(Módulo 3) Operações de Separação por Destilação

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1 INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DA LISBOA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA SECÇÃO 10 TECNOLOGIA INDUSTRIAL Modelação e Simulação de Unidades Processuais (Módulo 3) Operações de Separação por Destilação Teodoro Trindade Valério Palmeira João Miguel Silva Paulo Anastácio Lisboa, Setembro 2005

2 ÍNDICE Módulo 3 Operações de Separação por Destilação Sumário e Objectivos do Módulo 1. Introdução 1 2. Coluna de Despropanização Enunciado do Problema Fase 1 Implementação da Unidade no Simulador Fase 2 Optimização do Funcionamento da Unidade Localização do Prato de Alimentação Número de Pratos da Coluna Pressões de Funcionamento da Coluna Temperatura da Corrente de Alimentação Definição das Especificações Destilação Multicomponente (exemplo de aplicação 1) Temperatura da Corrente de Alimentação Número de Pratos da Coluna Localização da Corrente de Alimentação Destilação Multicomponente (exemplo de aplicação 2) Método Short-Cut Distillation 22 Sumário e Objectivos do Módulo: Neste módulo é efectuada uma abordagem a operações de separação em colunas de destilação. Este objectivo é alcançado através da implementação no simulador de um sistema constituído por uma coluna de despropanização (Capítulo 2), pretendendo-se o cumprimento de especificações para os produtos finais (Capítulo 2.2). Relativamente à optimização do funcionamento da unidade (Capítulo 2.3), são exploradas alterações no número de pratos teóricos (Capítulo 2.3.2), localização do prato de alimentação (Capítulo 2.3.1), pressão de funcionamento (Capítulo 2.3.3), e a temperatura da corrente de alimentação (Capítulo 2.3.4). A título demonstrativo, incluem-se dois exemplos de aplicação de destilações multicomponente (Capítulos 3 e 4), um dos quais envolvendo uma corrente lateral de saída de produto. É igualmente introduzida a utilização do método Short-Cut Distillation (Capítulo 5) para estimativa de condições adequadas à separação.

3 Módulo 3 Operações de Separação por Destilação 1. Introdução 1 A separação de misturas de líquidos nos seus constituintes é uma das principais operações das indústrias química e petrolífera, e a destilação é o método mais utilizado para conseguir este objectivo. Quando se aquece um líquido, que contenha dois ou mais constituintes, até ao seu ponto de ebulição, a composição do vapor será normalmente diferente da do líquido. É esta diferença na composição das duas fases em equilíbrio que constitui a base do processo de destilação e, por esta razão, é essencial conhecer os equilíbrios líquido/vapor para o tratamento analítico dum problema de destilação. Praticamente em nenhum outro campo da engenharia química as unidades completas variam tanto em tamanho, desde as pequenas unidades de laboratório, com capacidades de alguns litros por hora, até às gigantescas colunas de destilação da indústria do petróleo, que lidam com vários milhares de litros por hora. Figura 1. Coluna de destilação de pratos 2, corte de uma secção. Figura 2. Corte de uma secção de uma coluna de destilação com enchimento 3. 1 J. M. Coulson e J. F. Richardson, Tecnologia Química, Volume II Operações Unitárias, 2ª edição, Fundação Calouste Gulbenkian (1987). 2 a) downcomer, b) suporte dos pratos, c) pratos, d) saídas laterais, e) descarregadores de saída, f) descarregador de entrada, g) parede lateral do downcomer, h) selo de líquido. 3 a) distribuidor de líquido, b) colector de líquido, c) enchimento estruturado, d) suporte da grelha, e) saídas laterais, f) redistribuidor de líquido.

4 O processo de destilação realiza-se em muitos tipos de colunas e é conveniente considerá-los em função do projecto das suas partes internas. Nas colunas de pratos ou tabuleiros a operação realiza-se por etapas, enquanto que em colunas com enchimento o processo de transferência de massa é contínuo. As colunas de pratos constituem, de longe, a categoria mais importante e as suas peculiaridades e qualidade de funcionamento tornam-nas particularmente indicadas para grandes unidades. Nas colunas de enchimento o vapor ascende constantemente ao longo da coluna e o refluxo escorre constantemente para a base, dando lugar a um verdadeiro sistema em contracorrente, que difere das condições nas colunas de pratos, em que o processo de enriquecimento é por andares. Figura 3. Elementos mais comuns usados em enchimentos aleatórios de colunas 4. 4 Primeira linha: enchimentos cerâmicos, segunda linha: enchimentos metálicos; terceira linha: enchimentos plásticos. Página 2 Setembro 2005

5 2. Coluna de Despropanização 2.1. Enunciado do Problema Pretende-se utilizar uma coluna de destilação com 12 pratos teóricos, na qual a alimentação líquida é efectuada no prato número 7 (contado a partir do topo da coluna), para separar uma mistura de cinco alcanos (C2 a C6). No processo de separação, o propano (C 3 H 8 ) e o n-butano (C 4 H 10 ) são os composto de corte ( light key e heavy key respectivamente). A alimentação entra na coluna com um caudal de lbmol/h à pressão de 250,2 psia (1 724 kpa ou 17,24 bar) e 225ºF (107,2ºC). Pretende-se obter no destilado 191 lbmol/h de propano (C 3 H 8 ), todo o etano (C 2 H 6 ) e somente um máximo de 5 lbmol/h de n-butano (C 4 H 10 ). De forma semelhante, pretende-se obter 365 lbmol/h de n-butano (C 4 H 10 ) na corrente de fundo (resíduo), juntamente com um máximo de 9 lbmol/h de propano (C 3 H 8 ) e a totalidade dos restantes compostos mais pesados. Setembro 2005 Página 3

6 2.2. FASE 1 Implementação da Unidade no Simulador 1. Inicie a construção de um novo caso (Ctrl N), da base de dados do HYSYS introduza todas as espécies químicas envolvidas no processo (Components), e seleccione como Fluid Package, a equação SRK (Soave-Redlich-Kwong). Depois de concluídas estas operações carregue no botão <Enter Simulation Environment > do Simulation Basis Manager para entrar no PFD (Process Flow Diagram). NOTA: Sendo o enunciado fornecido em unidades inglesas, é necessário alterar o sistema de unidades de default (SI) para introduzir directamente os valores das variáveis no sistema imperial. Use o menu Tools, Preferences, Variables, Units, e escolha Field na janela das Available Unit Sets. Feche a janela das Session Preferences e poderá trabalhar no sistema de unidades inglesas. 2. A partir da Object Palette introduza na interface PFD uma coluna de destilação (Distillation Column). Esta acção invoca a página Destilation Column Input Expert formada por quatro páginas. 3. Na primeira página define-se o nome (designação) das correntes de matéria (alimentação, destilado e resíduo) e de energia (condensador e ebulidor) associados à coluna, o modo operatório do condensador ( Total, Partial ou Full Rflx ), o número total de pratos e a localização da corrente de alimentação. Uma vez que o destilado é uma corrente de vapor especificamos para o condensador a opção de refluxo total ( Full Rflx ). Seguidamente altera-se o número de pratos para 12 (o default são 10). A corrente de alimentação (F) é especificada como a entrada da coluna a qual entra no prato número 7 (contado a partir do topo da coluna). Finalmente as correntes de matéria e energia são definidas, a corrente de topo ( Overhead Vapour ) é D, o produto de fundo ( Bottoms Liquid Product ) é B, e as correntes D-DUTY e R-DUTY são respectivamente as correntes de energia do condensador ( Condenser Energy Stream ) e ebulidor ( Reboiler Energy Stream ). 4. Na segunda página são especificadas as pressões de funcionamento do condensador (248 psia ou kpa) e do ebulidor (252 psia ou kpa). O simulador assume por default um perfil de pressão linear por interpolação entre estes dois valores extremos. Página 4 Setembro 2005

7 5. A terceira página permite estimativas (opcionais) da temperatura para o condensador, andar de topo e ebulidor. Se estes valores não forem introduzidos o simulador gera automaticamente valores estimados assumindo uma destilação flash. Atribua por exemplo os valores de 215ºF (101,7ºC), 220ºF (104,4ºC) e 230ºF (110ºC) para as temperaturas do condensador, topo da coluna e ebulidor, respectivamente. 6. Na última página os dois graus de liberdade para a coluna de refluxo total são definidos por resolução das especificações de default, ou sejam 226 lbmol/h para o caudal de vapor (Vapour Rate) do destilado (D), e 6,06 para a razão de refluxo (Reflux Ratio). No final carregue no botão <DONE>. 7. Introduza as características da corrente de alimentação da coluna (corrente F), referentes à temperatura (225ºF), à pressão (250,2 psia), ao caudal (1 000 lbmol/h) e à composição. Tenha sempre presente que, em colunas de destilação, não é possível definir directamente qualquer parâmetro nas correntes de saída (correntes D e B). 8. Carregue no botão <RUN> da Object Window da coluna de destilação (T-100). Esta acção inicia o processo de cálculo iterativo dos balanços de massa e energia nesta unidade. Note que estes balanços foram resolvidos para as especificações de default ( Overhead Vapour Flow de 226 lbmol/h e Reflux Ratio de 6,06). NOTA: Na página Monitor do Column Design, é possível o acompanhamento do progresso no cálculo numérico dos balanços de massa e de energia. Todas as especificações da coluna, quer estejam activas ou não, são listadas na metade inferior da página. Uma representação gráfica da solução em termos de perfis de temperatura, pressão ou fluxo, é apresentada no quadrante superior direito. Finalmente os erros do equilíbrio e balanços são apresentados durante o processo iterativo no quadrante superior esquerdo. Setembro 2005 Página 5

8 NOTA: Os resultados calculados pelo simulador, podem ser analisados em várias páginas. Na pasta Performance/Summary são apresentadas as temperaturas, pressões, e composições (líquido e vapor) dos pratos. Nesta pasta são ainda apresentados a razão de refluxo, caudais externos (alimentação, produto de fundo e produto de topo), e utilidades (calores fornecido e retirado no ebulidor e condensador respectivamente). A página Parameters/Profile dá ao utilizador acesso aos perfis de temperatura, pressão, caudal e composição calculados para a coluna. Estes valores podem ser apresentados graficamente ou em forma de quadro. Note-se que os perfis são dados em função do número de estágios, onde o estágio número 1 é o condensador e o estágio número 14 é o ebulidor (subtrai-se 1 ao valor do estágio para ter o número do prato da coluna). 9. A coluna foi resolvida cumprindo as duas especificações de design impostas, definidas na página Specs do Column Design. Cada nova especificação pode ser adicionada à lista piscando no botão Add Spec. Seleccione Column Component Flow da lista dos tipos de especificações disponíveis. No formulário Component Flow Spec especifica-se a localização, o nome do componente e o seu valor. As especificações para o destilado são definidas através do seu componente relevante, o propano (C 3 H 8 ), para o qual se estabelece 191 lbmol/h. Um formulário semelhante pode ser estabelecido para o produto de fundo 365 lbmol/h de n-butano). Note que poderia introduzir as especificações inversas, ou seja, admitir um máximo de 9 lbmol/h para o propano na corrente de fundo, e um máximo de 5 lbmol/h de butano no destilado 10. De volta à página Monitor sabe-se que a razão de refluxo (6,06) e o caudal de vapor no topo (226 lbmol/h) são as especificações activas enquanto que as restantes estão inactivas. Invertendo esta situação activam-se as especificações implementadas anteriormente (caudal Página 6 Setembro 2005

9 de propano na corrente de vapor do topo: 191 lbmol/h, e caudal de n-butano na corrente de fundo: 365 lbmol/h), e desactivam-se as outras. Note que o número de graus de liberdade deve ser zero para que os balanços possam ser efectuados. (Graus de liberdade positivos indicam que a coluna está sobreespecificada e graus de liberdade negativos correspondem a subespecificações). A coluna pode então ser resolvida para as novas especificações premindo o botão <RUN>. Note que as novas especificações originaram um aumento da razão de refluxo de 6,06 para aproximadamente 8,7 mas o caudal de vapor no topo ficou inalterado. 11. No Workbook poderemos verificar que as especificações, impostas no enunciado, para os destilado (226 lbmol/h) e produto de fundo (774 lbmol/h), foram alcançadas. Os quantitativos de caudal, composição, montantes energéticos, podem ser consultados. NOTA: A tabela do Workbook pode ser adicionada ao PFD piscando com o botão direito do rato e seleccionando Add Workbook Table e escolhendo Material Streams, Composition e/ou Energy Streams. Setembro 2005 Página 7

10 2.3. FASE 2 Optimização do Funcionamento da Unidade Nesta segunda parte da resolução do enunciado (Coluna de Despropanização), faremos um estudo de optimização da coluna para melhorar o seu funcionamento atendendo às especificações requeridas pelo enunciado. A avaliação do desempenho da coluna será feita através de uma análise aos gastos energéticos para cada uma das situações do estudo. Os parâmetros de optimização que iremos abordar são somente: i) a localização do prato de alimentação, ii) o número de pratos da coluna, iii) as pressões de funcionamento da coluna e iv) a temperatura da corrente de alimentação Localização do Prato de Alimentação O prato de alimentação de uma coluna de destilação é o ponto onde a mistura que se pretende separar é introduzida no interior da coluna. A sua localização divide fisicamente a coluna em duas regiões com características muito diferentes. A porção de coluna acima do ponto de alimentação (secção de rectificação), é rica em espécies voláteis e deverá ter dimensão suficiente para cumprir as especificações relativas à corrente de destilado. Por outro lado, a porção de coluna abaixo do prato de alimentação (secção de stripping), caracteriza-se por possuir maior concentração de espécies menos voláteis e deverá igualmente ter uma dimensão adequada ao cumprimento das especificações relativas à corrente de resíduo (corrente de fundo). Assim, garantindo o funcionamento da coluna através de especificações que assegurem a obtenção da separação desejada, a melhor localização da alimentação é avaliada através dos custos de operação, ou seja, através do consumo energético. 1. Para a coluna de 12 pratos com a alimentação localizada no prato 6, registe no quadro seguinte os valores das correntes energéticas e da razão de refluxo da coluna, para diferentes localizações da alimentação, entre o condensador e o ebulidor. 2. Com base nos valores obtidos conclua sobre qual a melhor localização da alimentação à coluna. PRATO Cond Ebul. R(REFLUXO) D-DUTY R-DUTY RAZÃO DE REFLUXO ENERGIA, hp POSIÇÃO DA ALIM ENTAÇÃO POSIÇÃO DA ALIM ENTAÇÃO Figura 4. Variação da razão de refluxo com a localização da alimentação. Figura 5. Influência da localização da alimentação no consumo da coluna. Página 8 Setembro 2005

11 Número de Pratos da Coluna Note que, em geral, uma coluna que se encontre em funcionamento numa fábrica não é susceptível de sofrer alterações no número de pratos (variação da dimensão da coluna, mudança do enchimento, alteração da distância entre pratos, etc.). Portanto, normalmente este tipo de optimização só poderá ser realizado se a coluna se encontrar ainda em fase de projecto. 1. Com base no último estudo realizado (coluna de 12 pratos), coloque a alimentação a entrar na coluna no prato médio (prato 6), e registe no quadro seguinte os valores das correntes energéticas (D-DUTY e R-DUTY) e da razão de refluxo. NÚMERO DE PRATOS RAZÃO DE REFLUXO D-DUTY (hp) R-DUTY (hp) 2. Varie o número de pratos de 10 a 30, registando os valores anteriormente referidos (correntes energéticas e razão de refluxo). Verifique que não houve alteração significativa na composição das correntes de saída, as quais se encontram condicionadas ao cumprimento das especificações activas. 3. Com base nos valores recolhidos conclua sobre qual a relação entre o número de pratos da coluna, os gastos energéticos e a razão de refluxo. NOTA: Normalmente, este tipo de estudo não apresenta de imediato um número de pratos óptimo para o funcionamento da coluna. O número de pratos ideal só poderá ser obtido após uma avaliação económica da coluna (custos de investimento versus custos de funcionamento) RAZÃO DE REFLUXO NÚM ERO DE PRATOS DA COLUNA ENERGIA, hp Condensador Ebulidor NÚM ERO DE PRATOS DA COLUNA Figura 6. Variação da razão de refluxo com o número de pratos da coluna. Figura 7. Influência do número de pratos da coluna na energia consumida. Setembro 2005 Página 9

12 NOTA: Embora o estudo possa ser parcialmente inconclusivo, é possível retirar algumas conclusões perante a imposição de restrições. Por exemplo, qual é o menor número de pratos da coluna de destilação se, por razões técnicas a razão de refluxo for no máximo igual a 6?. Ou ainda, qual a poupança percentual de energia quando se passa de 10 para 20 pratos? E de 20 para 30? Pressões de Funcionamento da Coluna Neste estudo, procuraremos mostrar que para a mesma eficiência de separação, a variação da pressão de funcionamento da coluna, terá influência nos gastos energéticos quer do condensador quer do ebulidor. Neste exemplo abordaremos somente condições isobáricas no entanto, a existência de um gradiente de pressão ao longo da coluna é sempre real, e em certas situações, muito favorável. 1. Para o caso inicial, em que temos uma coluna de 12 pratos com a alimentação localizada no prato 7, considere 250 psia para pressão de funcionamento da coluna (assuma que é nula a queda de pressão ao longo da coluna). 2. Aumente e diminua as pressões do condensador e ebulidor com incrementos de 20 psia (impondo sempre ΔP = 0 psia). Registe os valores das correntes energéticas e as temperaturas das correntes de saída. PRESSÃO CONDENSADOR EBULIDOR (psia) E, hp T, F E, hp T, F Conclua relativamente aos consumos energéticos e temperaturas (condensador e ebulidor) versus pressão de funcionamento da coluna. NOTA: A pressão de funcionamento das colunas de destilação está intimamente relacionada com o nível de temperatura alcançado no seu interior. Maiores pressões requerem temperaturas mais elevadas para se atingir a ebulição assim como pressões mais baixas provocam abaixamento na temperatura de ebulição. Por esta razão, para evitar trabalhar com temperaturas extremamente baixas, a destilação de substâncias muito voláteis é normalmente realizada sob condições de pressão elevada. Inversamente, a destilação de espécies pouco voláteis com temperaturas de ebulição muito altas, é conduzida em condições de pressão reduzida (pressões subatmosféricas). Na prática, a pressão de funcionamento das colunas de destilação é muitas vezes determinada pela temperatura do meio de arrefecimento disponível (por exemplo, 30 a 35ºC utilizando água) ou pela temperatura máxima tangível no ebulidor (por exemplo, 185ºC utilizando vapor a 10 atm). Página 10 Setembro 2005

13 Temperatura da Corrente de Alimentação A temperatura à qual a corrente de alimentação é introduzida na coluna, influencia não só o perfil interno de concentrações mas também os consumos energéticos no ebulidor e no condensador. Os perfis de concentração são afectados sobretudo pela(s) fase(s) em que a alimentação se encontra (vapor, vapor e líquido, ou líquido). Em termos energéticos, geralmente um aumento na temperatura da corrente de alimentação faz aumentar o consumo energético do condensador mas em simultâneo provoca uma diminuição nos gastos do ebulidor. A melhor solução é, em geral, um compromisso energético tendo como principal parâmetro a minimização da energia mais dispendiosa ou a não disponível na instalação. Por exemplo, uma instalação que possua disponível um excesso de energia de aquecimento terá satisfeito o consumo no ebulidor devendo portanto minimizar-se os gastos no condensador. Em geral, para a maior parte das situações de separação em colunas de destilação, a temperatura óptima da corrente de alimentação situa-se entre as temperaturas de saída das correntes de destilado (topo) e de resíduo (base). 1. Para condições operatórias arbitrárias de funcionamento da coluna de destilação (número de pratos, localização da alimentação e pressão de funcionamento), varie a temperatura da corrente de alimentação entre valores abaixo da temperatura da corrente de destilado e acima da temperatura da corrente de resíduo. Registe no quadro seguinte os valores indicados pelo simulador. TEMPERATURA DA ALIMENTAÇÃO RAZÃO DE REFLUXO D-DUTY (hp) R-DUTY (hp) Verifique que a temperatura da corrente de alimentação da coluna influencia o consumo energético no condensador e no ebulidor. A variação ocorre em sentido oposto, ou seja, um aumento da temperatura da corrente de alimentação provoca uma diminuição do consumo energético do ebulidor mas um acréscimo nos gastos do condensador (Figura 8). Setembro 2005 Página 11

14 E(condensador) E(ebulidor) ENERGIA, hp ENERGIA TOTAL, hp DESTILADO RESÍDUOO TEMPERATURA DA ALIMENTAÇÃO, F TEMPERATURA DA ALIMENTAÇÃO, F Figura 8. Variação da energia consumida na coluna com a temperatura da alimentação. Figura 9. Influência da temperatura da alimentação no consumo total da coluna. A temperatura óptima da corrente de alimentação é a que minimiza o consumo energético global da coluna (condensador mais ebulidor), e na maior parte dos casos situa-se num valor intermédio entre a temperatura da corrente de destilado e a temperatura da corrente de resíduo (Figura 9). Em geral, uma alimentação líquida com temperatura perto da temperatura de ebulição é a que produz melhores resultados em termos energéticos RAZÃO DE REFLUXO TEMPERATURA DA ALIMENTAÇÃO, F Figura 10. Variação da energia consumida na coluna com a temperatura da alimentação. Verifique que, para este parâmetro (temperatura da corrente de alimentação), não existe correspondência entre o valor da razão de refluxo e o consumo energético global da coluna. A razão de refluxo acompanha o consumo do condensador. Página 12 Setembro 2005

15 NOTA: Geralmente a corrente de alimentação de uma coluna está disponível a uma temperatura diferente da temperatura óptima que minimiza os gastos energéticos globais na coluna. Neste caso, no estudo efectuado também deverá ser contabilizada a energia necessária para aquecer ou arrefecer a corrente de alimentação para a temperatura óptima. Por vezes, pode não ser compensatório efectuar essa correcção de temperatura, pois a energia gasta no arrefecimento/aquecimento poderá ser superior ao ganho energético verificado dentro da coluna. Na avaliação destes casos, também deverá ser considerado os diferentes custos económicos dos tipos de energia de arrefecimento e aquecimento utilizados. Sempre que possível, as necessidades de aquecimento e arrefecimento devem ser reduzidas dentro das unidades de separação privilegiando a satisfação dessas necessidades no exterior. Isto tem influência na estabilidade da unidade em funcionamento assim como no investimento no equipamento dessa mesma unidade. Deste modo, em igualdade de circunstâncias, deverá optar-se por uma situação que minimize a energia a fornecer no interior da unidade (ebulidor e condensador), mesmo que isso represente um acréscimo nas trocas energéticas com a corrente de alimentação. Após a integração energética de um processo, este poderá ser excedentário em energia de arrefecimento ou de aquecimento. Neste caso, e porque a energia está disponível sem custo, a temperatura da corrente de alimentação de uma coluna poderá ser regulada para o seu valor óptimo, utilizando um permutador de calor Definição das Especificações Para a implementação da coluna de despropanização deste exemplo, foi necessário o preenchimento de quatro páginas iniciais, onde foram definidos alguns parâmetros essenciais tais como, o nome das correntes, o número de pratos teóricos da coluna, as pressões, etc., tendo sido ainda necessário definir duas especificações activas. O facto de serem duas, é devido ao tipo de coluna e condensador escolhidos, de modo a que o número de graus de liberdade globais para a resolução das equações do modelo numérico seja nulo. Noutros casos, o número de especificações poderá ter um valor diferente, dependendo portanto do número de graus de liberdade associado à coluna escolhida. Na coluna de despropanização introduzida, as duas especificações de default são o caudal de vapor na corrente de topo (Vapour Rate) e a razão de refluxo (Reflux Ratio). As especificações de default podem ser (e normalmente são) inadequadas para o cumprimento dos objectivos que se pretende com o equipamento escolhido. Desta forma, o HYSYS disponibiliza outros tipos de especificações que poderão ser definidas e activadas, em substituição das anteriores. Figura 11. Tipos de especificações disponíveis no HYSYS. Setembro 2005 Página 13

16 O enunciado deste exemplo pedia um caudal de 365 lbmol/h de n-butano na corrente de fundo e 191 lbmol/h de propano na corrente de topo. Tendo por objectivo regular caudais, é adequado que as especificações escolhidas tenham sido do tipo Column Component Flow permitindo estas a definição valor do caudal de um componente numa determinada corrente (ver NOTA seguinte). Quando o valor numérico das especificações não é imposto, estas podem ser alvo de estudo detalhado. Ao se procurar separar componentes de uma mistura, a separação completa (100% de separação) é normalmente a mais desejada, no entanto, quanto mais exigente é a separação, mais elevados são os custos de energia (condensador e ebulidor) associados. 1. Para uma coluna com 12 pratos e alimentação (225ºF) no prato 6, avalie a influência da alteração da especificação do caudal de propano na corrente de fundo nas energias do condensador e ebulidor. CAUDAL DE PROPANO (lbmol/h) NA CORRENTE D RAZÃO DE REFLUXO D-DUTY (hp) R-DUTY (hp) ENERGIA, kw E(ebulidor) E(condensador) CAUDAL DE PROPANO, lbmol/h Figura 12. Variação das energias consumidas no condensador e ebulidor da coluna em função do caudal de propano recuperado na corrente D De acordo com os valores obtidos (Figura 12), conclui-se que a para recuperações de propano elevadas na corrente de topo, o consumo energético aumenta consideravelmente. Para a dimensão da coluna indicada, seria adequado recuperar uma quantidade de propano inferior à Página 14 Setembro 2005

17 correspondente ao crescimento exponencial da curva (Figura 12), de forma a evitar gastos energéticos excessivos. No entanto, pode haver situações em que é necessário recuperar um valor elevado (suponhamos que neste exemplo pretendíamos uma recuperação de 199 lbmol/h de propano na corrente D). Neste caso, poder-se-á achar um compromisso entre a quantidade a recuperar e o número de pratos da coluna. Isto quer dizer que se o número de pratos da coluna aumentar, a curva (Figura 13) será deslocada para a direita (maiores caudais) e para baixo (menores consumos energéticos), com consequente redução dos gastos energéticos. ENERGIA, kw Pratos 16 Pratos CAUDAL DE PROPANO, lbmol/h Figura 13. Variação da energia consumida no condensador da coluna em função do caudal de propano recuperado na corrente D NOTA: Eis um exemplo de outro tipo de especificações que poderia ser utilizado na resolução do enunciado: Column Component Fraction permite definir a fracção de um componente numa das correntes de saída. Neste caso e para cumprir com o pedido do enunciado, poderíamos indicar o valor da fracção de butano na corrente de topo e o valor da fracção de propano na corrente de fundo: Fracção de nc4 na corrente de topo = 5 lbmol/h / 226 lbmol/h = Fracção de nc3 na corrente de fundo = 9 lbmol/h / 774 lbmol/h = Introduza estas especificações e active-as, comparando os resultados com os obtidos com as especificações anteriores. Outro tipo de especificações muito útil pode ser encontrado com a designação: Column Component Recovery permite definir a recuperação de um componente numa das correntes de saída. De forma a obter especificações equivalentes às anteriores, estas serão definidas da seguinte forma: Recuperação de nc4 na corrente de fundo = 365 lbmol/h / 370 lbmol/h = Fracção de nc3 na corrente de topo = 191 lbmol/h /200 lbmol/h = As duas especificações introduzidas nesta nota, em algumas situações, apresentam vantagens relativamente às introduzidas na resolução do enunciado. Por exemplo, se a coluna em estudo sofrer uma variação do caudal de entrada (por exemplo, devido a uma corrente de recirculação), as especificações Column Component Flow não serão adequadas. Ao invés, as especificações aqui introduzidas irão garantir o mesmo grau de separação independentemente do valor assumido pelo caudal de entrada na coluna. Setembro 2005 Página 15

18 3. Destilação Multicomponente (Exemplo de Aplicação 1) Numa coluna de destilação de refluxo total, deseja-se fraccionar uma mistura de butanos e pentanos (ic4 = 6 %; nc4 = 17 %; ic5 = 32 %; nc5 = 45 %, percentagens molares). Pretende-se para a corrente de destilado uma recuperação de 95 % do n-butano alimentado e para a corrente de resíduo também uma recuperação de 95 % mas do i-pentano alimentado. A pressão de funcionamento da coluna é de 100 psia no topo e 102 psia na base. Sugere-se a utilização como base de cálculo de 100 mol/h da mistura de alimentação. a) Pretende-se dimensionar e optimizar o funcionamento da coluna de destilação em relação às condições da corrente de alimentação (temperatura e pressão), ao número de pratos da coluna e à localização da alimentação. b) Avalie as vantagens em alterar o modo de funcionamento do condensador de refluxo total para condensação total. Considere que a coluna de destilação possui 10 pratos teóricos, que é alimentada à temperatura de 50 C e à pressão de 102 psia, e que funciona de acordo com as especificações de recuperação indicadas anteriormente. Os resultados obtidos (Quadro 1) correspondem a um caudal de destilado de 24,43 mol/h a 65,5 C e a um caudal de resíduo de 75,57 mol/h a 103,4 C. Nestas condições de separação, a razão de refluxo é de 10,2 consumindo-se um total de 3,008 kw, sendo 1,328 kw no condensador (arrefecimento) e 1,680 kw no ebulidor (aquecimento). Quadro 1. Valores de caudais molares (mol/h) das correntes mássicas da coluna de destilação. ESPÉCIE FEED DISTILLATE RESIDUE ic4 6 5,99 0,01 nc ,15 0,85 ic5 32 1,60 30,40 nc5 45 0,69 44,31 TOTAIS ,43 75,57 Partindo desta situação base (coluna de 10 pratos com alimentação a 50 C e 102 psia), analisa-se seguidamente a influência de algumas das variáveis de processo mais relevantes. Página 16 Setembro 2005

19 3.1. Temperatura da Corrente de Alimentação Fazendo variar a temperatura da corrente de alimentação da coluna e observando o valor da razão de refluxo (Figura 11), podemos concluir que baixas temperaturas, próximo da temperatura ambiente, produzem menores valores de razão de refluxo. Para temperaturas superiores a aproximadamente 90 C (temperatura de vaporização da mistura de alimentação), a razão de refluxo sofre um grande aumento sendo por isso proibitivo operar nestas condições. No entanto, a análise da razão de refluxo corresponde somente a parte da questão energética envolvida na coluna. Um aumento da temperatura da corrente de alimentação provoca um acréscimo no consumo energético do condensador, mas também produz um abaixamento da energia consumida no ebulidor (Figura 12). Nesta situação particular, o consumo energético global da coluna praticamente não é influenciado pela temperatura da corrente de alimentação, quando esta é inferior a 90 C, ou seja, quando a alimentação é feita no estado líquido RAZÃO DE REFLUXO ENERGIA, kw ENERGIA TOTAL, kw E(cond) E(ebul) E(total) TEMPERATURA, C TEMPERATURA, C Figura 11. Influência da temperatura da corrente de alimentação na razão de refluxo da coluna. Figura 12. Evolução energética na coluna de destilação (condensador, ebulidor e total), em função da temperatura da corrente de alimentação. Em face do problema específico apresentado no enunciado, a influência da pressão da corrente de alimentação da coluna não é muito relevante no processo de separação, possuindo uma acção desprezável no consumo energético. No entanto, é fundamental que a pressão desta corrente seja (ligeiramente) superior à pressão existente no prato onde é efectuada a alimentação na coluna Número de Pratos da Coluna Considerando uma alimentação a 20 C efectuada no prato médio da coluna (idêntica posição relativa), pode avaliar-se a influência do número total de pratos da coluna na energia consumida para efectuar a separação pretendida. O melhor parâmetro para efectuar esta análise é a razão de refluxo uma vez que os montantes de energia requeridos pelo condensador e pelo ebulidor variam solidariamente e são proporcionais à razão de refluxo. Através dos resultados apresentados na Figura 13 podemos concluir que quanto maior for a coluna (maior número de pratos) menor será o seu consumo energético (note-se que neste caso consideram-se condições adiabáticas, não sendo contabilizadas trocas de energia com o exterior). Setembro 2005 Página 17

20 Na ausência de dados referentes aos custos do equipamento (instalação) e da energia (operação), a escolha da dimensão da coluna é arbitrária, devendo no entanto ser seleccionado um número de pratos correspondente a uma zona onde a variação da razão de refluxo não é acentuada e corresponde a um valor baixo. Tomando por exemplo uma coluna de 20 pratos, a razão de refluxo obtida é 3,27 (sendo 9,52 para 10 pratos), consumindo-se um total de 1,34 kw (2,99 kw para 10 pratos). Desta forma, duplicando a dimensão da coluna, consegue-se uma redução na quantidade de energia total consumida superior a 55 %, sendo esta redução um pouco mais acentuada no condensador (66 %) do que no ebulidor (48 %) RAZÃO DE REFLUXO RAZÃO DE REFLUXO NÚMERO DE PRATOS PRATO DE ALIMENTAÇÃO Figura 13. Variação da razão de refluxo da coluna com a sua dimensão. Figura 14. Variação da razão de refluxo com a localização da corrente de alimentação à coluna Localização da Corrente de Alimentação Em face do estudo efectuado anteriormente, considera-se uma coluna com 20 pratos à qual é alimentada a mistura de hidrocarbonetos à temperatura de 20 C. Fazendo variar o prato da coluna no qual é introduzida a corrente de alimentação, avalia-se a sua influência no seu funcionamento observando o valor da razão de refluxo (Figura 14). Na variação apresentada, o prato 0 corresponde ao condensador e o prato 21 ao ebulidor. A existência de um valor mínimo na razão de refluxo indica a localização óptima da corrente de alimentação da coluna de destilação. Na situação estudada, essa localização óptima corresponde ao prato 6 (contado a partir do topo), envolvendo um total de 1,242 kw de energia, sendo 30,4 % consumidos no condensador e os restantes 69,6 % no ebulidor. Página 18 Setembro 2005

21 Do estudo efectuado pode concluir-se que: 1. A alimentação da coluna de destilação deve ser efectuada no estado líquido, não podendo possuir temperaturas superiores a 90 C. 2. Quanto mais perto da temperatura ambiente estiver a temperatura da corrente de alimentação da coluna, menor será o consumo energético. 3. Em condições adiabáticas, um aumento do número de pratos da coluna produz uma redução no consumo energético do condensador e do ebulidor. Para colunas com mais de 20 pratos, considera-se que as poupanças energéticas são reduzidas em face da dimensão do equipamento. 4. A melhor localização da corrente de alimentação é a que produzir menores consumos energéticos, a qual na situação estudada corresponde ao prato 6. Temperatura da Corrente de alimentação : 20 C Número de Pratos da Coluna : 20 Prato de Alimentação : 6 Energia no Condensador : 0,378 kw/h Temperatura do Destilado : 65,8 C Energia no Ebulidor : 0,865 kw/h Temperatura do Resíduo : 103,5 C Colocando a coluna de destilação a funcionar com o condensador em regime de condensação total, o consumo energético total aumenta para 1,422 kw/h, devido quase exclusivamente a um acréscimo energético no condensador. Assim, tendo como base exclusivamente a análise energética, é preferível operar em refluxo total sendo a corrente de destilado condensada posteriormente fora da coluna. Nestas condições (refluxo total), por envolver menores caudais e montantes energéticos, a dimensão e/ou eficiência do condensador poderá ser inferior. Setembro 2005 Página 19

22 4. Destilação Multicomponente (Exemplo de Aplicação 2) Uma coluna de destilação com 25 pratos, operando à pressão atmosférica em condensação total, é utilizada para fazer a separação de uma mistura de alimentação líquida, constituída por hexano (3 %), heptano (20 %), octano (37 %), nonano (35 %) e decano (5 %). Pretende-se que o destilado não contenha decano e que o resíduo não possua hexano. No entanto, o objectivo do sistema de separação é produzir uma mistura muito rica em heptano (destilado), uma mistura muito rica em nonano (resíduo), assim como uma terceira mistura muito rica em octano cujo caudal seja 50 % do de alimentação da coluna. Sabendo que a alimentação da coluna é efectuada no prato 10 (contado a partir do topo), determine a melhor localização da corrente lateral. Considere como base de cálculo a alimentação de 1 kmol/h da mistura de hidrocarbonetos à temperatura de 20 C. Como se pode observar pelos valores apresentados na Figura 15, a localização da corrente lateral afecta de forma significativa a razão de refluxo na coluna de destilação. A gama de valores mínimos de razão de refluxo corresponde aos menores consumos energéticos, quer no condensador quer no ebulidor (Figura 16). Deste modo, em termos energéticos, a melhor localização da corrente lateral corresponde ao prato 14/ E(cond) E(ebul) REFLUX RATIO ENERGY, kw SIDE STREAM STAGE SIDE STREAM STAGE Figura 15. Influência da localização da corrente lateral na razão de refluxo. Figura 16. Consumo energético da coluna em relação à posição da corrente lateral Página 20 Setembro 2005

23 No entanto é também necessário analisar a composição das correntes de saída uma vez que se pretende maximizar o seu conteúdo em compostos específicos (Figura 17). Até ao prato 14, verifica-se um aumento das fracções molares dos compostos desejados nas correntes de saída da coluna. A partir desse ponto, na corrente de resíduo e na corrente lateral, as suas fracções reduzem-se à medida que a corrente lateral se posiciona mais perto do ebulidor. Uma vez que não é possível, em simultâneo, maximizar as composições das três correntes, opta-se por considerar como melhor localização para a corrente lateral a correspondente ao menor consumo energético que é ao mesmo tempo a de maior composição em nonano na corrente de resíduo (84,6 %), e em octano na corrente lateral (72,9 %). Nestas condições, a corrente de destilado possui igualmente uma alta composição em heptano (84,0 %) MOLAR FRACTION C7 (dist) C8 (side) C9 (bott) SIDE STREAM STAGE Figura 17. Composições molares de heptano na corrente de destilado (C7), de octano na corrente lateral (C8) e de nonano na corrente de fundo (C9) para diferentes localizações da corrente lateral. Setembro 2005 Página 21

24 5. Método Short-Cut Distillation Quando se pretende projectar uma coluna de destilação para realizar uma dada separação, geralmente não possuímos informação sobre, por exemplo, o número de pratos que a coluna deverá ter, ou qual a razão de refluxo mínima que poderá ser imposta. De modo a obter uma primeira aproximação de como deverá funcionar a coluna que queremos projectar, podem usar-se métodos expeditos, designados vulgarmente por Shortcut Methods, para se obterem as estimativas iniciais. Um dos principais métodos shortcut para colunas de refluxo simples, é o FUGK (Fenske, Underwood, Gilliland e Kirkbridge). Neste método, a equação de Fenske é usada para estimar o número mínimo de pratos, a equação de Underwood para o cálculo do refluxo mínimo, a de Gilliland para obter o número de pratos teóricos e a equação de Kirkbridge para calcular o prato de alimentação. O método shortcut no HYSYS é tratado como uma ferramenta acessória à simulação dos processos de separação por destilação, mas funciona praticamente como uma operação de destilação com refluxo simples, necessitando igualmente de correntes de entrada e saída (massa e energia). Para exemplificar a utilização do ShortCut Distillation vamos usar o problema anterior da Coluna de Despropanização (Capítulo 2). Crie uma corrente (Feed) com as mesmas características das introduzidas anteriormente para a corrente de alimentação da coluna (use a função Define from other stream ), e introduza a operação Shortcut Column (carregue em <F12> ou use a Object Palette ), no Process Flow Diagram (PFD). Na página Connections do Design da Shortcut Column, atribua nomes às correntes de alimentação (Feed), produto de topo (Destillate), produto de fundo (Bottoms), e às correntes de energia do condensador (Duty-D) e do ebulidor (Duty-B). Não se esqueça de definir que o destilado sai do sistema na fase de vapor ( Top Product Phase : Vapour) Na página Parameters defina os componentes Light-Key (componente mais volátil), e o Heavy- Key (componente menos volátil). No caso de destilações multicomponentes, os compostos Light- Key e Heavy-Key não são necessariamente os compostos mais e menos voláteis da mistura de alimentação da coluna. Muitas vezes estes componentes são escolhidos devido a uma exigência maior na especificação de dois componentes específicos da mistura. As fracções molares do Página 22 Setembro 2005

25 Light-Key (propano : 1,16 %) na corrente de fundo e do Heavy-Key (n-butano : 2,21 %) na corrente de topo, são as únicas especificações de composição necessárias. Também na página Parameters, defina o perfil de pressões na coluna especificando a pressão no condensador (Condenser Pressure, 248 psia) e no ebulidor (Reboiler Pressure, 252 psia). Ainda na página Parameters (grupo Reflux Ratios), deve aparecer o valor da razão de refluxo mínima (Minimum Reflux Ratio), calculado através da equação de Underwood. Pode-se impor um valor para a razão de refluxo da coluna (External Reflux Ratio), o qual deve ser sempre superior (ou igual) ao valor da razão de refluxo mínima. O valor introduzido para a razão de refluxo será usado para calcular os fluxos de matéria no interior da coluna, as energias necessárias no condensador e ebulidor, o número de pratos ideal e a localização óptima da corrente de alimentação (página Performance). Utilizando as rotinas do Shortcut Column verifique qualitativamente a relação entre a razão de refluxo (External Reflux Ratio), o número de pratos da coluna e o consumo energético no condensador e ebulidor. Discuta os resultados obtidos. NOTA: Para se efectuar uma dada separação, utilizar a razão de refluxo mínima implica possuir uma coluna com dimensão infinita. O aumento da razão de refluxo provoca um aumento no consumo energético mas em simultâneo permite utilizar colunas de menores dimensões. Setembro 2005 Página 23