Operações Unitárias - Petrobrás, Provas de Tecnologia Industrial

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CURSO DE F ORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA

OPERAÇÕES UNITÁRIAS

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665.53 Roitman, Valter. R741 Curso de formação de operadores de refinaria: operações unitárias / Valter Roitman. – Curitiba : PETROBRAS : UnicenP, 2002. 50 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Financiado pelas UN: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP.

1. Operação unitária. 2. Química. 3. Balanço. I. Título.

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Apresentação

É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você.

Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife-

renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de

você e de seu perfil empreendedor.

Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o

Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada

pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos

que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria.

Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos

de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc-

nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po-

dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um

processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado

pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da

Petrobras.

Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras

fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar

seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na

Petrobras.

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Conceitos

Fundamentais sobre

Operações Unitárias

1.1 Introdução A disciplina denominada Operações Uni- tárias é aquela que classifica e estuda, separa- damente, os principais processos físico-quími- cos utilizados na indústria química. Os pro- cessos mais comuns encontrados nas indústrias químicas são a Destilação Atmosférica e a Vácuo , os processos de Absorção e Adsor- ção , a Extração Líquido-Líquido e Líqui- do-Gás , o processo de Filtração , assim como alguns mais específicos, como por exemplo, o Craqueamento Catalítico , Hidrocraquea- mento , Hidrotratamento de correntes ins- táveis e outros utilizados principalmente na In- dústria Petrolífera.

1.2 Conceitos Fundamentais Alguns conhecimentos são fundamentais para que se possa estudar de forma adequada a disciplina denominada Operações Unitárias, como conhecimentos sobre conversão de uni- dades , unidades que podem ser medidas linea- res, de área, de volume, de massa, de pressão, de temperatura, de energia, de potência. Outro conceito-base para “Operações Unitárias” é o de Balanço , tanto Material quanto Energético.

1.2.1 Conversão de unidades

É necessário conhecer as correlações exis- tentes entre medidas muito utilizadas na In- dústria Química, como é o caso das medidas de temperatura, de pressão, de energia, de massa, de área, de volume, de potência e ou- tras que estão sempre sendo correlacionadas.

Alguns exemplos de correlações entre medidas li- neares 1 ft = 12 in 1 in = 2,54 cm 1 m = 3,28 ft 1 m = 100 cm = 1.000 mm 1 milha = 1,61 km 1 milha = 5.280 ft 1 km = 1.000 m

Alguns exemplos de correlações entre áreas 1 ft^2 = 144 in 2 1 m^2 = 10,76 ft^2 1 alqueire = 24.200 m^2 1 km^2 = 10^6 m 2

Alguns exemplos de correlações entre volumes 1 ft^3 = 28,32 L 1 ft^3 = 7,481 gal 1 gal = 3,785 L 1 bbl = 42 gal 1 m^3 = 35,31 ft^3 1 bbl = 0,159 1 m^3

Alguns exemplos de correlações entre massas 1 kg = 2,2 lb 1 lb = 454 g 1 kg = 1.000 g 1 t = 1.000 kg

Alguns exemplos de correlações entre pressões 1 atm = 1,033 kgf/cm 2 1 atm = 14,7 psi (lbf/in 2 ) 1 atm = 30 in Hg 1 atm = 10,3 m H 2 O 1 atm = 760 mm Hg 1 atm = 34 ft H 2 O 1 Kpa = 10 –2^ kgf/cm 2

Algumas observações sobre medições de pressão:

• Pressão Absoluta = Pressão Relativa + Pressão Atmosférica
• Pressão Barométrica = Pressão Atmos- férica
• Pressão Manométrica = Pressão Rela- tiva

Alguns exemplos de correlações entre temperaturas tºC = (5/9)(tºF – 32) tºC = (9/5)(tºC) + 32 tK = tºC + 273 tR = tºF + 460 (temperatures absolutas)

Algumas observações sobre medições de temperatura: Zero absoluto = –273ºC ou – 460ºF (DºC/DºF) = 1, (DK/DR) = 1,

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Alguns exemplos de correlações entre potências 1 HP = 1,014 CV 1 HP = 42,44 BTU/min 1KW = 1,341 HP 1 HP = 550 ft.lbf/s 1KW = 1 KJ/s 1 KWh = 3.600 J 1KW = 1.248 KVA

Alguns exemplos de correlações de energia 1 Kcal = 3,97 BTU 1BTU = 252 cal 1BTU = 778 ft.lbf 1Kcal = 3,088 ft.lbf 1Kcal = 4,1868 KJ

1.3 Balanço Material Como se sabe, “na natureza nada se cria, nada se destrói, tudo se transforma”, ou seja, a matéria não é criada e muito menos destruída, e, portanto, num balanço material envolvendo um certo sistema, a massa que neste entra de- verá ser a mesma que dele estará saindo. No processamento uma tonelada, por exemplo, por hora de petróleo em uma refinaria, obtém-se exatamente uma tonelada por hora de produ- tos derivados deste processo, como gás com- bustível, GLP, gasolina, querosene, diesel e óleo combustível. A queima de um combustí- vel em um forno ou em uma caldeira é outro exemplo, porém menos evidente em que ocorre o mesmo balanço de massa: pode-se citar que durante a queima de 1 tonelada de um certo combustível em um forno ou uma caldeira, considerando-se que são necessárias 13 tone- ladas de ar atmosférico, tem-se como resulta- do 14 toneladas de gases de combustão. Em um Balanço Material, não se deve con- fundir massa com volume, pois as massas es- pecíficas dos produtos são diferentes. Assim, um balanço material deverá ser realizado sem- pre em massa, pois a massa de um certo pro- duto que entra em um certo sistema, mesmo que transformada em outros produtos, sempre será a mesma que está saindo deste sistema, enquanto os volumes sofrem variação confor- me a densidade de cada produto.

1.4 Balanço Energético Existem diversos tipos de energia, por exem- plo, Calor, Trabalho, Energia de um corpo em movimento, Energia Potencial (um corpo em posição elevada), Energia elétrica e outras. Assim como a matéria, a energia de um sistema não pode ser destruída, somente po- derá ser transformada em outros tipos de ener- gia, como por exemplo, o motor de uma bom- ba que consome energia elétrica e a transfor- ma em energia de movimento do líquido, ca- lor e energia de pressão.

A água, no alto de um reservatório, ao movimentar um gerador, transforma sua ener- gia potencial em energia elétrica, calor e ener- gia de movimento (energia cinética). Neste caso, o balanço de energia do sistema poderia ser representado pela seguinte expressão: Energia Potencial da água do reservatório = Energia elétrica fornecida pelo gerador + ca- lor de aquecimento do gerador + Energia de movimento da água após a turbina. No caso de um forno ou uma caldeira que aquece um certo líquido, o balanço de energia observado será: Calor liberado pela queima do combustível = Calor contido nos gases de combustão que saem do forno ou da caldeira + Calor contido nos produtos que deixam o forno ou a caldeira. É importante ressaltar que, muito embora as diversas formas de energia sejam medidas em unidades diferentes, tais como, energia elé- trica em KWh, trabalho em HP. h, calor em caloria, em um balanço energético é necessá- rio que todas as formas de energia envolvidas no balanço estejam expressas na mesma uni- dade de energia.

1.5 Sugestão para aplicação nos cálculos de Balanços Mássicos e Energéticos Como regra geral, antes de iniciar cálcu- los que evolvam balanços mássicos e/ou ba- lanços energéticos, deve-se: a) transformar todas as vazões volumétri- cas em vazões mássicas, pois o balan- ço deve ser realizado sempre em mas- sa, uma vez que a vazão em massa não varia com a temperatura. b) faça um esquema simplificado do pro- cesso em que serão realizados os ba- lanços; c) identifique com símbolos, as vazões e as composições de todas as correntes envolvidas nos processos em que es- tão sendo realizados os balanços; d) anote, no esquema simplificado de pro- cesso, todos os dados de processo dis- poníveis como vazões, composições, temperaturas, pressões, etc; e) verificar que composições são conhe- cidas ou podem ser calculadas; f) verificar quais vazões mássicas são conhecidas ou podem ser calculadas; g) selecionar a base de cálculo conveni- ente a ser adotada para o início da re- solução do problema.

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componentes leves no líquido residual vai sen- do esgotado. O destilado, que é o vapor con- densado, poderá ser coletado em porções se- paradas denominadas de cortes. Estes podem produzir uma série de produtos destilados com vários graus de pureza. Então, considerando-se uma mistura de três substâncias: Substância A – Muito volátil e em pe- quena quantidade, Substância B – Volatilidade média e em grande quantidade, Substância C – Muito pouco volátil e em pequena quantidade. Quando uma destilação em batelada ou destilação simples é efetuada, o primeiro cor- te, pequeno, conteria predominantemente qua- se toda a substância A, o segundo corte, gran- de, conteria quase toda a substância B, porém estaria contaminado com um pouco das subs- tâncias A e C, e o líquido residual seria, prati- camente, a substância C pura. Assim sendo, apesar dos três cortes conterem todas as três substâncias, alguma separação teria ocorrido neste processo de destilação.

2.3.1 Balanço Material e Térmico

Neste tipo de processo, é muito difícil efe- tuar um balanço material e térmico de forma instantânea, uma vez que as temperaturas, as- sim como as composições do líquido e do va- por variam continuamente. É evidente, porém, que, ao final desta operação, a soma do resíduo e do destilado deve ser igual à carga inicial do vaso.

2.4 Destilação por Expansão Brusca ou Destilação em um Único Estágio O processo de destilação por expansão brusca é uma operação em um único estágio, no qual uma mistura líquida é parcialmente vaporizada. As fases líquido e vapor resultan- tes deste processo são separadas e removidas da coluna. O vapor será muito mais rico na substância mais volátil do que na carga origi- nal ou no líquido residual.

Este tipo de operação é muito utilizado na primeira fase do fracionamento do petróleo em uma refinaria, pois esta torre reduz o tamanho da torre de fracionamento atmosférico.

2.4.1 Balanço Material

Segundo o princípio geral da conservação da matéria, o balanço material para este pro- cesso pode ser escrito da seguinte forma:

F = D + W

Em que: F = vazão mássica de carga D = vazão mássica de vapor W = vazão mássica de líquido

2.4.2 Balanço Térmico

De acordo com o princípio da conserva- ção de energia, o balanço energético para este processo pode ser escrito da seguinte forma:

Calor que entra no sistema = Calor que sai do sistema Q (^) F + Q (^) A = Q (^) D + Q (^) W

Em que: QF = conteúdo de calor da carga QA = conteúdo de calor cedido ao siste- ma pelo aquecedor QD = conteúdo de calor da carga QW = conteúdo de calor da carga

2.5 Destilação Fracionada A destilação fracionada é o tipo de desti- lação mais utilizada em indústrias de grande porte. Nos dois tipos de destilação abordados anteriormente, destilação em batelada e por expansão brusca, a separação das diversas substâncias que compõem a mistura é realiza- da de forma imperfeita ou incompleta. Na des- tilação fracionada, é possível a separação em várias frações, em uma mesma coluna, pois pode-se ter temperaturas, vazões e composi- ções constantes em um dado ponto da coluna. A destilação fracionada é uma operação de separação de misturas por intermédio de vaporizações e condensações sucessivas, que, aproveitando as diferentes volatilidades das substâncias, torna possível o enriquecimento da parte vaporizada, com as substâncias mais voláteis. Estas vaporizações e condensações sucessivas são efetuadas em equipamentos específicos, denominados de torres ou colu- nas de destilação. O processo, em linhas gerais, funciona como esquematizado na figura a seguir:

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A mistura a ser destilada é introduzida num ponto médio da coluna, ponto F, denomi- nado ponto de alimentação. No seu interior, a mistura irá descer até atingir a base da coluna onde encontrará aquecimento do refervedor. O refervedor, um trocador de calor aquecido por vapor d'água ou outra fonte térmica qual- quer, aquecerá a mistura até atingir sua tem- peratura de ebulição. Neste ponto, a mistura emitirá vapores que irão circular em sentido ascendente na coluna, em contracorrente com a mistura da alimentação da coluna. Os vapo- res ascendentes atingirão o topo da coluna e irão para um condensador, onde serão liqüe- feitos e deixarão a coluna como produto de destilação, D. Na base da coluna, a mistura, isenta de componentes mais voláteis, deixa o equipamento como produto residual, W. O processo, resume-se, então, em alimen- tar a coluna de destilação com a mistura que se quer separar, F, no ponto médio da coluna; fa- zer a circulação ascendente do vapor em contra- corrente com o líquido descendente da coluna, com remoção do destilado, D, no topo da torre e do líquido residual, W, no fundo da coluna. A volatilidade relativa do produto a ser des- tilado permite a separação dos componentes mais voláteis, e o contato íntimo entre as fases líquida e vapor ao longo da coluna promove a perfeita separação dos componentes desejados. Para melhorar a separação das frações de- sejadas, utiliza-se o retorno de parte do desti- lado, D, na forma de refluxo, Lo, que enrique- ce o produto de topo da coluna, D, com pro- dutos mais voláteis, melhorando a pureza do produto destilado, D.

Como pode ser observado, neste processo não existem reações químicas, somente troca térmica, devido ao refervedor de fundo e ao condensador de topo, e também troca de mas- sa entre o vapor ascendente e o líquido des- cendente no interior da coluna de destilação.

2.5.1 Colunas de destilação ou de retificação

As colunas de destilação são constituídas por três partes essenciais:

Refervedor É, geralmente, encontrado na base da co- luna de destilação, conforme pode ser obser- vado na figura a seguir:

Sua finalidade é proceder o aquecimento da base e, em conseqüência, promover a eva- poração dos componentes mais voláteis. Po- dem ser construídos com dispositivos de aque- cimento com vapor d'água, por aquecimento com circulação de frações de óleos quentes ou, até mesmo, através de resistências elétricas. Os vapores formados na base da coluna circu- larão de forma ascendente. Parte destes serão condensados ao longo do percurso na torre, retornando na forma líquida, permitindo, des- ta forma, um contato íntimo entre o vapor as- cendente e o líquido descendente ao longo da torre. Dependendo do tipo de interno da colu- na, o contato entre a fase líquida e vapor po- derá atingir níveis que melhorarão as condi- ções da separação desejada. Na coluna de destilação, os componentes mais pesados da mistura condensam e retornam à base da coluna, de onde são retira- dos como líquido residual, W. Os componen- tes mais leves atingem o topo da coluna e são retirados como produto destilado, D, após pas- sarem pelo condensador.

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Colunas com pratos perfurados Neste tipo de coluna, os pratos com bor- bulhadores são substituídos por pratos dota- dos de perfurações, cujo diâmetro varia entre 0,8 e 3 mm. O funcionamento é idêntico às colunas que utilizam pratos com borbulhado- res. Geralmente, neste tipo de coluna, não exis- te o tubo de retorno e os pratos ocupam toda a seção da coluna, porém existem projetos em que as colunas com pratos perfurados são do- tadas de tubo de retorno.

Colunas com Recheio Neste tipo de coluna, os pratos ou bande- jas são substituídos por corpos sólidos com formatos definidos. Estes corpos, denomina- dos recheios, podem ser anéis do tipo Rachig, Pall, Lessing ou ainda selas do tipo Berl, Intalox e outros. Alguns destes recheios po- dem ser observados na figura seguinte.

A finalidade do recheio é provocar o con- tato das fases líquido-vapor. Os corpos do re- cheio devem ser de alta resistência à corrosão, razão pela qual são, geralmente, de cerâmica ou de aço inoxidável. Dependendo da tempe- ratura do processo pode-se utilizar também recheios plásticos de alta resistência. As torres que utilizam recheios são muito competitivas com as torres que contêm pratos

com borbulhadores ou pratos perfurados e apre- sentam ainda algumas vantagens, tais como:

1. geralmente são projetos mais econômi- cos, por serem mais simplificados; 2. apresentam pequena perda de carga; 3. não estão sujeitas às formações de es- puma. Os recheios são disponibilizados em se- ções, sobre suportes de sustentação, o que im- pede uma compactação e/ou uma descompac- tação localizada, que formaria caminhos pre- ferenciais ao longo da coluna. O tamanho dos elementos dos recheios, geralmente, variam entre 0,5 e 8 cm.

2.5.2 Seções de uma Coluna de destilação

Como visto anteriormente, em uma colu- na de destilação, o vapor da mistura que sai de um prato atravessa o líquido do prato superior, deixando seus componentes menos voláteis. O calor liberado pela condensação destes com- ponentes vaporiza, então, os compostos mais voláteis do líquido contido no prato superior. Existe, portanto, uma troca de calor e massa ao longo das bandejas da torre e nota-se que, à medida que se sobe na coluna, os vapores tor- nam-se mais voláteis (mais leves) e, à medida que se desce na coluna, os líquidos tornam-se menos voláteis (mais pesados).

Seção de enriquecimento ou absorção É a parte da coluna compreendida entre o prato de entrada da carga e o topo da coluna. Nesta seção, são concentradas as frações ou substâncias mais leves (mais voláteis), ou seja, em todos os pratos acima do prato de alimen- tação, a percentagem de compostos mais le- ves é maior do que na carga. As substâncias mais pesadas são removidas dos vapores que ascendem, pelo refluxo interno de líquido que desce pelo interior da torre, líquido que tam- bém é denominado como refluxo interno.

Seção de esgotamento É a parte da coluna compreendida entre o prato de entrada da carga e o fundo da coluna. Nesta seção são concentradas as frações ou substâncias mais pesadas (menos voláteis), ou seja, em todos os pratos abaixo do prato de alimentação, a percentagem de compostos mais pesados é maior do que na carga. Os com- ponentes ou substâncias mais pesadas, são re- movidos dos vapores que ascendem, pelo re- fluxo de líquido que desce pelo interior da tor- re, também denominado de refluxo interno.

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2.5.3 Balanço Material

Neste processo, o balanço material deve- rá ser realizado nas várias seções da coluna, conforme figura a seguir:

Em que: V = vazão mássica do vapor de topo D = vazão mássica do produto de topo L = vazão mássica do refluxo externo F = vazão mássica da carga W = vazão mássica do produto de fundo Vm = vazão mássica de vapor na seção de absorção Vn = vazão mássica de vapor na seção de esgotamento Lm = vazão mássica de líquido na seção de absorção (refluxo interno) Ln = vazão mássica de líquido na seção de esgotamento (refluxo interno) QC = calor retirado pelo condensador QR = calor introduzido pelo refervedor qF = calor contido na carga qD = calor contido no produto de topo qW = calor contido no produto de fundo

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Na seção de esgotamento, tem-se o con- trário da seção de absorção, quanto mais va- por subir na torre por unidade de massa de líquido que desce, melhor será a separação nesta seção da torre, já que a finalidade, nes- ta região, é a remoção dos compostos leves (mais voláteis) do líquido que desce pela torre. Portanto, na seção de esgotamento, também denominada de stripping, quanto maior a razão ( Vn / L (^) n ), melhor será o fracio- namento. Resumindo, pode-se afirmar que, para uma determinada coluna, o grau de fracionamento é tanto maior quanto maior for a razão de re- fluxo interna.

Razão de Refluxo Versus número de pratos da Coluna Existe uma relação entre o número de pra- tos ou bandejas de uma coluna de destilação e a razão de refluxo interna ou externa deste equipamento. Quanto menor for o número de pratos ou bandejas de uma coluna, pior será seu fracio- namento. Podem ser construídas torres com grande número de pratos para operarem com pequena razão de refluxo interna, assim como torres com pequeno número de pratos e razões de refluxo interno elevadas, para uma carga com as mesmas características. Tendo em vista a relação anteriormente descrita, a condição de refluxo ou razão de refluxo mínimo corresponderá a uma coluna com um número infinito de pratos para que seja atingido o fracionamento desejado, assim como a condição de refluxo ou razão de reflu- xo total corresponderá a uma coluna com um número mínimo de pratos para que o fracio- namento desejado seja atingido. Nenhuma destas condições é satisfatória, uma vez que uma torre com número de pratos infinito é um projeto totalmente inviável economicamente, bem como a construção de uma coluna que não produza, pois para o refluxo total não se tem retirada de produtos, como pode ser veri- ficado pelo cálculo abaixo: Na seção de absorção, o seguinte balanço material é observado:

Vm = Lm + D Lm = V (^) m – D

Dividindo-se os dois termos da equação por Vm, tem-se que:

(Lm / V (^) m) = 1 – (D/Vm)

Quando ocorrer refluxo total, então D = 0, logo: (Lm / Vm) = 1 ® Lm = V (^) m, ou seja, a quan- tidade de líquido que desce na seção de absor- ção é igual à quantidade de vapor que sobe nesta seção, não havendo, portanto, produção. Na seção de esgotamento, observa-se o seguinte balanço material:

Ln = V (^) n + W Vn = Ln – W

Dividindo-se os dois termos da equação por L (^) n, obtém-se que:

(V (^) n / Ln) = 1 – (W/ L (^) n)

No caso da seção de esgotamento, todo o líquido residual será vaporizado no refervedor, então W = 0, então: (V (^) n / Ln) = 1 ® V (^) n = Ln, isto é, a quantida- de de vapor que sobe na seção de esgotamen- to é igual à quantidade de líquido que por ela desce e não há produção.

Quando a coluna é operada, portanto, em refluxo total, o fracionamento é praticamente perfeito, porém o gasto com energia é muito elevado e não há produção na coluna, o que torna o processo economicamente inviável.

A relação entre o número de pratos ou es- tágios e a razão de refluxo pode ser observada no gráfico a seguir:

A razão de refluxo interna mínima é aquela que corresponde a um refluxo externo, L, mí- nimo, por conseqüente, os projetos de colunas de destilação são concebidos prevendo-se, geralmente, um refluxo externo com valores que variam entre 1,5 a 2 vezes o valor da ra- zão de refluxo mínima. Este valor é denomi- nado razão de refluxo operacional, RR oper, como pode ser observado no gráfico anterior.

2.6 Fatores que influenciam as principais variáveis na destilação fracionada

2.6.1 Propriedades da carga

Como cada carga a ser processada pode exibir uma característica, pois as proporções

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entre os componentes a serem separados po- dem ser diferentes, haverá, então, uma razão de refluxo para cada carga a ser processada. A diferença de volatilidade entre os componen- tes da carga, de uma torre de destilação fracio- nada, exerce grande influência sobre as variá- veis citadas. Como exemplo, pode-se citar a comparação entre a separação de uma mistura contendo 50% de etano e 50% de eteno de outra contendo 50% de hexano e 50% de eteno. No primeiro caso, a separação entre o etano e o eteno requer tanto uma quantidade de reflu- xo, bem como uma quantidade de estágios (pratos) na coluna muito maiores do que na da separação da mistura entre o hexano e o eteno, pois estes dois últimos compostos possuem grande diferença de volatilidade.

2.6.2 Eficiência dos dispositivos de separação

das torres (Pratos)

Como mencionado, o componente ou substância que vaporiza a partir do líquido de um determinado prato da coluna é mais volá- til que os componentes contidos no líquido deste prato, e ainda que este vapor esteja em equilíbrio com o líquido do prato, o número de moléculas que abandona a fase líquida para a fase vapor é igual ao número de moléculas que voltam da fase vapor para a fase líquida – princípio do equilíbrio. Para que o equilíbrio, seja atingido é necessário um certo tempo de contato entre as fases. No caso do prato ou bandeja de uma torre de destilação, este tem- po depende dos detalhes construtivos desta bandeja: quanto mais alto o líquido contido neste prato ou bandeja, maior será o tempo de contato entre as fases, pois o líquido perma- necerá mais tempo no prato, e, em consequên- cia o vapor gastará mais tempo para atravessá- lo. O prato que conserva um maior nível de líquido é aquele que mais se aproxima do equi- líbrio entre as fases líquido-vapor e, por isso, é denominado de “prato ideal”. O prato ideal é o dispositivo que permite o maior enriqueci- mento em componentes mais voláteis do va- por que penetra no líquido deste prato. A eficiência de um prato de uma coluna de destilação fracionada poderá ser quantifi- cada pelo enriquecimento de componentes mais voláteis no líquido deste prato, que no caso do prato ideal é de 100%. O valor per- centual da eficiência de um prato real, em uma coluna de destilação fracionada, está entre 50 e 80%, é tanto maior, quanto melhor for o pro- jeto da torre, para as condições de operação

especificadas. Se, por exemplo, uma torre, pro- jetada para uma determinada condição e espe- cificação de carga, mudanças em suas carac- terísticas especificadas, a mesma não corres- ponderá satisfatoriamente às condições inicial- mente previstas, diminuindo desta forma, sua eficiência e, conseqüentemente, podendo com- prometer os resultados inicialmente previstos para aquele projeto. Portanto, o fracionamen- to em uma coluna de destilação depende da eficiência dos seus pratos.

2.7 Problemas que podem ocorrer em bandejas de colunas de destilação

2.7.1 Problema de arraste

O arraste é o transporte, efetuado pelo va- por, de gotículas de líquido do prato inferior para os pratos superiores. A quantidade de lí- quido arrastado depende da velocidade do va- por ao longo da torre. No arraste, o líquido do prato inferior contamina o líquido do prato superior com compostos pesados (menos vo- láteis), piorando o fracionamento ao longo da coluna. O arraste pode ser provocado pelo au- mento da vazão volumétrica do vapor, que, por sua vez, pode ser decorrente da redução da pressão em alguma região da coluna. As torres de destilação a vácuo são cons- truídas com um diâmetro muito maior do que as torres de destilação atmosféricas, pois como suas pressões são muito baixas, provocam va- zões volumétricas muito elevadas.

2.7.2 Problema de Pulsação

Este fenômeno ocorre quando a vazão de vapor, que ascende de um prato inferior para um superior da coluna, não tem pressão sufi- ciente para vencer continuamente a perda de carga apresentada pela bandeja em questão. O vapor, então, cessa temporariamente sua pas- sagem por esta bandeja e, quando sua pressão volta a ser restabelecida, vence a perda de car- ga no prato de forma brusca. Assim diminui a pressão do vapor quase que instantaneamente e cessa a passagem do vapor pelo prato até que seja novamente restabelecida sua pressão. Esta situação permanece até que seja norma- lizada a condição de pressão ao longo da coluna.

2.7.3 Problema de vazamento de líquido

É o fenômeno da passagem de líquido da bandeja superior para a bandeja inferior, atra- vés dos orifícios dos dispositivos existentes nos pratos e que são destinados à passagem

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Processos de Absorção

e Esgotamento

3.1 Introdução Como observado no capítulo sobre o pro- cesso de destilação, nas colunas de destilação fracionada, a seção acima do ponto de alimen- tação da carga da torre é denominada de seção de absorção e a seção abaixo do ponto de ali- mentação da carga da torre é denominada de seção de esgotamento. No entanto, existem processos que utilizam somente absorção ou esgotamento, e, de acordo com a necessidade do processo, são projetadas torres que operam somente com processos de absorção ou, en- tão, apenas com processos de esgotamento. As colunas de absorção e de esgotamen- to, geralmente, não possuem estágios de troca de calor, isto é, não apresentam nem refervedor, nem condensador.

3.2 Conceitos

3.2.1 Absorção

É uma operação em que uma mistura ga- sosa, V 1 , é colocada em contato com um líqui- do, L 1 , para nele serem dissolvidos um ou mais compostos que se quer remover da mistura gasosa. Geralmente, existe uma diferença de volatilidade muito grande entre os componen- tes da fase gasosa e os da fase líquida. Propor- ciona-se, com isso, somente a absorção dos componentes mais pesados da mistura gaso- sa, sem a perda de componentes da mistura líquida por evaporação.

3.2.2 Esgotamento

É a operação inversa à da absorção, ou seja, tem como finalidade remover compostos de um líquido, L 1 , utilizando-se uma corrente de gás ou de vapor, V 1 , Neste caso, são utili- zados gases ou vapores totalmente insolúveis no líquido ou então gases ou vapores com volatilidade muito mais alta do que o líquido em questão. Na realidade, tanto no processo de absor- ção, quanto no processo de esgotamento, existe o mecanismo de transferência de massa de uma fase para outra. No caso da absorção, há trans- ferência de compostos da fase gasosa para a fase líquida e, no caso do processo de esgota- mento, há transferência de compostos da lí- quida para a fase gasosa.

3.3 Solubridade de Gases em Líquidos Quando se coloca um gás em contato com um líquido, num recipiente fechado numa certa condição de temperatura e pressão, parte das moléculas da fase gasosa passa, inicialmente, para a fase líquida, até que se atinja o ponto de equilíbrio para estas condições de temperatu- ra e pressão. Neste ponto, a concentração do gás no líquido é denominada de “solubilidade de equilíbrio do gás neste líquido”, nas condi- ções de temperatura e pressão em questão.

% do gás = solubilidade de equilíbrio. No exemplo acima, a fase gasosa é cons- tituída somente por um tipo determinado de gás. No caso de haver uma mistura de duas ou mais substâncias gasosas, em que somen- te uma delas é solúvel no líquido, a “solubi- lidade de equilíbrio” dependerá da pressão parcial deste gás, na mistura gasosa. O valor da pressão parcial de uma sustância é o percentual

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molecular desta substância em relação à pres- são total da mistura, ou seja:

(P (^) Parcial) (^) A = (%molecularA / 100) x PTotal

Por exemplo, numa mistura gasosa em que a pressão total do sistema é de 20 kgf/cm^2 , tem-se 30% de moléculas de propano; assim a pressão parcial do propano na mistura deste sistema será: (30/100) x 20 = 6 kgf/cm^2.

É possível relacionar a pressão parcial de um determinado gás com a sua solubilidade de equilíbrio num determinado líquido, e com isto, gerar gráficos com curvas de solubilidade de equilíbrio em função da pressão parcial de equilíbrio, como pode ser observado a seguir.

A solubilidade de equilíbrio de um de- terminado gás, a uma certa temperatura, em um determinado líquido, aumenta , com o au- mento da pressão parcial do gás, ou ainda, com o aumento da concentração do gás no referido líquido, desde que a temperatura se mantenha constante (vide figura a seguir).

Concentração ou solubilidade de equilíbrio.