FUNCIONAMENTO DE UMA COLUNA DE DESTILAÇÃO

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1 FUNCIONAMENTO DE UMA COLUNA DE DESTILAÇÃO

2 DESTILAÇÃO MULTI-ESTÁGIOS Obtém a concentração desejada porém em quantidades reduzidas

3 MULTI-ESTÁGIOS FRACIONADA fonte de resfriamento fonte de aquecimento O vapor saturado em cada estágio (ponto orvalho), entra em contato com o líquido frio saturado (ponto de bolha), resultando em uma temperatura final intermediária. A troca de calor entre as correntes resulta: Condensação preferencial dos menos voláteis presentes no vapor; Vaporização preferencial dos mais voláteis presentes no líquido.

4 MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE EQUILÍBRIO x COLUNA DE DESTILAÇÃO Quantidade de estágios de equilíbrio e refluxo são as duas variáveis mais importantes no projeto de colunas de destilação, para que se possa atingir o grau de pureza desejado dos produtos. ESGOTAMENTO RETIFICAÇÃO

5 MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE EQUILÍBRIO x COLUNA DE DESTILAÇÃO

6 SEÇÕES DE UMA COLUNA A alimentação de uma coluna é introduzida em um ponto intermediário da mesma e é função de dois parâmetros: 1. Estado térmico da carga; 2. Composição da carga. O ponto de interseção da carga divide a coluna em duas seções: Seção de Retificação Condensa os menos voláteis e enriquece o vapor no componente mais volátil. Seção de Esgotamento Vaporiza os mais voláteis e enriquece o líquido no componente menos volátil.

7 PRINCIPAIS COMPONENTES Uma coluna de destilação típica contém as seguintes partes: Um casco vertical onde a separação dos componentes é realizada; Os internos da coluna tais como bandejas ou pratos e/ou empacotamentos os quais são usados para realizar a separação; Um refervedor ou reboiler para fornecer a vaporização necessária ao processo, através do líquido do fundo da coluna; Um condensador para resfriar e condensar o vapor que deixa a coluna pelo topo; Um vaso de refluxo para armazenar o vapor condensado da coluna de tal forma que o líquido possa ser reciclado de volta à coluna.

8 PRINCIPAIS COMPONENTES

9 PRINCIPAIS COMPONENTES

10 BALANÇOS MATERIAIS O princípio do balanço material é a lei da conservação da massa: a massa de um sistema fechado permanece constante qualquer que seja o processo que nele ocorra. Para um sistema aberto, seja um reator, uma coluna de destilação ou qualquer outro equipamento, a massa alimentada durante um certo intervalo de tempo é igual a massa que sai, mais a massa que ficou acumulada no sistema no mesmo intervalo de tempo. Entra - Sai = Acúmulo Os processos contínuos nas indústrias químicas devem ocorrer em estado estacionário ou regime permanente. Observe que os balanços materiais podem ser feitos em torno de qualquer envoltória de um sistema, seja em torno de um único equipamento, dois ou até mesmo de uma unidade completa.

11 BALANÇOS MATERIAIS Quando BM em equipamentos isolados ou conjunto destes, em estado estacionário, não fecham, isto é, o acúmulo não é zero, pode-se suspeitar dos seguintes problemas: I. O processo não estar em regime permanente; II. Existem erros nas medições; III. Existem vazamentos não identificados ou não localizados. O balanço em coluna de destilação é realizado de duas formas: A. Balanço global e B. Balanço por componente. É importante observar a estabilidade do processo quando do levantamento de dados para cálculos de balanço.

12 BALANÇOS MATERIAIS Q C V R D q D F q F V B Q R L B B q B

13 BALANÇOS MATERIAIS No projeto de uma coluna de destilação, para uma dada composição e vazão de carga conhecida, é necessário especificar a separação desejada. O projeto do equipamento visa determinar: I. A pressão da coluna; II. III. IV. A razão de refluxo; O número de estágios; O prato de alimentação; V. A condição da carga; VI. VII. As vazões internas; A carga térmica do condensador; VIII. A carga térmica do referverdor.

14 BALANÇOS MATERIAIS Exemplo: Uma mistura binária de C3 e C4 deve ser destilada a fim de recuperar 96% do C3 no destilado e 92% do C4 no resíduo. Determine a composição (x i %) do destilado e do resíduo sabendo que a alimentação de C3 e C4 na torre são equimolares. (Nilo Índio do Brasil) Exemplo: Uma mistura binária de benzeno e tolueno contendo 40,00% em quantidade de matéria de benzeno é carga de uma torre de destilação. Deseja-se recuperar 90,00% do benzeno no destilado, cuja fração em quantidade de matéria de benzeno deve ser de 92,5%. Se pretende produzir 500 kg/d de benzeno na corrente de destilado, calcule as vazões molares das três correntes. (Nilo Índio do Brasil)

15 BALANÇOS MATERIAIS Ex.: Deseja-se separar por destilação uma mistura (F) cuja composição (x F %) é: a = 50,0%, b = 30,0%, c = 20,0% O destilado (ou produto de topo) deve ter uma razão em quantidade de matéria destilado/carga (D/F) = 0,60 e uma composição (x D %) igual a: a = 80,0%, b = 18,0%, c = 2,0%. Calcule: a) A razão de quantidade de matéria resíduo/carga (B/F); b) A composição xb% do resíduo (B); c) A recuperação do componente a no destilado (D) e a do c no resíduo (B).

16 PRINCIPAIS TIPOS DE DISPOSITIVOS DE CONTATO As colunas de destilação são compostas de uma carcaça cilíndrica vertical (casco) onde em seu interior são montados recheios ou diversos pratos (bandejas) equidistantes. Pratos x Recheios

17 PRINCIPAIS TIPOS DE DISPOSITIVOS DE CONTATO Existem diversos tipos de pratos com downcomers para colunas de destilação, sendo os mais comuns: Pratos Perfurados: são simplesmente placas de metal com orifícios. O vapor que sobe na coluna passa diretamente para o prato superior através dos orifícios, atravessando o líquido que passa paralelo à placa do prato. O Arranjo, tamanho e nº de orifícios são definidos pelo fabricante. Pratos com Borbulhadores: possui uma espécie de chaminé encaixada acima de cada orifício, e um cap cobrindo a chaminé. O vapor sobe através da chaminé e é direcionado para baixo pelo cap, sendo descarregado pela abertura no líquido que passa paralelo à placa do prato. Pratos Valvulados: as perfurações são cobertas por caps móveis. O escoamento do vapor move os caps em função de sua velocidade, criando por si próprio uma área de escoamento do vapor horizontalmente dentro do líquido.

18 PRINCIPAIS TIPOS DE DISPOSITIVOS DE CONTATO

19 PRINCIPAIS TIPOS DE DISPOSITIVOS DE CONTATO

20 COMPARAÇÃO PRINCIPAIS TIPOS DE PRATOS PERFURADO VALVULADO BORBULHADOR CAPACIDADE Alta Alta Muito Alta Moderada EFICIÊNCIA Alta Alta Moderada VAZÃO MÁX. / MÍN. Razão Baixa 2:1 Razão Alta 5:1 Baixas Vazões ARRASTE Moderado Moderado Alto CUSTO Baixo 20% Maior que Perfurado MANUTENÇÃO Baixa Baixa a Moderada Alto TENDÊNCIA A SUJEIRA / CORROSÃO Baixa Moderada Alta MERCADO 25% 70% 5% 2 a 3 vezes Maior Perfurado APLICAÇÕES Vazões Fixas Vazões Variáveis Baixas Vazões de Líq. Mínimo Vazam

21 PRINCIPAIS TIPOS DE DISPOSITIVOS DE CONTATO Colunas com dois passes são usadas para grandes diâmetros, e possui dois sentidos para o fluxo do líquido no prato -- do centro para a extremidade em um prato e -- da extremidade para o centro no prato seguinte.

22 Detalhe de Pratos Perfurados e Valvulados

23 Detalhe de Pratos Perfurados e Valvulados Downcomer Calha Prato Superior Área Ativa - Bolhas - Dispersão - Spray Líquido Limpo A B Líquido Aerado C D Weir Vertedor VAPOR Prato Inferior

24 TORRES RECHEADAS Os recheios mais comumente usados podem ser classificados em dois tipos: Randômicos elementos distribuídos aleatoriamente na torre conforme descarregado; Services/Separation-Technology/Random-Packings Estruturados elementos organizados cuidadosamente e arrumados na coluna. Services/Separation-Technology/Structured-Packings

25 TORRES RECHEADAS

26 TORRES RECHEADAS

27 FATORES QUE LIMITAM A OPERAÇÃO DE COLUNAS DE PRATO ARRASTE (Entrainment); GOTEJAMENTO (Weeping); PULSAÇÃO (Pulsation); INUNDAÇÃO (Flooding); I. Inundação por Arraste Excessivo (regime Spray) II. Inundação por Arraste Excessivo (regime Bolha) III. Inundação por Enchimento do Downcomer IV. Inundação por Velocidade Excessiva do Líquido no Downcomer EFEITOS DA COLUNA I. Aumento da Pressão Diferencial; II. Perda de Nível no Refervedor; III. Perda de Especificação

28 FATORES QUE LIMITAM A OPERAÇÃO DE COLUNAS DE PRATO

29 FATORES QUE LIMITAM A OPERAÇÃO DE COLUNAS DE PRATO Principais sintomas que indicam que uma torre está instável: i. Temperatura abaixo do padrão na região anormal; ii. iii. iv. Oscilações significativas na pressão ou no sistema de controle da mesma; Oscilações significativas no diferencial de pressão entre a base e o topo; Oscilações significativas nas vazões de retirada de produtos, quando controladas automaticamente por instrumentos de nível; v. Produtos fora de especificação; vi. vii. Queda do nível no vaso acumulador de topo ou na base da torre; Balanços materiais e de calor desequilibrados.

30 BIBLIOGRAFIA Professora Williane Lopes Cordeiro. Notas de aula DESTILAÇÃO Curso de Especialização em Engenharia de Processamento Petroquímico, CENPEQ Perry, Robert H, Chilton, Cecil H., Manual de Engenharia Química, Guanabaro Dois 5ºed (1973). McCabe, Warren L., Smith, Julian C., Harriot, P. Operações Unitárias em Engenharia Química, 4ºed McGraw-Hill. Brasil, Nilo Índio. Introdução a Engenharia Química, ºed Interciência. Professor Valter Roitman Apostila Operações Unitárias, Curso de Formação de Operadores de Refinaria, PETROBRAS.