Um Simulador 3D para Destiladora de Petróleo

I ERI-RJ – I Escola Regional de Inform•tica do Rio de Janeiro
Instituto de Matem•tica, UFRJ, 13 a 15 de Abril de 2010
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Um Simulador 3D para Destiladora de Petróleo
Marcos Felipe Mury Gilio1, Thiago Silva-de-Souza1,2, Carlos H. Pinto Rodriguez2
1
Escola de Ciência e Tecnologia, Universidade do Grande Rio (UNIGRANRIO), Duque
de Caxias-RJ
2
Programa de Pós-Graduação em Informática (PPGI), Universidade Federal do Rio de
Janeiro (UFRJ) – Rio de Janeiro-RJ, Brasil
{marcosfelipefile, thiagoein, cahen.ufrj}@gmail.com
Resumo. A destilação é um processo de extrema importância para a indústria
de petróleo. Tal processo é realizado por equipamentos complexos e caros.
Para poupar tempo e recursos há a necessidade de ferramentas que simulem
sua utilização e auxiliem no seu aprendizado. Este trabalho apresenta um
simulador 3D de uma unidade de destilação de petróleo que permite
visualizar todas as etapas do seu processo de destilação.
1
Introdução
A destilação é um processo de separação de misturas baseado no fenômeno de equilíbrio
líquido-vapor [Sardella 2005]. Existem diversos tipos de destilação que são aplicados
dependendo da mistura a ser destilada. O petróleo é um exemplo de mistura que pode
derivar uma série de produtos [Silva, Nóbrega e Hashimoto 2001]. Desta forma, o
petróleo utiliza a destilação fracionada, um processo de aquecimento, separação e
esfriamento dos produtos que, geralmente, é realizado por um aparelho sofisticado,
denominado unidade de destilação.
Dentre as mais utilizadas unidades de destilação destaca-se o microdestilador
Fischer HMS-500 [Fischer 2006], de origem alemã, composto por uma série de
elementos que permitem a realização da destilação fracionada. No entanto, sua operação
não é trivial e seu uso consome recursos. Desta forma, há a necessidade de ferramentas
que auxiliem no seu aprendizado e que simulem sua utilização de forma próxima à
realidade, economizando tempo e material.
Diante dessa necessidade este trabalho apresenta uma proposta de ferramenta 3D
para simular o processo de destilação fracionada do microdestilador Fischer HMS-500.
Tal simulador enfatiza a representação visual das etapas do processo de destilação desta
unidade de destilação.
Este artigo, portanto, está organizado em mais duas seções. A seção 2 descreve
os componentes do simulador, bem como seu funcionamento, e a seção 3 apresenta as
considerações finais deste trabalho.
2
Simulador 3D
O simulador proposto neste trabalho representa o processo de destilação fracionada. A
destilação fracionada compreende o aquecimento de uma mistura de mais de dois
líquidos que possuem pontos de ebulição não muito próximos. Assim, a solução é
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aquecida e se separa, inicialmente, o líquido com menor ponto de ebulição [Oliveira e
Cardozo 2003]. Neste processo, a solução é aquecida até se separar o líquido com o
ponto de ebulição acima do primeiro líquido separado, e assim sucessivamente até a
separação do líquido com maior ponto de ebulição. A destilação fracionada é usada, por
exemplo, em indústrias petroquímicas para separar os diversos derivados do petróleo.
Este simulador é baseado no microdestilador Fischer HMS-500. Este
equipamento utiliza uma coluna denominada Spalthor, que consiste em uma haste de
vidro por onde escoa o material condensado após a troca térmica com os outros
componentes.
2.1
Materiais e Métodos
O simulador 3D foi desenvolvido com a linguagem de programação Python e a
biblioteca de componentes VPython. Python é uma linguagem de programação
multiparadigma (procedural, orientada a objetos, orientada a aspectos), multiplataforma
e de código aberto que já possui diversas bibliotecas de componentes [Lutz e Ascher
2003]. Dentre suas principais bibliotecas destaca-se a VPython, uma biblioteca de
objetos gráficos 3D que podem ser redefinidos pelo programador. Para este simulador
foram criados objetos a partir de objetos 3D da biblioteca VPython. Esses objetos têm a
finalidade de representar visualmente os diversos componentes do microdestilador.
2.2
Descrição do Simulador
O simulador é dividido em duas partes: 1) uma tela de visualização e 2) um painel de
controle. A primeira exibe o microdestilador em 3D e permite rotacioná-lo; o segundo é
composto por diversos elementos que controlam a operação da unidade de destilação. A
Figura 1 apresenta a tela inicial do simulador.
Figura 1: Tela do simulador 3D.
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A unidade está munida por um Agitador Magnético que está localizado acima da
mesa, no lado esquerdo, e possui uma manta de aquecimento e um mecanismo de
elevador para ajustar o Balão de Destilação à boca no final da Coluna.
O Balão de Destilação se mantém em repouso do lado esquerdo acima da Manta
de Aquecimento e abaixo da Coluna. No seu fundo possui uma Barra Magnética para
homogeneização da carga, seu interior está preenchido com 70% (setenta por cento) de
seu espaço com a carga para ser destilada e à esquerda existe um termopar para verificar
a temperatura do fundo do balão.
A Coluna se encontra acima do Balão de Destilação e é composta em seu interior
por um recheio o qual por meio dele a coluna recebe o nome de Coluna Spalthor. No
topo da coluna existe um termopar, à esquerda, para verificar a temperatura do topo da
Coluna e um vidro interno que em conjunto com o Eletrodo repousado em cima da
Coluna recebe o nome de Válvula Solenóide.
Ao lado esquerdo da Coluna existem tubos internos para a passagem do produto
que será coletado até o gotejador. Abaixo do gotejador localiza-se uma válvula chamada
MV2. Esta válvula foi projetada para abrir (verde) e fechar (vermelho) o fluxo da
amostra que será coletada.
Existe um Frasco Coletor Intermediário abaixo da MV2 para receber a amostra
fracionada. Ao redor deste frasco está fixado um sensor, que devido a sua posição, emite
um feixe de luz que determina a quantidade de amostra que dará início à automação das
válvulas.
À direita, imediatamente ao lado da válvula MV2, está localizada a válvula MV3
que se acopla a um conector unindo-o ao Frasco Coletor Intermediário, foi projetada
para abrir (verde) e fechar (vermelho) e dar passagem ao nitrogênio para pressurizá-lo e
ajudar a “empurrar” a amostra para o Frasco Coletor Final.
Exatamente abaixo do Frasco Coletor Intermediário está fixada a válvula MV4,
assim como na MV2 ela foi projetada para abrir (verde) e fechar (vermelho) para dar
passagem à amostra que será coletada. Abaixo desta válvula estão localizadas duas
agulhas que, quando abertas, descem até o Frasco Coletor Final para esvaziar o Frasco
Coletor Intermediário.
Acima da mesa e à direita do Agitador Magnético se encontra o Carrossel. O
Carrossel rotaciona os Frascos Coletores, que são colocados em suas respectivas
posições em cima da bandeja para que possam ser cheios um a um a cada injeção da
válvula MV4. A Figura 2 mostra a válvula MV4 acionada e os frascos do carrossel
sendo preenchidos.
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Figura 2: Preenchimento dos frascos do carrossel.
3
Considerações Finais
Este artigo apresentou uma ferramenta 3D para simulação do processo de destilação
fracionado, tendo como modelo o microdestilador Fischer HMS-500. Tal simulador
permite representar todos os passos do processo de destilação fracionada, com recursos
gráficos que possibilitam o aprendizado do processo de destilação.
Este trabalho, no entanto, possui limitações. Tais limitações podem ser
exploradas em trabalhos futuros. Dentre as principais sugestões de trabalhos vale
destacar a utilização de equações matemáticas para simular a destilação de acordo com o
produto a ser destilado, bem como, garantir a eficácia e precisão tanto nos resultados
apresentados pelo simulador.
Referências Bibliográficas
Fischer. (2006). Fischer Labodest HMS 500 AC Manuals / Operating Instr. Bonn
(Germany): Fischer Labor und Verfahrenstechnik.
Lutz, M.; Ascher, D. (2003). Learning Python. 2. ed. Sebastopol (USA): O’Reilly.
Oliveira, J. E.; Cardozo, J. (2003). Química Orgânica Experimental I. São Paulo:
UNESP. Disponível em: <http://labjeduardo.iq.unesp.br/orhexp1/>. Acesso em: dez.
2009.
Sardella, A. (2005). Curso Completo de Química. 3. ed. São Paulo: Ática.
Silva, E. R.; Nóbrega, O. S. Hashimoto, R. S. (2001). Química: Conceitos Básicos. São
Paulo: Ática.
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