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11 JANEIRO 2020 Pesquisa ...
FUNDAMENTOS
| Imprimir | Destilação Fundamentos Andar em Equilíbrio Destilação Fraccionada Dispositivos de Contacto no Interior da Coluna (Internals) Misturas Binárias Destilação Flash Destilação Fraccionada Descontínua Eficiência da Coluna Azeótropos
DESTILAÇÃO
A Destilação é uma das muitas operações de separação (Operações Unitárias, como se designam em Engenharia Química – ver História da Engenharia Química ) utilizada quer a nível laboratorial quer industrial, para purificar as correntes do Processo (Matérias Primas ou Produtos). A separação por destilação só é possível se os diferentes componentes da mistura a separar tiverem volatilidades diferentes ou seja, pontos de ebulição diferentes. Estas diferenças estão necessariamente relacionadas com diferenças nas forças intermoleculares de cada componente, dependentes das respectivas estruturas moleculares, o que conduz a pressões de vapor diferentes para os vários componentes da mistura. A Pressão de Vapor de um líquido a uma dada temperatura é a pressão na situação de equilíbrio (quando o número de moléculas que deixam o líquido é igual ao das que retornam), exercida pelas moléculas que passam através da superfície livre. Diz-se que um líquido entra em ebulição quando a sua pressão de vapor iguala a pressão ambiente. Os líquidos com pressões de vapor elevadas entram em ebulição a temperaturas mais baixas (para uma dada pressão total). Diz-se, por isso, que são mais voláteis ( Termodinâmica Química e Simulação Molecular do Equilíbrio Liquido/Vapor ).
A operação de Destilação tem muitas e variadas aplicações a nível industrial, mas a aplicação mais conhecida é na Indústria Petroquímica, na separação do petróleo (crude) em fracções de hidrocarbonetos com diferentes gamas de peso molecular. Contudo, existem muitos outros processos industriais que utilizam a Destilação, como seja na produção de polímeros, nas indústrias alimentares e farmacêutica, na reciclagem de óleos e, também, na indústria dos biocombustíveis, por exemplo na purificação do bioetanol, e até na dessalinização da água.
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FUNDAMENTOS
A Destilação é o processo pelo qual uma mistura (líquido ou vapor) é separada em duas correntes de composição diferente (uma rica nos componentes mais leves, de menor ponto de ebulição, o Destilado, e outra rica nos componentes mais pesados, de maior ponto de ebulição, o Resíduo) por fornecimento ou remoção de calor.
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A destilação baseia-se no facto de que quando se processa a vaporização parcial de uma mistura (aquecendo-a até à ebulição), produz-se um vapor mais rico nos componente de menor ponto de ebulição do que a mistura inicial (alimentação), enquanto que o líquido, que em cada instante ainda se mantém no recipiente, vai ficando cada vez mais rico nos componentes menos voláteis, de maior ponto de ebulição (mais rico nesses componentes do que a alimentação inicial e do que o vapor que está a ser produzido na mesma altura). Isto é o que acontece na Destilação Laboratorial de uma mistura (ver Figura 1). O vapor produzido é normalmente condensado e, assim, no processo de destilação laboratorial obtêm-se dois líquidos: o que está no balão (Resíduo), rico nos componentes menos voláteis, e o condensado (Destilado), rico nos componentes mais voláteis da mistura inicial.
Figura 01: Destilação Laboratorial.
A Figura 2 ilustra, no diagrama Txy (Diagrama de Pontos de Ebulição: Temperatura (T) de bubble point ou de condensação ( dew point ) em função da composição do vapor (y) ou do líquido saturados (x) a essa mesma temperatura (ver Termodinâmica Química ), a vaporização parcial de uma mistura líquida (L 0 ) de A+B, a
pressão constante.
Figura 02: Representação da vaporização parcial de uma mistura líquida (L 0 ) no diagrama T,xy.
Quando L 0 aquece desde a temperatura Tinicial até à temperatura Tfinal, de tal modo que ocorre a vaporização parcial de L 0 , produz-se um líquido saturado (L) de composição xL,A e um vapor saturado (V), em equilíbrio
com o líquido, e de composição yV,A. Isto é, realiza-se a separação parcial dos compostos A e B da mistura
líquida L 0. A designa o componente mais volátil da mistura, x e y as fracções molares desse componente, respectivamente nas fases líquida e vapor e B designa o componente menos volátil da mistura.
Se promovermos a vaporização parcial de uma mistura com o equipamento da Figura 1, podemos dizer que, em cada instante, o líquido e o vapor que estão a ser produzidos estão em equilíbrio à temperatura de saturação. Isso leva-nos à noção de Andar em Equilíbrio.
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ANDAR EM EQUILÍBRIO
Figura 05: Esquemas de revaporizadores.
Genericamente, a coluna de destilação fraccionada pode considerar-se constituída por uma série de andares em equilíbrio que vão promovendo, sucessivamente, o enriquecimento, nos componentes mais voláteis, da fase vapor que sobe na coluna, e nos componentes menos voláteis, da fase líquida que desce na coluna. Para cada andar é necessário ir calculando, sucessivamente, a temperatura de bubble point (ver Termodinâmica Química ) do líquido no andar, a qual será a temperatura do andar teórico. A zona acima da alimentação designa-se por zona de rectificação, enquanto que a zona abaixo se designa por zona de esgotamento.
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DISPOSITIVOS DE CONTACTO NO INTERIOR DA COLUNA ( INTERNALS )
Na prática, o contacto entre fases em cada andar em equilíbrio é promovido fisicamente através dos chamados “pratos” da coluna de destilação (coluna de pratos) ou através de uma dada altura de enchimento (coluna de enchimento).
Figura 06: Esquema do funcionamento dos pratos numa coluna de destilação.
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MISTURAS BINÁRIAS
Se representarmos, para um sistema binário a pressão total constante, a composição do vapor e do líquido em equilíbrio, diagrama y,x (Figura 7), podemos facilmente visualizar se a separação por destilação será fácil ou difícil. Quanto mais afastada da diagonal estiver a curva de equilíbrio, mais fácil será separação por destilação. Na Figura 7 (a) a separação por destilação é mais fácil do que no caso (b).
Figura 07: Diagramas de equilíbrio y,x.
No caso dos sistemas binários (misturas de apenas dois componentes), é possível representar no diagrama yx , os vários andares em equlíbrio da coluna de destilação fraccionada. A Figura 8 mostra o traçado característico dos vários andares teóricos da coluna de destilação (representados no diagrama yx pelos degraus) desde a composição xD do Destilado, à composição xB do Resíduo ( Método de McCabe-Thiele ).
Figura 09: Esquema de uma destilação flash.
A Destilação “Flash” só permite um grau de separação razoável se a diferença de volatilidade entre os dois compostos a separar (A e B) for elevada.
A Destilação Flash (comum nas refinarias de petróleo) usa-se, normalmente, para um primeiro tratamento da mistura, sendo as duas correntes produzidas submetidas a tratamentos de destilação subsequentes.
Também nos sistemas de dessalinização da água se recorre a unidades sucessivas de Destilação Flash. A água é aquecida e bombeada para um tanque a baixa pressão onde se vaporiza repentinamente. O vapor que se forma é condensado e retirado como água pura. O líquido não vaporizado segue para a unidade flash seguinte (ver Figura 10).
Figura 10: Esquema de uma unidade de dessalinização da água do mar por Destilação.
Os sistemas de destilação de que se falou até aqui são equipamentos de destilação contínuos que funcionam em estado estacionário (condições constantes que não variam com o tempo).
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DESTILAÇÃO FRACCIONADA DESCONTÍNUA
Também se podem utilizar em destilação equipamentos descontínuos É o que acontece, por exemplo, quando se executa uma destilação laboratorial (ver Figura 1). A destilação laboratorial pode incluir uma coluna de fraccionamento laboratorial, como na Figura 11, com vista a aumentar o grau de separação conseguido.
No caso da destilação descontínua, a composição dos produtos (destilado e líquido no balão) variam com o tempo de destilação, assim como a temperatura de ebulição no balão e a de condensação do destilado.
A nível industrial pode ser interessante optar por uma destilação descontínua se a alimentação estiver sujeita a grande variabilidade ou se for necessário alterar frequentemente as especificações pretendidas para os produtos.
Figura 11: Esquema de uma destilação fraccionada laboratorial.
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EFICIÊNCIA DA COLUNA
É preciso ter em conta, na construção da coluna de destilação, que cada prato da coluna não coincide exactamente com o andar em equilíbrio em que se baseia o projecto. Na prática, a separação em cada andar nunca atinge o equilíbrio entre o líquido e o vapor e, por isso, a separação teórica conseguida num andar em equilíbrio corresponde, na realidade, a mais do que um prato. A razão entre o número de andares teóricos necessários à separação e o número de pratos que a coluna tem de ter designa-se por eficiência da coluna. A eficiência é função de vários parâmetros, nomeadamente do tipo de prato usado (para mais informações consulte Distillation ).
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AZEÓTROPOS
De um modo geral as misturas que queremos separar por destilação são mais complexas do que as misturas binárias (A+B) descritas na Figura 7. Assim, podemos por exemplo ter misturas em que o diagrama yx não é monotónico mas apresenta uma inversão na curva como por exemplo na Figura 12.
Diagrama yx para o sistema etanol/água à pressão atmosférica ( Destilação/Casos de Estudo ).
Azeótropo de Ponto de Ebulição Mínimo
Importa notar que a destilação é ainda o processo de separação mais comum na indústria. Contudo, pela sua natureza, requer quantidades enormes de energia, seja no aquecimento da coluna seja no sistema de arrefecimento do destilado (condensador). Em muitos casos chega a contribuir para mais de 50% dos custos de operação da unidade industrial. Assim, a melhor forma de reduzir esses custos de operação é melhorando a eficiência da coluna através de uma optimização do processo e do controlo adequado das unidades. O Engenheiro Químico é, no processo industrial (seja ele a refinaria, a unidade de dessalinização, a fábrica da área alimentar que produz, por exemplo, bebidas, a fábrica da área farmacêutica onde se produzem desinfectantes ou outros medicamentos, a unidade de produção de biodiesel, etc.) o Engenheiro credenciado para levar a cabo essa optimização.
Informações mais detalhadas sobre a operação de Destilação (mecanismos e projecto) podem ser encontradas noutra secção deste portal ( Destilação/Fundamentos ) ou ainda em “Introduction to Distillation” , e também em: Kister, H. Z. (1990), Distillation Operation, McGraw-Hill, New York. Sobre EquIlíbrio Líquido/Vapor consulta também simulação molecular VLE e simulação de gás ideal.
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