4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Planejamento da simulação das Colunas 1 e 2
O efeito da aplicação de diferentes variáveis (pressão, razão de refluxo e posição de alimentação), foi estudado através de um planejamento composto central rotacional 23. O valor de α foi calculado em função do número de variáveis independentes (n=3) através da Equação 1:
α =(2n)1/4=1,68179 (1)
Considerando a utilização do método de Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR), 15 simulações foram realizadas para 3 variáveis independentes;
8 destes experimentos foram compostos pelas combinações possíveis dos níveis (-1, 0, +1), 6 por combinações possíveis dos níveis (-α, 0, + α) e 1 experimento realizado com todas as variáveis no ponto central.
Com o auxílio do software PI Processbook OSIsoft®, foi possível a obtenção de dados de vazões, temperaturas, razões de refluxo, composições de correntes e pressões operacionais, que foram necessários para a simulação computacional tanto da Coluna 1 quanto para a Coluna 2. Os dados utilizados foram obtidos através de uma média durante o período de tempo de janeiro de 2017 a abril de 2018. Essas informações foram de fundamental importância para a configuração das colunas.
As simulações foram conduzidas através do Software Aspen Plus e os resultados para a Coluna 1 estão apresentados na Tabela 3 abaixo.
Tabela 3: Experimentos para variáveis independentes analisadas na Coluna 1.
Considerando que a alimentação da Coluna 1 contém 1832,27 kg/h de THF e 205,301 kg/h de água, foi possível calcular a recuperação de THF e água no produto de topo e no produto de fundo, respectivamente. Estes resultados foram apresentados nas duas últimas colunas da Tabela 3.
Baseados nos resultados apresentados foi feita a análise da superfície de resposta e curva de contorno, utilizando o software Statistica 9®, para determinar o ponto ótimo da Coluna 1.
Através da análise de variância, foi possível avaliar quais variáveis independentes tem uma influência real sobre as variáveis dependentes. Portanto, foi possível concluir que, para o consumo de vapor, somente a razão de refluxo teve uma influência significativa sobre esta variável, com R2=0,9935. Analisando a recuperação de THF no topo e de água no fundo, nenhuma das variáveis teve influência significativa.
As Figuras 4-11 apresentam as superfícies de resposta e curvas de contorno para as três variáveis independentes da Coluna 1.
No que tange ao consumo de vapor, as superfícies de resposta e curvas de contorno estão apresentas na Figura 4 e Figura 5. Como apenas a razão de refluxo foi estatisticamente significativa, a superfície de resposta Pressão vs Posição da Alimentação, apresentou-se como um plano horizontal (não reportada), indicando que essas duas variáveis não apresentam influência sobre o consumo de vapor da mesma forma, a análise do consumo de vapor em função da combinação Pressão vs Razão de refluxo e Posição da Alimentação vs Razão de Refluxo, evidencia que o consumo de vapor cresce linearmente com relação a razão de refluxo da coluna.
Figura 4: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando o consumo de vapor, razão de refluxo e pressão para a Coluna 1.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 5: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando o consumo de vapor, razão de refluxo e posição de alimentação para a Coluna 1.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Para a recuperação de THF no topo da Coluna 1, as superfícies de resposta e curvas de contorno estão representadas nas Figuras 6-8. A análise de variância (ANOVA) demonstrou que nenhuma variável independente estuda foi estatisticamente influente sobre a recuperação de THF na Coluna 1. Ainda assim, as superfícies de respostas foram apresentadas. Essa não influência pode ser observada na faixa de variação da recuperação de THF nas figuras, as quais estão sempre entre 99,99% e 100%, ou seja, variações totalmente insignificantes.
Figura 6: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no topo, razão de refluxo e pressão para a Coluna 1.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 7: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no topo, pressão e posição de alimentação para a Coluna 1
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 8: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no topo, razão de refluxo e posição de alimentação para a Coluna 1.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Para a recuperação de água no fundo da Coluna 1, as superfícies de resposta e curvas de contorno estão apresentadas nas Figuras 9-11. Ainda que a recuperação de água no fundo da Coluna 1 sofra maiores influências com relação a variação das três variáveis independentes estudadas (razão de refluxo, posição da alimentação e pressão), a ANOVA também demonstrou que todas esses variáveis foram estatisticamente não significativas.
Figura 9: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de água no topo, razão de refluxo e pressão para a Coluna 1.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 10: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de água no topo, posição de alimentação e pressão para a Coluna 1.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 11: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de água no topo, razão de refluxo e posição de alimentação para a Coluna 1.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
A sobreposição de todas as superfícies de resposta e curvas de contorno anteriormente apresentadas, permitiu determinar o ponto ótimo para a Coluna 1. A partir desta sobreposição e tendo em visto que o objetivo foi de maximizar a saída de água no fundo e de THF no topo da coluna, bem como minimizar o consumo de vapor, foi possível concluir que as condições ótimas operacionais para a Coluna 1 são:
Pressão da coluna: 1 atm
Razão de refluxo: 0,8
Estágio de alimentação: 40 (contando do topo para o fundo da coluna)
Com as condições ótimas dentro das condições simuladas para a Coluna 1 determinadas, foi realizada uma simulação nessa condição fornecendo um consumo de 192618 cal/s, uma recuperação de THF no topo de 1832,27kg/h (100%) e uma recuperação de água no fundo de 183,71kg/h (89,48%). Além disso, a vazão e
composição do destilado da Coluna 1 1832,27 kg/h (sendo 100% THF) foi utilizada como alimentação para as análises que foram realizadas na Coluna 2.
Partiu-se do resultado obtido para a Coluna 1 para realizar o planejamento proposto para a Coluna 2 (veja Tabela 2). Uma sequência de simulações foram realizadas utilizando o software Aspen Plus 8.8®, sendo os resultados apresentados na Tabela 4.
Tabela 4: Experimentos para variáveis independentes analisadas na Coluna 2.
Pressão
Baseando-se no resultado da simulação no ponto ótimo da Coluna 1, determinou-se que a alimentação da Coluna 2 contém 1217,01 kg/h de THF. Esse valor foi utilizado como base para determinar a recuperação de THF no fundo e no topo da Coluna 2, cujos resultados estão apresentados nas duas últimas colunas da Tabela 4.
Assim como para a Coluna 1, os resultados apresentados para a Coluna 2 foram utilizados para determinar as superfícies de resposta e curvas de contorno para as variáveis dependentes estudadas, com o auxílio do software Statistica 9®.
Através da análise de variância realizados com o auxílio do software Statistica9®, foi possível avaliar quais variáveis independentes tem uma influência real sobre as variáveis dependentes estudadas na Coluna 2. Portanto, foi possível concluir que, para o consumo de vapor, somente a razão de refluxo teve uma influência significativa, com R2=0,9746. Analisando a recuperação de THF no topo e no fundo, a pressão da coluna foi a única variável estatisticamente influente, apresentando um R2=0,7756.
As Figuras 12-20 apresentam as superfícies de resposta e curvas de contorno para as três variáveis independentes estudadas da Coluna 2.
Com relação ao consumo de vapor da Coluna 2, as superfícies de resposta e curvas de contorno estão apresentas na Figura 12, Figura 13 e Figura 14. Assim como na Coluna 1, apenas a razão de refluxo foi estatisticamente significativa sobre o consumo de vapor da Coluna 2. Ainda de maneira semelhante a Coluna 1, o consumo de vapor da Coluna 2 aumenta de maneira linear com o aumento da razão de razão de refluxo.
Figura 12: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando o consumo de vapor, razão de refluxo e pressão para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 13: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando o consumo de vapor, posição de alimentação e pressão para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 14: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando o consumo de vapor, razão de refluxo e posição de alimentação para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Para a recuperação de THF no topo da coluna, as superfícies de resposta e curvas de contorno estão apresentadas na Figura 15, Figura 16 e Figura 17. Para essa variável dependente, apenas a pressão da coluna se mostrou significativa. No entanto, observe que, todas as superfícies de resposta apresentam regiões da máximo bem definidas indicando alguma influência sobre a recuperação de THF no topo da coluna.
Figura 15: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no topo, razão de refluxo e pressão para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 16: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no topo, posição de alimentação e pressão para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 17: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no topo, razão de refluxo e posição de alimentação para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Para a recuperação de THF no fundo da coluna, as superfícies de respostas e curvas de contorno estão apresentadas na Figura 18, Figura 19 e Figura 20. Assim como para a recuperação de THF no topo, apenas a pressão foi estatisticamente significativa para a recuperação de THF no fundo da Coluna 2.
Figura 18: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no fundo, razão de refluxo e pressão para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 19: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no fundo, posição de alimentação e pressão para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
Figura 20: Superfície de resposta e curva de contorno relacionando a recuperação de THF no fundo, razão de refluxo e posição de alimentação para a Coluna 2.
Fonte: Arquivo pessoal (2018).
A sobreposição de todas as superfícies de resposta e curvas de contorno anteriormente apresentadas, permitiu determinar o ponto ótimo para a Coluna 2. A partir desta sobreposição e tendo em vista que o objetivo foi de maximizar a saída de THF no fundo da Coluna 2 e minimizar a saída de THF no topo da coluna e o consumo de vapor, foi possível concluir que as condições ótimas operacionais para a Coluna 2 são:
Pressão da Coluna: 5 atm
Razão de refluxo: 1
Estágio de alimentação: 18
Com as condições ótimas da Coluna 2 determinadas, foi realizada uma simulação nessa condição fornecendo um consumo de 162324 cal/s, uma
recuperação de THF no topo de 824,65 kg/h (67,16%) e uma recuperação de THF no fundo de 1007,06 Kg/h (82,74%).
Com os pontos ótimos das Colunas 1 e 2 determinados, foi possível comparar os resultados obtidos por esse trabalho com relação aos resultados industriais apresentados atualmente pela empresa que serviu de base para esse estudo.
Atualmente, o sistema de colunas opera, industrialmente, com uma vazão de alimentação da Coluna 1 de aproximadamente 2782,90 kg/h, com aproximadamente 65%, em massa, desta corrente composta por THF (1832,27 kg/h). Da mesma forma, a corrente de fundo da Coluna 2, opera com vazão de aproximadamente 983,84 kg/h, sendo composta por aproximadamente 99,9% de THF (983,74 kg/h), o que gera uma recuperação real (industrial) de THF de 53,68%.
Para realizar uma simulação computacional com o intuito de comparar os resultados industriais com o obtido nesse trabalho, foi considerada uma alimentação da Coluna 1 igual a real, ou seja, com vazão total de 2782,90 kg/h e 65% em massa de THF, representando uma vazão total de THF de 1832,27 kg/h (as condições de pressão e temperatura foram obtidas também com a empresa). Configurando-se as Colunas 1 e 2 com os pontos ótimos obtidos nesse trabalho, foi obtida uma corrente do fundo da Coluna 2, com vazão de 962,192 kg/h e 99,9% em massa de THF (962,095 kg/h). Portanto, apresentando uma recuperação total de THF no fundo da Coluna 2 de aproximadamente 52,50%.
Considerando que o sistema estudado (veja Figura 1) tem como principal objetivo recuperar a máxima quantidade possível de THF no fundo da Coluna 2 com a maior pureza possível, foi possível observar que, considerando os dois pontos apresentados, o processo real apresenta uma recuperação de THF ligeiramente superior ao apresentado pelas simulações. No entanto, essa diferença pode ser considerada não significativa. A Tabela 5 resume os resultados obtidos e a comparação mencionada.
Tabela 5: Comparação dos dados reais e dos dados obtidos através do estudo proposto. influenciaram as variáveis dependentes do processo (consumo de vapor, recuperação de THF e recuperação de água). Essa abordagem permitiu manipular as condições operacionais das colunas e com isso, identificar onde seriam o(s) foco(s) de modificações direcionadas e efetivas. Sendo assim, a razão de refluxo teve uma influência significativa sobre o consumo de vapor em ambas as colunas.
Por outro lado, pressão da coluna foi a única variável influente sobre a recuperação de THF no fundo para a segunda coluna.
Como discutido anteriormente, a comparação do resultado obtido (recuperação de THF no fundo da Coluna 2) através da simulação do processo no ponto ótimo de ambas as colunas, demonstrou que essa recuperação foi muito semelhante com a do processo real (industrial). No entanto, as condições ótimas determinadas para as colunas apresentaram-se ligeiramente mais brandas do que as condições industriais,
Condições reais
da Coluna 1 Condições reais da Coluna 2