesado.

O tolueno é menos volátil que o benzeno e espera-se que ambos saiam no topo.

Ordem direta:

Primeira coluna separa o estireno

Segunda coluna separa o benzeno e tolueno

Limite de operação: 120-125 °C devido à polimerização do estireno


Resultados Obtidos
Tabela de Resultados
Dimensionamento da Unidade de Reação

(Reatores PFR)

Especificações

Reator PFR multitubular: a reação ocorre em fase gasosa e o catalisador é sólido
Modo de operação: adiabático
Modelo termodinâmico: Peng-Robinson

Efeito da Temperatura de
Alimentação
Efeito da Pressão de Alimentação
Efeito da Razão de Vapor / Etilbenzeno
Temperatura: 600 ° C

Pressão: 1,4 bar

Razão vapor/etilbenzeno: 6

Condições de Operação:
Configurações

Diâmetro da partícula: 1,00 cm

Diâmetro do tudo: 3,25; 3,50; 3,75 in


DT = Produção de Estireno

Arranjos Intermediários

1. 1 Reator
Produção insuficiente
Queda de Pressão > 10%

2. 2 Reatores em Paralelo
Produção insuficiente

3. 2 conjuntos de 2 reatores em série, em paralelo:
Produção suficiente
Queda de Pressão > 10%

Arranjo Final

2 Conjuntos de 2 reatores em paralelo em série, passando por um compressor e um trocador de calor intermediário.
Produtividade de estireno: 125,34 kmol/h
Perda de carga: 6,5%

Arranjo Final: Resultados

Massa total de catalisador: 137 toneladas
Material: aço inox 316 L

Conversão e Seletividade Finais
Dimensões Finais dos Reatores
Utilidades

“Vapor vivo” e vapor no Trocador de calor

Expansão adiabática de 42 bar saturado a 1,4 bar
- superaquecer o vapor vivo até 800 °C
- superaquecer o vapor que sai do trocador a 700 °C até 800 °C novamente

Calor necessário total
12,12 MW

Fonte de calor do forno:
Gás natural (5 bar 30 °C):
271,37 m³/h



Dimensionamento da Unidade de Separação

Especificações

Condições de operação: 35 °C e 1 atm
Orientação: horizontal
Design: weirs (a fase líquida pesada é água e corresponde à maior parte da corrente, não havendo emulsões ou óleos pesados)

Resultados do Dimensionamento
(Separador Trifásico)

Dimensionamento da Unidade de Purificação

(Colunas de Destilação)

Tratamento de Efluentes
Tratamento de Efluentes
Fase Gasosa:
O hidrogênio, metano e etileno são inflamáveis e podem ser vendidos como combustível ou queimados em um
flare,
o que é muito comum na indústria.

Fase Aquosa:
Adsorção com carvão ativado
Resina de troca iônica
Membranas semipermeáveis

Especificações

Método rigoroso (Radfrac)
Ordem direta: a primeira coluna separa o estireno e a segunda separa o etilbenzeno de benzeno e tolueno
Modelo termodinâmico: NRTL
Por se tratar de ELL e ELV, o sistema apresenta soluções não ideais, principalmente devido à existência de compostos polares (água) e apolares (hidrocarbonetos)

Tratamento de Efluentes
Limites de concentração nos efluentes
Rotina de Cálculo

Objetivo: minimização do calor no refervedor garantindo a pureza requerida
Estimativa inicial: resultados do Shortcut
Avaliação da posição ótima de alimentação, número de estágios, razão de refluxo e temperatura no condensador

Coluna 1

Estireno na base a no mínimo 99%
Temperatura na base menor que 125 °C

Sensibilidade Prato de Alimentação
Sensibilidade Razão de Refluxo
Nº de Pratos = 70
Estágio de alimentação = 40
Razão de refluxo = 5,5

Resultados Coluna 1
Coluna 2

Tolueno e Benzeno no topo a no mínimo 99%

Sensibilidade Prato de Alimentação
Sensibilidade Razão de Refluxo
N = 33 pratos
N alimentação = 19
Razão de refluxo = 12


Resultados Coluna 2
Dimensionamento

Tipo de prato: perfurado
Espaçamento entre os pratos: 0,6096 m
Altura da coluna:



Diâmetro da coluna: Tray Sizing
Perda de carga na coluna: Tray Rating


Resultado Dimensionamento

Fluxograma Final
Ajustes finais
Corrente de alimentação (D_1) adequada à composição de entrada

Inversão da posição do trocador de calor e compressor entre os reatores

Temperatura de reação de 600 para 605°C

Reatores 3 e 4 passaram a ter 6 m
Resultados Finais
Dificuldades
Hipóteses Assumidas
Conhecimentos iniciais superficiais do simulador

Dimensionamento da unidade de purificação

Tempo reduzido

Divergências de orientações

Turma B - Grupo 7

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Maria Regina Wolf Maciel

EQ922 - Projeto Químico
Configurações
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