Contato Gás-Líquido em Colunas de Pratos

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III OPIII04 DEST1 Contato gáslíquido Colunas de Pratos A função primária de um prato é a de proporcionar o contato estreito entre a totalidade do gás e a totalidade do líquido Para que as duas fases se separem deve haver no entanto um espaço livre entre os pratos Tipos de pratos Com borbulhadores campânulas Perfurados Com válvulas Contato gáslíquido Colunas de Pratos Campânulas Borbulhadores No início foram os mais utilizados em colunas de destilação e absorção É projetado de modo a dispersar a fase gasosa em bolhas finas no seio do líquido além de impedir que o líquido desça pelas passagens do gás quando este flui a velocidade baixa As colunas com borbulhadores podem ser operadas num amplo intervalo de velocidades de escoamento com altas eficiências de estágio Em virtude de serem relativamente caros cederam espaço à tipos mais modernos de pratos Contato gáslíquido Colunas de Pratos Pratos perfurados Tornaramse muito populares graças a simplicidade e ao baixo custo Consiste em uma chapa metálica provida com centenas de orifícios circulares diâmetro variando de 03 a 12 cm Nas baixas velocidades de gás pode ocorrer um vazamento líquido escoando pelos orifícios reduzindo de forma significativa a eficiência do estágio Contato gáslíquido Colunas de Pratos Pratos perfurados Requerimentos para um projeto de qualidade O vapor circula apenas pelos orifícios ou regiões abertas dos pratos entre as duas condutas descendentes O líquido circula de prato para prato apenas através das condutas descendentes O líquido não goteja pelos orifícios nem é arrastado pelo vapor para o prato superior O vapor não é arrastado nem borbulha no líquido que sai pela conduta descendente Contato gáslíquido Colunas de Pratos Válvulas Modificação dos pratos perfurados onde as perfurações são cobertas por placas móveis válvulas As válvulas são movidas pelo fluxo de gás Direcionam o fluxo horizontalmente proporcionando uma mistura mais eficiente que nos pratos perfurados simples As perfurações nas bandejas valvuladas são geralmente maiores que nos pratos perfurados simples 38 cm Contato gáslíquido Colunas de Pratos Principais anomalias no funcionamento de uma coluna de pratos Gotejamento A velocidade do vapor é tão baixa que o líquido consegue gotejar através dos orifícios o que faz diminuir significativamente a eficiência do prato Despejo Gotejamento elevado ou seja o líquido escoa em grande quantidade pelas perfurações do prato Contato gáslíquido Colunas de Pratos Principais anomalias no funcionamento de uma coluna de pratos Coalescência das bolhas A vazão de líquido é tão baixa que pode causar a coalescência das bolhas de vapor A área de transferência de massa e consequentemente a eficiência dom prato são significativamente reduzidas Arrasto O vapor arrasta consigo para o prato superior um excesso de gotículas de líquido Inundação do tipo I A espuma instável atinge o andar imediatamente acima Os andares se confundem e a coluna perde eficiência global e são significativas as quantidades de líquido que sobem na coluna conduzindo a um aumento de nível nas condutas descendentes até não haver escoamento suficiente de líquido Inundação tipo II As perdas de carga entre os pratos são tão altas que o nível de líquido nas condutas descendentes atinge o prato superior inundando a coluna Contato gáslíquido Colunas de Pratos Principais anomalias no funcionamento de uma coluna de pratos Inundação Contato gáslíquido Colunas de Pratos Características de operação de uma coluna de pratos Como visto anteriormente as velocidades relativas de líquido e vapor na coluna definem um domínio satisfatório de operação Tal domínio é esquematizado na figura abaixo Contato gáslíquido Colunas de Pratos Informações gerais sobre projeto de colunas de pratos O Diâmetro de uma coluna é determinado pelo volume de fase gasosa que passa por ela Gases escoando com velocidades elevadas provocam altas quedas de pressão impondo maior distância entre os pratos afim de se ter uma pressão hidrostática suficiente para o líquido escoar O escoamento de líquido sobre o prato deve proporcionar uma profundidade suficiente para a cobertura adequada dos canais de gás usase vertedores de saída O arraste transporte de gotículas de líquido pela fase gasosa para um prato superior deve ser minimizado pois afeta a eficiência do estágio O arraste ocorre geralmente em altas velocidades de escoamento de gás logo o diâmetro da coluna deve ser ajustado para fornecer uma velocidade de gás que torne mínimo o arraste Contato gáslíquido Colunas de Pratos Informações gerais sobre projeto de colunas de pratos A formação de espuma num prato proporciona maior área superficial de contato no entanto um espumejamento excessivo pode acarretar um arraste elevado A inundação da coluna pode ocorrer quando há um arraste excessivo ou quando há um acúmulo demasiado de líquido no vertedor descendente O espaçamento entre os pratos deve ser pelo menos de 60 cm para permitir que o pessoal da manutenção opere entre as bandejas Contato gáslíquido Colunas de Pratos Considerações finais sobre coluna de pratos O projeto de uma coluna de pratos é uma tarefa complexa e baseada no conhecimento empírico adquirido ao longo de décadas de experiência Este conhecimento é geralmente organizado em manuais imprescindíveis em cálculos de projeto destas colunas O dimensionamento completo de uma coluna não faz parte do objetivo desta disciplina Trataremos apenas da fase preliminar do projeto determinação do número de pratos necessários para a operação de separação e de alguns parâmetros fundamentais do projeto cálculo da altura e diâmetro da coluna Contato gáslíquido Colunas de Recheio Possibilitam o contato contínuo entre duas fases fluidas Consistem em cascos verticais preenchidos por um material apropriado recheio com grande área superficial Contato gáslíquido Colunas de Recheio O recheio por si só não distribui o líquido adequadamente através da coluna Alternativa uso de distribuidores de líquido Particularidades de torres de recheio Contato gáslíquido Colunas de Recheio Caminhos preferenciais o fluido tende a deslocarse para a região de maior espaço vazio próximo as paredes Alternativa uso de redistribuidores de líquido a fim de redirecionar o fluido para o centro do recheio um a cada 3 a 6 metros Particularidades de torres de recheio Contato gáslíquido Colunas de Recheio Particularidades de torres de recheio É necessário o uso de suportes de leito que não devem oferecer impedimento ao fluxo no interior da coluna Exemplo de suportes de base servem também para promover uma boa distribuição do gás Contato gáslíquido Colunas de Recheio Particularidades de torres de recheio Também é necessário o uso de suportes no topo do leito o qual tem a função de prevenir o deslocamento ou expansão do leito quando submetido a altas quedas de pressão Exemplo de suportes de topo Características desejáveis para o recheio Deve proporcionar uma área superficial molhada específica elevada Deve ter um grande volume de vazios possibilitando o escoamento das fases sem excessiva perda de pressão Deve ser resistente a corrosão Deve ter baixa massa específica em alguns casos o peso do recheio pode acarretar problemas de sustentação Deve ser relativamente barato Contato gáslíquido Colunas de Recheio Tipos de recheio Contato gáslíquido Colunas de Recheio Anéis de Raschig Tipos de recheio Contato gáslíquido Colunas de Recheio Anéis de Pall Tipos de recheio Contato gáslíquido Colunas de Recheio Recheios estruturados Colunas de Recheio versus Coluna de Pratos Em condições ideais as colunas de prato propiciam um contato mais efetivo entre as fases mediante as sucessivas etapas de mistura e separação As colunas de recheio podem sofrer os efeitos de formação de canais caminhos preferenciais ou de retromistura As colunas de prato podem operar com maiores cargas de líquido sem risco de inundação do sistemas O processo de limpeza das colunas de prato é mais simples As colunas de recheio operam com menor queda de pressão A retenção de líquido é menor nas colunas recheadas As colunas de recheio são em geral mais econômicas para o processamento de líquidos corrosivos As colunas de recheio de pequenos diâmetros são geralmente mais baratas que as colunas de prato de mesma dimensão Colunas de Recheio versus Coluna de Pratos Colunas de Recheio versus Coluna de Pratos Regra geral Se utilizam colunas de pratos para separações em grande escala Condições favoráveis a colunas de recheio Colunas de pequeno diâmetro inferior a 1 m Meios corrosívos Destilação em condições de alto vácuo Líquidos com tendência a formação de espuma menor turbulência Condições favoráveis a colunas de pratos Colunas de grandes diâmetros eou muitas etapas Maiores riscos de incrustações fácil limpeza Maior resistência térmica e mecânica Baixas velocidades de líquido OBS As colunas de recheio são ligeiramente mais caras que as colunas de pratos OBS A eficiência de uma coluna de recheio diminui com o diâmetro enquanto em uma coluna de pratos o efeito é o inverso Colunas para contato gáslíquido absorção recheio Destilação mista Colunas para contato gáslíquido destilação