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Separação Benzeno/Tolueno

Neste tutorial você construirá uma separação completa de benzeno/tolueno na GUI Clássica do DWSIM: um pré-aquecedor de carga seguido de uma coluna de destilação rigorosa.

O que você vai aprender

  • Como combinar um Heater e uma Distillation Column em um trem de processo
  • Como dimensionar uma coluna para separação binária de alta pureza
  • Como o pré-aquecimento da carga afeta a distribuição de cargas térmicas da coluna

Pré-requisitos

Visão Geral do Processo

Benzeno (PE 80,1 °C) e tolueno (PE 110,6 °C) formam uma mistura quase ideal sem azeótropo. Volatilidade relativa α ≈ 2,5, suficientemente grande para permitir separação de alta pureza com um número moderado de estágios.

Configurações industriais pré-aquecem a carga até seu ponto de bolha antes da coluna. O pré-aquecimento reduz a carga térmica do refervedor e melhora a eficiência da separação no estágio de alimentação.

Diagrama de Fluxo do Processo

graph LR
    F["Feed<br/>50% BZ / 50% TOL<br/>300 K"] --> HX["H-1<br/>Preheater<br/>370 K"]
    HX --> COL["DC-1<br/>30 stages"]
    COL -->|Distillate| D["Distillate<br/>(BZ-rich)"]
    COL -->|Bottoms| B["Bottoms<br/>(TOL-rich)"]

Parâmetros de Projeto

Parâmetro Valor
Compostos Benzene, Toluene
Pacote Termodinâmico Peng-Robinson
Alimentação 100 mol/s, 50/50, 300 K, 1 atm
Saída do pré-aquecedor 370 K
Estágios 30, alimentação no estágio 15
Razão de refluxo 3,0
Vazão de fundo 50 mol/s

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configuração

File > New Chemical Process Model:

  • Compostos: Benzene, Toluene
  • Pacote Termodinâmico: Peng-Robinson

Por que Peng-Robinson para a separação BT?

Benzeno e tolueno são aromáticos apolares; PR captura o ELV com boa precisão. Modelos de coeficiente de atividade como NRTL ou UNIQUAC seriam excessivos para este sistema, que é um binário quase ideal sem azeótropo.

2. Construir o trem

Arraste e configure:

  1. Material Stream Feed: T=300 K, P=1 atm, vazão molar=100 mol/s, Benzene=Toluene=0,5 fração molar
  2. Material Stream Preheated (vazia)
  3. Heater H-1: T de saída=370 K, ΔP=0, η=100%; Inlet=Feed, Outlet=Preheated, criar corrente de energia
  4. Material Stream Distillate (vazia)
  5. Material Stream Bottoms (vazia)
  6. Distillation Column DC-1:
  7. Connections: Feed=Preheated no estágio 15, Distillate, Bottoms; criar correntes de energia condensador+refervedor
  8. Configuration: 30 estágios, Total Condenser, pressão uniforme 1 atm
  9. Specifications: Reflux Ratio = 3,0, Bottoms Molar Flow = 50 mol/s

Por que 30 estágios e razão de refluxo = 3?

BT tem volatilidade relativa de cerca de 2,4, exigindo refluxo moderado. 30 estágios dão alta pureza (>99%) para ambos os produtos. Menos estágios ou R menor comprometem a pureza do destilado; R maior desperdiça energia no refervedor.

Flowsheet de separação BT

3. Resolver

F6 LIGADO → Solve. A coluna pode levar várias iterações.

4. Ler resultados

  • Distillate: fração molar de benzeno > 0,95
  • Bottoms: fração molar de tolueno > 0,95
  • DC-1 Results: cargas térmicas do condensador e do refervedor, além do Stage Profile (T de ~353 K no topo a ~383 K no fundo)
  • H-1 Results: carga térmica do pré-aquecedor (uma ordem de grandeza menor que a do refervedor)

Resultados e Validação

Variável Esperado
Pureza de benzeno no destilado > 0,95
Pureza de tolueno no fundo > 0,95
T do destilado ~353 K
T do fundo ~383 K

Resultados esperados

Com 30 estágios e razão de refluxo 3,0, ambos os produtos atingem pureza > 95%. T do destilado se aproxima do PE do benzeno (353 K); a do fundo, do PE do tolueno (384 K).

Entendendo os Resultados

O sistema benzeno/tolueno é a destilação binária ideal clássica. Observações principais:

  • Condição térmica da carga: pré-aquecer a 370 K (líquido saturado) coloca a carga próxima da composição interna do líquido da coluna no estágio 15, minimizando perdas termodinâmicas por mistura.
  • Compromisso do refluxo: refluxo maior melhora a pureza, mas aumenta o consumo de energia.
  • Eficiência de estágio: pratos reais têm 60-80% de eficiência, então 30 estágios teóricos podem exigir 40-50 pratos reais.

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

Veja examples/advanced/03_benzene_toluene.py no repositório DWSIM.Tutorials.

Sequência padrão de chamadas dwsim.unitop.add para Heater e DistillationColumn.

O resultado pode variar

O resultado depende da capacidade de raciocínio e do uso correto de ferramentas pelo LLM. Sempre verifique se a simulação corresponde à sua intenção antes de confiar nos números.

Use o DWSIM (via servidor MCP) para construir a seguinte simulação:

- Crie um flowsheet chamado "BenzeneTolueneSeparation"
- Adicione Benzene e Toluene como compostos; configure o pacote
  termodinâmico como "Peng-Robinson"
- Adicione uma corrente material "Feed" a 300 K e 1 atm, vazão molar
  = 100 mol/s, frações molares Benzene = 0,5, Toluene = 0,5
- Adicione um Heater "H-1" com T de saída = 370 K, ΔP = 0, eficiência
  = 100%; entrada = Feed, saída = Preheated, com corrente de energia
- Adicione uma Distillation Column "DC-1" com 30 estágios, condensador
  total, pressão uniforme = 1 atm; alimentação Preheated no estágio 15;
  especificações: razão de refluxo = 3,0, vazão molar de fundo
  = 50 mol/s; saídas = Distillate (topo) e Bottoms (fundo), com
  correntes de energia do condensador e do refervedor
- Resolva o flowsheet
- Reporte a fração molar de benzeno em Distillate, a fração molar de
  tolueno em Bottoms, as temperaturas de destilado e de fundo, e as
  cargas térmicas do condensador e do refervedor

Exercícios

  1. Reduza para 15 estágios mantendo o mesmo refluxo. Você ainda atinge pureza > 95%?
  2. Pule o pré-aquecedor (alimentação a 300 K direto na coluna). Quanto aumenta a carga do refervedor?
  3. Aumente o benzeno na alimentação para 80 mol%. Encontre um estágio de alimentação melhor testando 5, 10, 15.

Leitura Complementar

Referências selecionadas da bibliografia técnica do DWSIM. Clique no link DOI para acessar cada artigo.

  • Henry Z. Kister. (1992). Distillation Design. McGraw-Hill Professional
  • J. D. Seader & Ernest J. Henley. (2005). Separation Process Principles. Wiley
  • R. N. Watkins. (1979). Petroleum Refinery Distillation. Gulf Publishing
  • W.L. McCabe, J. Smith & P. Harriott. (2005). Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill Education

Próximos Passos

Em Processamento de Gás Natural, você modelará uma unidade de controle de ponto de orvalho multicomponente.