VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 1/6 EFEITO DAS CONDIÇÕES DE ALIMENTAÇÃO SOBRE O PROCEDIMENTO DE PARTIDA DE UMA COLUNA DE DESTILAÇÃO Steinmacher, F. R. 1*, Marangoni, C. 2, Machado, R. A. F. 3, Araújo, P. H. H. 4 *Universidade Federal de Santa Catarina, CTC - EQA. Caixa Postal 476 Trindade, Florianópolis SC. 810-9 1 IC - fersteinmacher@hotmail.com, 2 Colaboradora - sissi@enq.ufsc.br, 3 Colaborador - machado@enq.ufsc.br, 4 Orientador pedro@enq.ufsc.br RESUMO - A partida de uma coluna de destilação pode levar desde horas até dias para atingir o estado estacionário. Uma das possibilidades de minimizar o tempo de partida é a aplicação de um procedimento adequado às características do processo. Dessa forma, o objetivo deste trabalho é propor um procedimento de partida e analisar as condições de alimentação na partida de uma coluna de destilação piloto. Foram analisados os efeitos de diferentes composições de etanol (25% e 35%) e temperaturas na alimentação (75ºC e 85ºC). Ao analisar o comportamento dinâmico da partida através das medidas de temperatura dos pratos ao longo do tempo e das condições das variáveis no topo da coluna foi possível definir a condição mais favorável para a realização da partida e operação. INTRODUÇÃO Periodicamente, após os procedimentos de manutenção, é necessário iniciar a partida (startup) na operação de uma coluna de destilação contínua. Esta etapa da operação apresenta uma série de problemas operacionais. Segundo Drew (1983) os problemas mais comuns são os hidráulicos e mecânicos, dificuldades com os fluidos do processo e problemas de instrumentação. De acordo com Ruiz et al (1988), a complexidade hidráulica desta operação em colunas de destilação está relacionada a alguns fatores como a ocupação completa do líquido no downcomer e do vapor nas perfurações dos pratos, o aumento da pressão do líquido acumulado no prato (holdup) e outros. Quando superados estes fatores, completa-se o procedimento de startup de uma coluna de destilação. Assim, esta fase do processo requer prática e conhecimento do operador. Ruiz et al (1988) descreveram um procedimento de startup para uma coluna de destilação contínua denominado three-phase. Este procedimento envolve três fases do processo: descontínuo, semi-contínuo e contínuo. Sendo que, a fase descontínua consiste na transição da coluna de um estado frio a um estado de equilíbrio. A fase semi-contínua é caracterizada pela não-linearidade das variáveis termodinâmicas, porém contínuas, e também pelas variáveis hidráulicas, as quais se apresentam lineares, quase atingindo os valores do estado estacionário. Contudo, antes de atingir o estado estacionário,
VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 2/6 a operação sofre perturbações, cujo sistema de controle deve minimizá-las, iniciando o estado contínuo. A aplicação de um procedimento de startup que proporcione uma redução no tempo para alcançar o estado estacionário permitirá a otimização da operação de colunas de destilação, minimizando a produção de produtos fora da especificação. Para tanto, muitas configurações alternativas de partida e operação de colunas de destilação foram propostas, como por exemplo, a configuração invertida, a qual consiste em retirada de produto de base e refluxo total. A configuração invertida é melhor para casos onde requer alta purificação do produto a partir de uma alimentação com baixa concentração do componente mais leve, conforme analisam Sørensen e Skogestad (1996a). Fieg e Wozny (1993) estudaram diferentes condições de operação tanto em colunas invertidas quanto em convencionais e concluíram que a diminuição do tempo de partida é considerável em colunas invertidas. Sørensen e Skogestad (1996b) ainda propuseram a inicialização da operação de startup com a utilização do componente leve devidamente destilado no condensador, proporcionando um refluxo no seu valor prescrito, assim o estado estacionário será alcançado mais rapidamente. Observa-se que a implementação de um procedimento de startup adequado à coluna de destilação permite maior rapidez no alcance do estado estacionário, reduzindo gastos e melhorando a operação da unidade. A partir destas análises, um dos objetivos deste trabalho é avaliar diferentes procedimentos de partida e definir o melhor ponto de operação para uma mistura de etanol e água em uma coluna de destilação piloto. Mais especificamente, pretende-se avaliar as condições de alimentação composição e temperatura no procedimento de partida da coluna. MATERIAL E MÉTODOS Os ensaios de partida foram realizados em uma coluna de destilação com 13 pratos, totalmente instrumentada em fieldbus para o controle do balanço de massa e temperatura. O processo é alimentado a uma vazão 0 L.h -1 no quarto prato (seguindo da parte inferior para superior), com uma mistura de etanol e água. Um fluxograma geral da unidade é apresentado na Figura 1. As vazões das correntes de alimentação, produto de base e topo são obtidas a partir de um orifício integral acoplado a um medidor diferencial de pressão. As temperaturas são adquiridas por sensores do tipo Pt-100. As composições são obtidas a partir de um alcoômetro do tipo Gay-Lussac e Cartier, o qual tem medição direta da porcentagem volumétrica de álcool na mistura, calibrado a ºC. Procedimento de Partida O procedimento padrão descrito a seguir é resultado de inúmeras tentativas de partida da coluna. Primeiramente foram aplicados procedimentos de startup clássicos, como o apresentado por Foust et al (1982). Em seguida, as etapas foram sendo adequadas de acordo com as necessidades da unidade e alguns procedimentos foram estudados como o descrito por Ruiz et al (1988). Incrementos foram realizados, resultando em um procedimento adequado à unidade. Segue a descrição do mesmo. Na partida da coluna de destilação, a corrente de alimentação é introduzida continuamente e
VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 3/6 Figura 1: Ilustração geral da unidade piloto de destilação. controlada através da manipulação de uma válvula de controle. Como o sistema é fechado, ou seja, as correntes de produto de base e topo formam a corrente de alimentação, inicia-se o processo com a malha de controle de nível da base no automático. Assim, este nível é controlado através da manipulação da corrente da base, que, portanto garante a alimentação até que se inicie o produto de topo. Este procedimento foi adotado com base nos experimentos descritos por Fieg e Wozny (1993). A mistura líquida decorrente da alimentação desce até a base da coluna, onde um trocador de calor atua como refervedor, o qual tem como fluido de aquecimento vapor proveniente de uma caldeira a 8Kgf.cm -2 de pressão. A mistura na corrente do referverdor é aquecida através da abertura de uma válvula situada na linha de vapor do trocador de calor. É vaporizada e introduzida na coluna, cujo vapor ascende aquecendo-a prato-a-prato até atingir o condensador. O condensador utiliza água como fluido refrigerante proveniente de uma torre de refrigeração. Quando existe um volume superior à metade no tanque de acúmulo de destilado, inicia-se a etapa de refluxo. Seguindo as propostas clássicas, principia-se a operação com refluxo total, permitindo assim que a composição do destilado se aproxime da composição desejada a ser obtida durante a operação em estado estacionário. Uma vez atingida uma situação estável com refluxo total (quando a derivada da temperatura é nula em relação ao tempo), inicia-se a retirada de produto de topo. A vazão de produto de topo é obtida através da manipulação de uma válvula de controle, a qual regula o nível do tanque acumulador. O estado estacionário é determinado assim que a temperatura e o nível do acumulador não variam com o tempo. Medidas de composição volumétrica corroboram esta avaliação. Cabe ressaltar que as malhas de controle da composição dos produtos (temperaturas do topo e base) não são utilizadas neste estudo. Este procedimento foi utilizado nos ensaios descritos a seguir, em que se avaliaram as condições de alimentação na partida da coluna. Efeitos Das Condições De Alimentação Para avaliar a partida da coluna de destilação, foram estudadas três condições iniciais de operação distintas, apresentadas na Tabela 1. Inicialmente comparou-se o startup da coluna com composições diferentes (P1 e P2).
VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 4/6 Tabela 1: Condições de operação durante a partida. Procedimento de Partida Composição da Alimentação Etanol Temperatura Aquecimento da Alimentação P1 25% 77ºC Sem aquecimento P2 35% 72ºC Sem aquecimento P3 35% 85ºC Com aquecimento Já na segunda comparação, optou-se por estudar a introdução ou não do aquecimento na alimentação com 35% de etanol (P2 e P3). Os ensaios realizados sem aquecimento (P1 e P2) utilizaram líquido subresfriado na alimentação (5-8 o C abaixo da temperatura do prato de alimentação). O ensaio P3 foi realizado com a temperatura de alimentação no mesmo valor da temperatura do prato 85ºC, situação ideal para a destilação. RESULTADOS E DISCUSSÕES Como o sistema é fechado, a temperatura de alimentação aumenta na medida que as correntes de fundo e topo da coluna retornam a alimentação até atingir uma temperatura constante. A Figura 2 apresenta os perfis da temperatura de alimentação dos procedimentos de partida sem aquecimento da alimentação (P1 e P2). Conforme esperado, a temperatura de alimentação atingida é mais elevada com 25% de etanol (~77 o C) do que com 35% (~72 o C), já que o perfil de temperaturas da coluna também é superior neste caso. Foi observado um aumento da pressão no interior da coluna quando as temperaturas são mais elevadas. A operação da unidade, neste caso, tornou-se mais complicada uma vez que o controle do nível do acumulador ficou mais sensível a pequenas flutuações. Da mesma maneira, com temperaturas mais elevadas na coluna, a temperatura do acumulador também ficou mais elevada exigindo maior vazão de refluxo para obter a Figura 2: Perfil de temperatura na alimentação com diferentes composições mesma troca térmica dentro da coluna. Esta necessidade influencia diretamente na vazão de produto de topo que mais uma vez influencia no nível do tanque acumulador. Este comportamento, ilustrado nas Figuras 3 e 4, teve o mesmo resultado que o apresentado com a fração de etanol mais baixa na alimentação. Ao introduzir a alimentação aquecida, a coluna foi pressurizada e as variáveis no topo da coluna se tornaram mais difíceis de serem operadas. Esta dinâmica no comportamento já foi abordada por Wang et al (03) que descreveram a dinâmica da partida de uma coluna de destilação batelada através de um modelo pratoa-prato (tray-by-tray). Nível do Acumulador (%) 100 10 Valor especificado (set point) 0 0 1 2 3 4 5 6 Figura 3: Perfil do nível do acumulador para a partida com 25% de etanol.
VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 5/6 Nível do Acumulador (%) 100 10 Valor especificado (set point) 0 0 1 2 3 4 5 Figura 4: Perfil do nível do acumulador para a partida com 35% de etanol Com o mesmo princípio, o comportamento dinâmico de uma coluna de destilação contínua pode ser descrito baseado em propriedades físicas e termodinâmicas. Os autores descrevem que o equilíbrio entre as fases, líquido e vapor, é seguramente formado a partir da base da coluna, enquanto que o holdup é preenchido a partir do topo da coluna assim que introduzido o refluxo. Assim, considera-se que o aumento da pressão no topo da coluna dificulta a estabilidade da coluna. Diante desta análise, o ensaio realizado com 35% de etanol e sem o aquecimento da alimentação foi definido como o ponto de operação da coluna. Um comportamento interessante observado foi a diferença no aquecimento dos pratos da seção de esgotamento e da seção de retificação, ilustrados nas Figuras 5 e 6, respectivamente. Sendo a corrente de alimentação resultado do produto de base, no início do startup, a temperatura da mesma é elevada aos poucos, até que toda a massa do tanque pulmão esteja aquecida. Esta mistura entra na coluna, aquecendo lentamente os pratos da seção de esgotamento, fazendo com que o aquecimento dos mesmos seja linear até que o vapor gerado pelo refervedor alcance o prato. Wang et al (03) também observaram este comportamento. O Temperatura do Terceiro Prato ( o C) 0 1 2 3 4 5 Figura 5: Perfil de temperatura do terceiro prato seção de esgotamento Temperatura do Décimo Prato ( o C) 0 1 2 3 4 5 Figura 6: Perfil de temperatura do décimo prato seção de retificação modelo referenciado descreve que o estado de equilíbrio é atingido a partir de um estado frio e vazio. Análoga a uma coluna de destilação batelada, os pratos da seção de retificação estão frios e vazios, como mostra a Figura 7A. A partir do momento que o vapor ascende até a seção de retificação, ele condensa devido a troca de calor com a parede do prato acima, demonstrado na Figura 7B. O vapor condensado irá acumular no prato, caracterizando assim o estado de líquido acumulado, LA. Ao mesmo tempo, o líquido acumulado é aquecido com o vapor que ascende a coluna, e o estado de equilíbrio entre fases é estabelecido quando a mistura atingir o seu ponto de bolha, como está ilustrado na Figura 7C. Os autores analisam que o tempo de LA é muito curto em relação aos outros dois estados. Assim, com base nos resultados obtidos pode-se analisar que na seção de esgotamento
VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 6/6 Figura 7: Comportamento dinâmico na seção de retificação. o comportamento dinâmico é mais lento e o estado líquido acumulado é contínuo devido a introdução da alimentação, o que amortece o efeito da temperatura e do vapor no prato. A Figura 8 ilustra a transição do estado frio, porém não vazio, ao estado de equilíbrio entre fases na seção de esgotamento. Figura 8: Comportamento dinâmico na seção de esgotamento. Enquanto a mistura da base não atingir o seu ponto de bolha, haverá apenas fluxo descendente de líquido nos pratos e downcomer, como ilustrado na Figura 8A. Havendo formação de vapor, o estado de transição é estabelecido, Figura 8B. O estado de equilíbrio entre as fases é alcançado quando a pressão de vapor for suficientemente alta para evitar o escoamento do líquido pelas perfurações do prato e, a temperatura da mistura no prato se encontrar no seu ponto de bolha, Figura 8C. CONCLUSÕES A partir dos resultados obtidos, observou-se que para a unidade piloto operada, a condição mais favorável para a realização do startup é com uma vazão de alimentação correspondente a 35% de etanol. Com esta composição, elimina-se algumas não-linearidades do processo, tornando sua operação mais estável. Além disso, a introdução de aquecimento na temperatura na alimentação, neste caso particular, parece interferir sensivelmente no processo. Por este motivo, optou-se por operar a unidade sem induzir o aquecimento na alimentação. A definição do procedimento de startup demonstrou-se adequado durante os ensaios realizados e, indiretamente definiu também o ponto de operação de unidade experimental. REFERÊNCIAS DREW, J. W. Distillation Column Startup.Drew Engineering, Inc. 1983. FOUST, A. S., WENZEL. L. A., CLUMP, C. W., MAUS, L., ANDERSEN, L.B., Princípios das operações unitárias, Editora LTC, 2ª edição, Rio de Janeiro, p. 6, 1982. RUIZ, C. A., CAMERON, I. T., GANI, R. A generalizes dynamic model for distillation columns III. Study of startup operations Comput. Chem. Engng, v. 12, n. 1, p. 1-14, 1988. SØRENSEN, E., SKOGESTAD, S. Comparison of regular and inverted batch distillation. Chemical Engineering, v. 51, n. 22, p. 4949-4962, 1996a. SØRENSEN, E., SKOGESTAD, S. Optimal startup procedures for batch distillation. ComputersChem. Engng, v., suppl, p. S1275-S1262, 1996b. WANG, L., LI, P., WOZNY, G., WANG, S. A startup model for simulation of batch distillation starting from a cold state. Computers & Chemical Engineering, v. 27, p. 1485-1497, 03. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo e a Financiadora de Estudos e Projetos por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor Petróleo e Gás PRH-34-ANP/MCT.