TORRE DE PRATOS E TORRE DE RECHEIOS – VANTAGENS E DESVANTAGENS

Nos processos de separação, como destilação, absorção e dessorção, as colunas empregadas possuem unidades chamadas de estágios. Esses estágios têm a finalidade de proporcionar o contato completo entre as fases da operação, de forma que melhor aconteça a transferência de massa entre elas.

Cada estágio deve promover a mistura e separação completa das duas fases, sendo elas transportadas para os seguintes, até o estágio de equilíbrio.

O equipamento, para proporcionar o maior contato e mistura /separação eficiente, possui em seu interior pratos ou enchimentos. A escolha entres eles dependem das características das fases empregadas.

TORRE DE PRATOS

A coluna de pratos possui diversos andares onde na operação líquido-gás, a fase líquida escoa e se distribui pelo prato e a fase gasosa passa por ela ascendentemente, se dispersando no líquido.

Esquema da coluna de pratos com fluxo contracorrente. Adaptado de Nadler, 2015.
  • Pratos perfurados: a fase gasosa se dispersa no líquido ao passar pelas perfurações das bandejas. Geralmente as torres de pratos perfurados são mais baratas.
Ilustração de torre de pratos com bandejas perfuradas e fluxo cruzado. O líquido escoa pela bandeja enquanto o vapor passa pelos orifícios fluindo ascendentemente. Empregado tanto para sistemas líquido-gás quanto para sistemas líquido-líquido. Fonte: Geankoplis, 1993.

Deve-se tomar cuidado aqui com as limitações do uso deste tipo de perfuração simples, pois quando a velocidade do gás é baixa pode ocorrer o vazamento de líquido pelos orifícios de passagem do gás, o que leva à uma queda significativa da eficiência do estágio. 

Pensando nisso, existem também os pratos perfurados com válvulas 

Bandeja valvulada.

É possível encontrar diversos modelos de válvulas, mas todas possuem a mesma função. As válvulas possuem opérculos, esses são móveis e levantam-se conforme o gás flui pelas perfurações da bandeja, e abaixam-se quando a velocidade do gás diminui, o que impede que o líquido escoe pela passagem de gás, evitando um vazamento do líquido em baixas pressões.

Além disso, as válvulas proporcionam uma melhor dispersão da fase gasosa na camada líquida, pois elas direcionam o gás de forma que ele flua horizontalmente, melhorando a transferência de massa – outra vantagem ao comparar com os pratos de perfuração simples, pois sem as válvulas o gás passa pelo líquido verticalmente.

Outro esquema de pratos perfurados é a com um vertedouro circular no centro da bandeja.

Fluxo contracorrente com o escoamento do líquido representado pela seta cheia e escoamento da fase gasosa indicado pela seta fina. Fonte: Foust, 1982.
  • Pratos com borbulhadores (ou campânulas): os borbulhadores são dimensionados para tornar o vazamento mínimo do líquido pelo canal do gás, sendo assim, eles dispersam o gás na fase líquida de forma que evite que o líquido escoa pelas passagens da fase gasosa.
Fluxo ascendente de gás e descendente de água. O gás flui através dos borbulhadores e se dispersa no líquido. Fonte: Geankoplis, 1993.

Prato com borbulhadores. A camada líquida cobre as fendas por onde o gás passa, escoando pelo prato até o estágio seguinte.

Além de minimizar a quantidade de líquido que escoa pela passagem do gás, os borbulhadores mostram eficiência constante. Porém, são relativamente caros, dando espaço frequentemente para o uso de pratos perfurados com válvulas. 

TORRES DE RECHEIO

Nas torres com enchimento, o líquido escoa pelo recheio entrando em contato com o gás que flui em contracorrente.

Este tipo de torre possui vantagens principalmente pela diversidade de opções de modelos de recheios com variadas geometrias e materiais.

Dependendo da pressão e velocidade empregada é necessário um modelo de recheio que apresente maior superfície de contato, ou então, dependendo das propriedades do fluido é possível escolher um recheio com um material mais resistente, como é o caso em operações com fluidos corrosivos, onde se utiliza recheios de cerâmica.

As torres de recheio são empregadas, geralmente, quando se tem coluna com diâmetros pequenos (≤ 9 m), operações com valores baixos de pressão e necessitam de distribuidores e redistribuidores de líquidos durante a passagem na coluna.

Coluna de recheio aleatório/randômico e recheio estruturado. Adaptado de Nadler, 2015.
  • Recheios aleatórios ou randômicos: Esses recheios ficam distribuídos aleatoriamente pela área da coluna, sendo de diversas geometrias e materiais (cerâmicas, metal, plástico ou carvão)
Tipos de recheios aleatórios. Fonte: Processos Unitários Orgânicos
Anéis de Rasching de cerâmica. Recebem esse nome em homenagem ao seu inventor, o químico alemão FriderichRasching.
  • Recheio estruturado: Os recheios estruturados são colocados na coluna de forma mais organizada, proporcionam menores perdas de carga e maior eficiência na transferência de massa, porém são mais caros comparados aos recheios aleatórios.
Recheio estruturado

É comum encontrar distribuidores de líquido no topo das torres e redistribuidores no percurso dentro da coluna. Esses dispositivos fazem com que o líquido, ao entrar na coluna, se distribua uniformemente por toda área e continue assim durante o trajeto até o fim da coluna, fazendo com que não ocorram regiões secas.

Coluna de recheio aleatório com distribuidor de líquido no topo e redistribuidor no centro.
Tipos de distribuidores.

REFERÊNCIAS

FOUST, A.S., WENZEL, L. A., CLUMP, C.W., MAUS, L., ANDERSEN, L.B. Princípio das Operações Unitárias. Parte 1. Capítulo 2. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1982.

GEANKOPLIS, C. J. Transport Processes andUnit Operations. 3ª ed. Prentice Hall, Nova Jersey, 1993

NADLER, H. L. Análise da eficiência da recheio de uma coluna de separação de etilbenzeno e estireno. UFRGS. Porto Alegre. 2015.