Operações em Multiestágios: Destilação Flash de Hexano e Octano

1 1 Operações em multiestágios Um enriquecimento do vapor em constituintes voláteis poderia a princípio ser obtido por uma série de destilações flash onde o vapor formado em cada estágio é condensado e reflasheado nos estágios subsequentes Veja como exemplo a destilação para recuperação de hexano de uma mistura equimolar hexanooctano como mostra a Figura 1 Figura 1 Seguidas destilações Flash de uma mistura hexanooctano Como mostra a figura 1 no primeiro estágio Flash ocorre a 212 oF e a corrente de vapor saí com 69 de hexano No segundo estágio Flash o ocorre a 198 oF e a corrente de vapor saí com 80 de hexano enquanto no terceiro estágio ocorre a 188 oF e a corrente de vapor saí com 86 de hexano Na prática a recuperação é pequena as necessidades energéticas Q são elevadas aquecimento e resfriamento e grandes quantidades de líquidos são produzidas Com intuito de aumentar a recuperação de hexano e reduzir o gasto energético pode se efetuar reciclo como mostra a Figura 2 Figura 2 Seguidas destilações Flash de uma mistura hexanooctano com reciclo Neste caso as temperaturas de operação são semelhantes à operação sem reciclo 213 200 e 190 oF e as concentrações de hexano nas correntes de vapor nos três estágios Flash são respetivamente 67 78 e 85 Ao utilizar reciclo nas etapas de destilação praticamente não houve alteração na recuperação de hexano 86 e 85 respectivamente 2 As quantidades de energia envolvidas nos dois processos foram 751 487 376 1614 MBH sem reciclo e 904 655 503 2062 MBH com reciclo Um olhar mais detalhado revela que o uso do reciclo aumenta em cerca de 27 as necessidades energéticas do processo aquecimento e resfriamento Observase também que em ambos os casos o uso de flash sucessivo necessita de um considerável número de trocadores de calor e bombas caso com reciclo Uma simplificação do processo anterior poderia ser feita conforme a Figura 3 com apenas dois trocadores de calor um para promover o aquecimento da alimentação e um outro para condensar os vapores que deixam a unidade Figura 3 Destilação em coluna de uma mistura hexanooctano Neste caso parte do destilado retorna a coluna como refluxo entrando em contato em contracorrente com o vapor ascendente Organizados verticalmente os estágios eliminam a necessidade do uso de bombas para promover o fluxo das correntes Todos os estágios podem ser combinados em um único equipamento 2 Colunas de Destilação princípio de funcionamento de um destilador de placas Por se tratar de uma separação efetuada num único andar de equilíbrio a destilação Flash apresentava várias limitações a maioria das quais é não originar um grau de pureza 3 elevado do destilado Sabese que a eficiência de separação por destilação é largamente aumentada se no mesmo equipamento forem conseguidos múltiplos contatos entre as fases líquida e de vapor Estes múltiplos contatos entre ambas as fases permitem retificálas isto é promovese um enriquecimento progressivo da fase vapor no componente mais volátil e da fase líquida no componente menos volátil e estão na base do funcionamento da operação de separação designada por retificação ou destilação contínua em andares de equilíbrio Os andares de equilíbrio devem garantir um contato íntimo entre ambas as fases proporcionando uma grande interface entre elas de modo a promover uma eficiente transferência de massa O tempo de residência da mistura líquidovapor em cada andar deve ser adequado para garantir que o equilíbrio seja atingido As colunas de destilação podem ser de pratos ou de enchimento conforme a figura 3 Figura 3 Colunas de destilação a de pratos b de enchimento A destilação contínua por andares uma das técnicas de separação mais usadas em processos industriais de Engenharia Química é pois um processo que separa dois ou mais componentes de uma mistura distribuindoos por duas correntes distintas um destilado líquido vapor ou ambos recolhido no topo da coluna e um resíduo líquido que sai na base da coluna Neste processo de separação verificase que Há formação de uma segunda fase o vapor obtido por vaporização da mistura inicial O contato entre as fases líquido e vapor em cada andar ao longo da coluna promove o enriquecimento do vapor no componente mais volátil Quanto maiores forem as volatilidades relativas maior o enriquecimento do vapor no componente mais volátil 4 Os fatores que influenciam o projeto de colunas de destilação binária incluem 1 Vazão e condição de alimentação composição pressão temperatura 2 Grau desejado de separação entre os componentes 3 Pressão operacional deve estar abaixo da pressão crítica da mistura 4 Queda de pressão do vapor especialmente em operações à vácuo 5 Razão de refluxo mínima e real operacional 6 Número mínimo e real de estágios eficiência de estágio 7 Tipo do condensador total parcial ou misto 8 Grau de subresfriamento se houver no refluxo líquido 9 Tipo do refervedor parcial ou total 10 Tipo do equipamento pratos ou recheios ou ambos 11 Altura da coluna 12 Estágio de alimentação 13 Diâmetro da coluna e Dimensões do Refervedor 14 Internos e equipamentos auxiliares à coluna Uma coluna de destilação é dividida em duas seções conforme a Figura 4 Figura 4 Esquema de uma coluna de destilação de pratos 5 Retificação acima do prato de alimentação e esgotamento abaixo do prato de alimentação As colunas de pratos são constituídas por um casco cilíndrico vertical alongado no seu interior do qual há um certo número de pratos ou bandejas horizontais A alimentação é feita num ponto intermediário podendo haver também diversas alimentações ao longo da coluna O líquido percorre a coluna descendo de um prato para outro através de canais de descida Nestas colunas o líquido vai de um lado a outro das bandejas e o vapor sobe pela coluna borbulhando vigorosamente através do líquido e o escoamento é cruzado Existem casos em que não há canais de descida e neste caso as fases escoam em contracorrente pela coluna Este segundo tipo é bem menos comum que o primeiro Além do casco e bandejas ou recheio em seu interior uma coluna de fracionamento deve ter um refervedor na base e um condensador no topo A função do refervedor é produzir o vapor que sobe pela coluna O líquido retirado no refervedor é o produto pesado de cauda ou de fundo O condensador condensa os vapores que chegam ao topo da coluna e parte deste líquido retorna para o topo da coluna como refluxo e o restante é o produto leve de topo ou destilado O refluxo origina a corrente líquida que desce de prato em prato pela coluna Como mostra a figura 4 o refervedor gera um vapor de composição yw que é mais rico no componente mais volátil do que o produto de fundo Este vapor entra em contato com o líquido da placa superior 1 e se enriquece ainda mais no componente mais volátil Da placa 1 sãi um vapor de composição 𝑦1 𝑦𝑤 que ao passar pela placa 2 se enriquece novamente e produz outro vapor de composição 𝑦2 𝑦1 E assim o vapor vaise enriquecendo à medida que sobe pela coluna A coluna deverá ter o número de pratos suficiente para que o vapor que chega ao topo da coluna tenha composição yt desejada Uma parte do condensado retorna à coluna e constitui o refluxo R A relação 𝑟 𝑅 𝐷 chama se razão de refluxo e o condensado restante é retirado como destilado D Vejamos o que acontece com o líquido que desce pela coluna Na placa de topo o refluxo entra em contato com o vapor que vem da placa de baixo e perde volátil Desce para a placa seguinte e mais uma vez perde mais componente volátil e o mesmo ocorre cada vez que o líquido entra em contato com o vapor numa placa intermediária da coluna Finalmente o líquido produzido terá numa placa terá composição x tal que por vaporização 6 parcial no refervedor dá um líquido com composição xw especificado para o produto de fundo Observe que ao longo de toda coluna o vapor se enriquece progressivamente no pmponente mais volátil e o líquido se empobrece à medida que vai descendo da coluna 3 Método McCabe Thiele O método McCabe e Thiele pode ser aplicado tanto em processos contínuos como em processos em batelada Tratase de um método simples necessitando apenas do diagrama de equilíbrio líquidovapor y verus x apresentando bons resultados para componentes com calor latente de vaporização próximos No entanto este método é restrito somente para misturas binarias e exige a hipótese de vaporização equimolar como mostra o quadro a seguir V A soma do número de mols vaporizados e condensados deverá ser igual Se vaporizar 12 mols tem que haver condensação de 12 mols Não importa se evaporar 2 mols de A e 10 mols de B e condensar 8 mols de A e 4 mols de B L Considerações do Método McCabeThiele Os dois componentes têm valores iguais e constantes de entalpia de vaporização calor latente As mudanças de entalpia sensível dos componentes CPΔT e o calor de mistura são desprezíveis em comparação ao calor latente Perda de calor é desprezível coluna bem isolada A pressão é uniforme através da coluna não há perda de carga O método McCabeThiele pode ser aplicado a colunas de fracionamento nas seções de retificação seção de esgotamento e no estágio de alimentação como será visto a seguir 31 Método de McCabeThiele aplicado a colunas de retificação O método McCabeThiele aplicado a colunas de fracionamento A Figura 5 mostra um balanço de massa efetuado na seção de retificação 7 Figura 5 Balanço de massa na seção de retificação BG VP1 Lp D 1 BP para o componente mais volátil sendo zD a composição do componente mais volátil no destilado VP1 yp1 Lp xp D zD 2 Substituindo 1 em 2 Lp D yp1 Lp xp D zD rearranjando esta equação temse yP1 Lp LpD xP D LpD zD 3 Pela hipótese da vaporização equimolar o que vaporiza em cada estágio em mols de líquido é igual ao que condensa em mols de vapor Deste modo temos L0 L1 Lp Ln Vn1 Vn Vp1 V1 Considerando a hipótese da vaporização aplicada na equação 3 temse yP1 L0 L0D xP D L0D zD 4 Fazendo 𝑅 𝐿0 𝐷 sendo R a razão de refluxo e dividindo e multiplicando a equação 4 por D yP1 R R1 xP 1 R1 zD 5 8 A equação 5 é a equação de uma reta que relaciona a composição do vapor que chega num prato 𝑦𝑝1 com a composição do líquido que sai deste prato Construção da reta da equação 5 interseção da reta 𝑦 𝑥 com a reta da equação 5 y x y R R 1 x zD R 1 x R R 1 x zD R 1 x R 1 R x zD 𝐲 𝐱 𝐳𝐃 Construção gráfica da reta da equação 5 é mostrada na Figura 6 Figura 6 Representação gráfica da reta da seção de retificação Pelo gráfico da Figura 6 podese afirmar que uma coluna de retificação contendo 3 estágios de equilíbrio 3 pratos ao ser alimentada com uma mistura binária de composição zF em relação ao componente mais volátil conseguirá produzir um destilado D com composição zD mais concentrado neste componente Na figura 6 1 representa o primeiro prato da coluna 32 Método de McCabeThiele aplicado a colunas de esgotamento O método McCabeThiele pode ser aplicado a colunas de fracionamento na seção abaixo da alimentação ou seja na seção de esgotamento como mostra a Figura 7 9 Figura 7 Balanço de massa na seção de esgotamento BG LP1 Vp B 6 BP LP1 xp1 Vp yp B zB 7 zB é a composição do componente mais volátil no produto de fundo Substituindo 6 em 7 Vp B xp1 Vp yp B zB rearranjando esta equação temse yP VpB Vp xP1 B Vp zB 9 Pela hipótese da vaporização equimolar L0 Lp1 Ln Vn1 Vp V1 Fazendo 𝑉𝑛1 𝑉𝑝 yP Vn1B Vn1 xP1 B Vn1 zB 10 Fazendo Rv Vn1 B e dividindo e multiplicando a equação 10 por B yP Rv1 Rv xP1 zB Rv 11 A equação 11 representa uma reta que relaciona a composição do vapor que sai de um prato com a composição do líquido que chega neste prato 10 interseção da reta 𝑦 𝑥 com a reta da equação 11 y x y Rv 1 Rv x zB Rv x Rv 1 Rv x zB Rv x 𝑅𝑣 𝑅𝑣 1 zB 𝐲 𝐱 𝐳𝐁 Construção gráfica da reta da equação 5 é mostrada na Figura 8 Figura 8 Representação gráfica da reta da seção de esgotamento Pelo gráfico da Figura 8 podese afirmar que uma coluna de esgotamento contendo 3 estágios de equilíbrio 3 pratos ao ser alimentada com uma mistura binária de composição zF em relação ao componente mais volátil conseguirá produzir um destilado B com composição zB mais concentrado neste componente 33 Método de McCabeThiele aplicadono estágio de alimentação Assim como nos casos anteriores o método de MacCbeThiele pode ser aplicado na seção de alimentação como mostra uma coluna de fracionamento na Figura 9 A relação entre as correntes das seções de retificação e de esgotamento e por isso os declives das respectivas retas operatórias depende do estado térmico da corrente de alimentação que determina a sua entalpia A Fig 9 mostra uma coluna completa 11 Fig 9 Coluna de destilação com balaços nas seções de retificação VC1 esgotamento VC2 e na alimentação VC3 Fazendo um balanço molar ou mássico ao prato da alimentação ou seja em VC3 conforme a Figura 9 obtemos Fig 10 Balanço no prato de alimentação BG 𝐹 𝑉 𝐿 𝑉 𝐿 12 Rearranjando 𝑉 𝑉 𝐿 𝐿 𝐹 Do Volume VC1 Tínhamos BG 𝑉 𝐿 𝐷 13 BP 𝑉 𝑦 𝐿 𝑥 𝐷 𝑧𝐷 14 De VC2 tínhamos BG 𝐿 𝑉 𝐵 15 BP 𝐿 x 𝑉 𝑦 𝐵 𝑧𝐵 16 De 5 𝑉 𝑦 𝐿 x 𝐵 𝑧𝐵 De 3 𝑉 𝑦 𝐿 𝑥 𝐷 𝑧𝐷 Fazendo 16 14 𝑉 𝑉 𝑦 𝐿 𝐿 x 𝐵 𝑧𝐵 D 𝑧𝐷 17 Fazendo um balanço global e parcial em toda coluna Figura 9 BG 𝐹 𝐷 𝐵 18 BP 𝐹 𝑧𝐹 𝐷 𝑧𝐷 𝐵 𝑧𝐵 19 Da Eq 17 𝑉 𝑉𝑦 𝐿 𝐿 x 𝐵 𝑧𝐵 D𝑧𝐷 podemos ter 12 𝑉 𝑉 𝑦 𝐿 𝐿 x 𝐹 𝑧𝐹 20 Da Eq 12 𝐹 𝑉 𝐿 𝑉 𝐿 podemos rearranjar 𝑉 𝑉 𝐿 𝐿 𝐹 21 Substituindo 21 em 20 temos 𝐿 𝐿 𝐹 𝑦 𝐿 𝐿 x 𝐹 𝑧𝐹 22 Fazendo 𝐿𝐿 𝐹 𝑞 Dividindo todos os membros da Eq 22 por F temos 𝐿𝐿 𝐹 1 𝑦 𝐿𝐿 𝐹 𝑥 𝑧𝐹 Desta forma 𝑞 1 𝑦 𝑞 𝑥 𝑧𝐹 multiplicando por 1 1 𝑞 𝑦 𝑞 𝑥 𝑧𝐹 isolando y temos 𝑦 𝑞 1𝑞 𝑥 𝑧𝐹 1𝑞 23 A Eq23 é a equação de uma reta que irá descrever o prato de alimentação e que será denominado de reta q Localização da reta q Interseção da reta q com a reta y x 𝑦 𝑞 1 𝑞 𝑥 𝑧𝐹 1 𝑞 𝑦 𝑥 𝑥 𝑞 1 𝑞 𝑥 𝑧𝐹 1 𝑞 1 𝑞 𝑥 𝑞 𝑥 𝑧𝐹 𝑥 𝑞 𝑥 𝑞 𝑥 𝑧𝐹 𝑥 𝑦 𝑧𝐹 Portanto a reta operatória q representa a interseção das retas operatórias de retificação ROSA e de esgotamento ROSE Num diagrama yx a linha q é uma reta com declive 𝑞1 𝑞 passa pelo ponto xyzF e é o lugar geométrico dos pontos de encontro das retas operatórias das seções de retificação e de esgotamento Na Fig 11 a reta da alimentação corresponde a uma mistura parcialmente vaporizada 0 q 1 isto é quando o declive 𝑞 𝑞1 é negativo A Fig 12 exemplifica o efeito das condições térmicas da corrente de alimentação nas correntes de líquido e de vapor nas seções de retificação e de esgotamento A Fig 13 e a Tabela 1 mostram o efeito das condições de alimentação no declive da reta q 13 Fig 11 Linha de equilíbrio líquidovapor e retas operatórias do método de McCabe Thiele Fig 12 Valores possíveis de q e suas relações com as correntes de líquido e de vapor que circulam no interior da coluna e destilação Tabela 1 Condições térmicas da alimentação TF Temperatura da alimentação Tbo Temperatura do ponto de bolha Tpo temperatura do ponto de orvalho 14 Alimentação Condição Valor de q q1q Relações entre as vazões 𝑳 Líquido subresfriado hF hf q 1 1 𝐿 𝐿 𝑉 𝑉 𝐿 𝐹 𝑓 𝑉 Líquido saturado hF hf 1 𝐿 𝐿 𝑉 𝑉 𝐿 𝐹 Líquido vapor hf hF Hf 0 q 1 0 q 1 𝐿 𝐿 𝑉 𝑉 𝐿 𝑚 𝐹 Vapor saturado HF Hf 0 0 𝐿 𝐿 𝑉 𝑉 𝐿 Vapor superaquecido HF Hf q 0 Entre 0 e 1 𝐿 𝐿 𝑉 𝑉 𝐿 𝑛 𝐹 𝑓 fração da corrente 𝑉 que se condensa e se soma a alimentação 𝑚 da alimentação que é líquida 𝑛 fração da vazão de líquido que se vaporiza Fig 13 Efeito das condições térmicas da alimentação no declive da linha q Conforme foi mostrado na equação 12 BG 𝐹 𝑉 𝐿 𝑉 𝐿 12 Um balanço de entalpia na Fig 10 Temse 𝐹 ℎ𝐹 𝐿 ℎ𝐿 𝑉ℎ𝑉 𝑉 ℎ𝑉 𝐿 ℎ𝐿 24 Foi também assumido que 𝑞 𝐿𝐿 𝐹 15 Rearranjando a equação 12 temos 𝑞 1 𝑉 𝑉 𝐹 Combinando as equações 12 24 e 𝑞 1 𝑉𝑉 𝐹 chegamos a 𝑞 𝐿𝐿 𝐹 ℎ𝑉ℎ𝐹 ℎ𝑉ℎ𝐿 25 Em que hV hL e hF são respectivamente as entalpias do vapor saturado para yzF do líquido saturado para xzF e da alimentação A Fig 14 mostra os valores de q no diagrama entalpiacomposição Assim se a alimentação for um líquido saturado ou um vapor saturado ou uma mistura líquidovapor q é a fração da alimentação que é líquida A condição térmica da alimentação relaciona as diferenças entre as correntes de líquido e de vapor das seções de retificação e de esgotamento Quando a alimentação for por exemplo um líquido saturado q1 a corrente de vapor é constante ao longo da coluna e a corrente de líquido da seção de esgotamento excede o da seção de retificação exatamente pela corrente da alimentação Fig 14 Simplificação de q num diagrama entalpiacomposição Referências Azevedo EG Alves AM Engenharia de Processos de Separação Guide Artes Gráfica Ltda 794p 2017 Gomide R Operações Unitárias Volume IV 448p 1980