EFEITO DA PRESSÃO SOBRE DINÂMICA E CONTROLE DE COLUNA DE DESTILAÇÃO COM RETIRADA LATERAL G. W. de FARIAS NETO, R. P. BRITO, S. R. DANTAS e R. M. L. OLIVEIRA Universidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia Química E-mail para contato: gilvan.wanderley@gmail.com RESUMO A destilação é o processo de separação mais usado na indústria química e petroquímica, sendo o seu entendimento muito importância para um engenheiro químico. O estudo da dinâmica e controle da destilação, assim como o efeito de parâmetros sobre a dinâmica da mesma, se faz cada vez mais necessário para garantir um melhor rendimento e redução de custo e energia. Nesse trabalho é avaliado o efeito da pressão sobre uma coluna de destilação com retirada lateral através de distúrbios aplicado na alimentação na fase vapor. 1. INTRODUÇÃO O uso de colunas com retirada lateral é bastante comum no fracionamento do petróleo, a coluna destinada para esse processo apresenta várias retiradas ao longo da coluna, nas quais são retirados alguns derivados do petróleo. Segundo Luyben (2006) a utilização desse tipo de coluna permite uma redução do custo de energia e de capital investido para alguns sistemas. Isso ocorre por exemplo no caso de misturas ternária onde o componente de volatilidade intermediaria pode ser retirando através da retirada lateral. A pureza da retirada lateral é limitada pela termodinâmica e pelo natureza do processo de destilação (Glinos e Malone, 1985a). De acordo com Buckley et al. (1985) colunas com retirada lateral é geralmente mais difícil o controle do que as colunas convencionais que apresentam apenas duas correntes de produtos. A maior dificuldade no controle da destilação é a grande variedade possíveis configurações de controle (Glinos e Malone, 1985b). A pressão da coluna é talvez a variável de controle mais importante em uma coluna de destilação (Kister, 1990). A necessidade do controle da pressão se deve ao fato da sua influência sobre a condensação e vaporização, assim como o perfil de concentração e consequentemente no perfil de temperatura. De acordo com Kister (1990) uma coluna não irá atingir um funcionamento estável a menos que a pressão seja mantida constante. No trabalho de Liu e Jobson (1999), mostra a complexa influência da pressão sobre execução da destilação, é relatado no mesmo que o efeito da variação na pressão depende da pressão de operação. Para pressões baixas 3 bar o aumento da pressão pode causa o aumento do rendimento, para pressões elevadas 7 bar a redução da pressão pode causa um aumento do rendimento.
Para Skogestad (1997), a pressão dinâmica e seus efeitos sobre o comportamento da coluna não são bem conhecidos. Devido ao grande uso da coluna de destilação, em especial com retirada lateral, e a necessidade do estudo do efeito da pressão sobre o comportamento da coluna são incentivos para elaboração desse artigo. 2. DEFINIÇÂO DO PROBLEMA Esse trabalho consiste na análise de uma coluna de uma unidade industrial, a referida coluna faz parte da área de recuperação de isobutano e de hexeno, oriundos de um reator de polimerização do etileno. A coluna apresenta 41 estágios, com alimentação de vapor no estágio 15 e líquida no estágio 16, no vaso flash existe um alimentação rica em isobutano. São feitas três retiradas sendo uma de base, um lateral e duas de topo oriunda da condensação parcial, o fluxograma do problema pode ser visto na Figura 1. Figura 1 Fluxograma do Problema. Tabela 1- variáveis controladas e as manipuladas. Variavel Controlada Nível da Base Temperatura do Estágio 23 Nível do Vaso Flash Taxa de Refluxo Pressão do topo Variavel Manipulada Taxa de Calor do Reboiler Vazão de Retirada Lateral Vazão de Líquido Destilado Vazão da alimentação/vazão de Reflux Vazão de Refrigerante
A Tabela 1 mostra as variáveis controladas e manipuladas no sistema de controle. O nível da base é usado a taxa de calor do reboiler devido a vazão da base ser pequena e o prato 23 foi escolhido para medir a temperatura pois ele mostrou ser o estágio onde apresentou maior variação de temperatura. Os distúrbios foram aplicado na alimentação na fase vapor variando de 0 a 600 kg/h de 100 kg/h a cada duas horas tanto o aumento quanto a redução da vazão. Foi avaliado dois sistema um com os controladores ativos e outro com os controladores inativos. 3. RESULTADOS 3.1. Pressão Na Figura 2a podemos ver o comportamento da pressão para um sistema em malha aberta, onde pode-se nota claramente que a pressão é proporcional a alimentação na fase vapor. Podemos ver que a pressão apresenta o mesmo comportamento para os estágios 1, 23 e 41. Figura 2 Comportamento da pressão (a) malha aberta (b) malha fechada. Podemos ver a eficiência do controle da pressão através da Figura 2b, a utilização da vazão de líquido refrigerante consegui da estabilidade no controle da pressão e apresentou oscilações de baixa amplitude. O princípio utilizado para esse controlado é baseado no fato de que o aumento da pressão se deve ao aumento da fase vapor assim mais líquido refrigerante é enviado para o condensador e assim diminui a fração de vapor que sai do condensador para o vaso de refluxo.
3.2. Composição De Hexeno Temos que com a diminuição da alimentação da fase vapor a composição de hexeno na retirada lateral tem um pequeno aumento para o caso de um sistema em malha aberta, como pode ser visto na Figura 3a, no caso de uma malha fechada temos sua concentração praticamente constante com apenas algumas oscilações conforme mostra a Figura 3b. Figura 3 Composição de hexeno (a) malha aberta (b) malha fechada. Sendo a temperatura dependente do perfil de concentração dos componentes presente na coluna, vendo que não ocorreu variação significativa no sistema em malha fechada podemos dizer que não ocorreu variação significativa de temperatura. 3.3. Vazão De Vapor Destilado Figura 4 Vazão de vapor destilado (a) malha aberta (b) malha fechada. Como de se esperar a vazão de vapor destilado diminui com a redução da alimentação na fase vapor para o caso de uma malha aberta, Figura 4a, quando a válvula da alimentação é fechada a vazão de vapor chega a ser menor que 100 kg/hr. No sistema com o controle é observado o efeito contrário, Figura4b, quando a válvula da alimentação é fechado a vazão de vapor destilado é maior que 900 kg/hr.
4. CONCLUSÃO Como foi visto nesse trabalho a utilização de um sistema de controle é de extrema importância para garantir que planta seja operada nos seus respectivos set point, podemos ver também que a pressão é uma variável que se deve ter bastante atenção devido a sua influência sobre vários outros parâmetros de operação. A utilização de simulações mostra ser uma ferramenta de grande valia para o auxílio no entendimento e estudo dessa operação que nos dias atuais é a utilizada no processo de separação. 5. REFERÊNCIAS BUCKLE, P. S.; LUYBEN, W. L.; SHUNTA, J. P. Design of distillation column control systems. New York: Elsevier Science & Technology, 1985. p 576. GLINOS, K. N.; MALONE, M. F. Design of sidestream distillation columns. Industrial Engineering Chemistry Development, 1985a. p 822. GLINOS, K. N.; MALONE, M. F. Steady-State control of sidestream distillation colums. Industrial Engineering Chemistry Development, 1985b. p 608. KISTER, Z. H. Distillation Operation. New York: McGraw-Hill, 1990. p 526. LUYBEN, W. L. Distillation desing and control using Aspen simulation. Hoboken: John Wiley & Sons, 2006. p 251. LIU, Z.; JOBSON, M. The effect of operating pressure on distillation column throughput. Elsevier. European Symposium on Computer Aided Process Engnineering. 1999. p 831-834. SKOGESTAD, S. Dynamics and control of distillation column: a critical survey. IFACsymposium. 1997. p 190.