ENTENDENDO O DIMENSIONAMENTO DE TORRES DE DESTILAÇÃO

A definição do processo de destilação pode ser escrita como: “a separação de dois ou mais componentes presentes em uma mistura por meio de suas volatilidades”.

Antes de partir para o dimensionamento de uma torre de destilação é essencial entender como essa operação funciona.

O que basicamente acontece dentro deste equipamento é a entrada de uma corrente de mistura e uma corrente de vapor que, dentro da torre, irão entrar em contato fazendo com que a temperatura da mistura aumente, o que promove a transferência de massa do componente mais volátil da mistura para a forma de vapor. Sendo assim, no topo da torre sairá a corrente de vapor rico com o componente mais volátil, e no inferior da torre sairá o líquido, rico em componente menos volátil.

Figura 1. Coluna de destilação do tipo torre de pratos com o fluxo contracorrente. Adaptado de Nadler, 2015.
Figura 2. Representação da torre de destilação e as correntes empregadas no processo.

A linha de operação de alimentação deve ser determinada identificando quanto a alimentação, se é com líquido sub-resfriado, líquido saturado, líquido-vapor, vapor saturado, e vapor superaquecido.

O contato no interior da coluna é promovido através dos pratos (torre de pratos) ou enchimentos (torre de recheios), dispostos em unidades dentro da coluna, chamadas de estágios. (clique aqui e veja a diferença entre eles).

A cada passagem pelos estágios, as composições da corrente de líquido e de vapor se alteram até que se estabeleça o ponto de equilíbrio, denominado estágio de equilíbrio.

Sendo assim, é essencial analisar a relação entre as fases, por meio de cálculos e gráficos, para compreender onde é a posição de equilíbrio. Isto irá auxiliar para dar continuidade no projeto da coluna, como o número total de estágios reais.

Sabe-se que a quantidade de pratos da torre não corresponde exatamente ao número de andares de equilíbrios, na prática, um andar de equilíbrio (estágio teórico) precisa de mais de um prato (estágio real). A eficiência da coluna é influenciada por diversos fatores, mas pode ser calculada pela fração de quantidade de estágios teóricos por número de pratos.

Figura 3. Esquema demonstrando os estágios da torre de destilação. Fonte: Geankoplis, 1993.

No estágio de equilíbrio acontece a última transferência de massa da operação. As correntes, ao saírem separadas, são denominadas de V1 e L1 e abandonam a coluna com suas devidas composições xN(líquido) e y1 (vapor).

Figura 4. Demonstração das correntes que saem do estágio de equilíbrio. Fonte: Foust, 1982.

Um dos caminhos para se calcular o número de estágios é adotar a mínima quantidade de estágios possíveis, através do refluxo total. Sendo assim, as condições de operação podem ser estabelecidas, o refluxo total apresenta número mínimo de estágio e o refluxo mínimo apresenta quantidade infinita de estágios. Para o projeto da torre, normalmente, não se permanece na região de refluxo total ou refluxo mínimo, portanto a quantidade real de estágios deve ser encontrada relacionando os dois valores.

Quanto maior o refluxo menor é a quantidade de estágios, o que torna os custos iniciais do projeto mais barato, porém acarreta no aumento das cargas térmicas do refervedor e do condensador, acarretando em custos mais elevados de operação.

Figura 5. Variação no número de estágios (N) com relação ao valor de refluxo (Lo/D). Fonte: Foust, 1982.

Portanto, a razão de refluxo é encontrada para determinar a melhor condição de operação em níveis econômicos com relação ao custo do equipamento (número de estágios) e custos de energia na operação (refervedor e condensador).

Outras variáveis são calculadas, como perdas de carga, altura e diâmetro da coluna, altura do recheio (para torres de enchimento), quantidade de pratos e distanciamento entre eles (para torres de pratos), área de passagem do componente gasoso, entre outras.

Nas torres de pratos perfurados, por exemplo, é necessário determinar a área dos orifícios, seu diâmetro, assim como sua angulação, caso contrário, se não forem bem projetados, podem acarretar em problemas no funcionamento da operação.   

Possíveis problemas na operação ou no dimensionamento

Vários fatores podem influenciar na perda de eficiência do processo de destilação, um deles é o vazamento de líquido pelas perfurações onde o vapor (ou gás) passa – isso na torre de pratos.

A área das perfurações deve ser bem calculada, assim como a pressão do componente gasoso deve ser controlada a partir de sua velocidade mínima permitida de operação, pois nos casos de gotejamento da corrente líquida pelos orifícios ocorre a perda considerável de rendimento devido à menor transferência de calor e massa. Esse problema de operação pode ser resolvido aumentando a pressão do componente gasoso, a fim de evitar que o líquido passe pelas perfurações de passagem do gás.

            A inundação da coluna de destilação é um problema inverso ao proposto acima. Na inundação, o líquido não consegue escoar para os seguintes andares devido à velocidade da corrente gasosa, que promove o arraste do líquido até o andar superior. Esse caso pode ser resolvido ao diminuir a velocidade do componente gasoso.

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.