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9 Julho 2020

Fundamentos

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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.

Coluna de Destilação

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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.

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.

Destilação Laboratorial
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 (L0) de A+B, a pressão constante.

Figura 2: Representação da vaporização parcial de uma mistura líquida (L0) no diagrama T,xy.
Figura 02: Representação da vaporização parcial de uma mistura líquida (L0) no diagrama T,xy.

Quando L0 aquece desde a temperatura Tinicial até à temperatura Tfinal, de tal modo que ocorre a vaporização parcial de L0, 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 L0. 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

Cada uma das unidades onde se promove o contacto entre as correntes de líquido e de vapor em circulação na coluna de destilação, com vista a produzir duas novas correntes de líquido e de vapor, em equilíbrio, é designado por Andar em Equilíbrio ou Andar Teórico (ver esquema da Figura 3).

Figura 3: Esquema de um andar em equilíbrio.
Figura 03: Esquema de um andar em equilíbrio.

A destilação fundamenta-se no processo físico de equilíbrio líquido/vapor que permite separar dois ou mais componentes de uma mistura. O princípio base é a diferença de volatilidades dos componentes.

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Destilação Fraccionada

O equipamento que promove a transferência de massa e calor entre correntes líquidas e de vapor saturadas é a conhecida Coluna de Destilação Fraccionada. Esta é constituída por um recipiente cilíndrico dentro do qual se encontra uma série de pratos internos entre os quais circulam vapor e líquido em contracorrente. As duas fases presentes em cada andar sofrem transferência de massa e calor e assume-se que se encontram em equilíbrio ao deixar o andar. No topo da coluna existe, geralmente, um condensador que arrefece e condensa o vapor proveniente da coluna, sendo parte do condensado, designado por refluxo, reenviado para o prato superior. Denomina-se por razão de refluxo (R) a razão entre o caudal da corrente reenviada e o caudal da corrente produzida no topo, que deixa a coluna, Destilado. Na base da coluna encontra-se um revaporizador que vaporiza parte da corrente de líquido da base, para o prato inferior, onde entra sob a forma de vapor. A corrente retirada na base da coluna designa-se por Resíduo. Na Figura 4 apresenta-se um esquema de uma coluna de destilação fraccionada (mais informação em “Introduction to Distillation”).

Figura 4: Esquema de uma coluna de destilação fraccionada.
Figura 04: Esquema de uma coluna de destilação fraccionada.

Na Figura 5 estão representados dois tipos diferentes de revaporizadores (externo e interno), que não são mais do que permutadores de calor que transferem calor para o líquido na base da coluna.

Figura 05: Esquemas de revaporizadores.
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 6: Esquema do funcionamento dos pratos numa coluna de destilação.
Figura 06: Esquema do funcionamento dos pratos numa coluna de destilação.

Prato de campânulas/Prato de campânulas

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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 7: Diagramas de equilíbrio y,x.
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 8: Traçado dos andares teóricos da coluna de destilação.
Figura 08: Traçado dos andares teóricos da coluna de destilação.

As linhas tracejadas representam os balanços mássicos à coluna de destilação. O declive destas linhas é proporcional à Razão de Refluxo de operação da coluna. O valor da Razão de Refluxo influencia o declive dessa recta e, consequentemente, o enriquecimento conseguido em cada andar (relacionado com a altura do degrau) e, como tal, o número de andares necessário para a separação (desde xD a xB), como se mostra na animação seguinte.

Influência da Razão de Refluxo no número de andares da Coluna

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Destilação Flash

O caso mais simples de uma separação por destilação é a Destilação Flash. Normalmente, a corrente de alimentação (líquido) é aquecida num permutador de calor, passando depois por um “flash” adiabático (despressurização rápida) que dá origem a duas correntes saturadas, uma de líquido e outra de vapor, em equilíbrio. O tanque “flash” permite facilmente a separação e remoção das duas fases.

Figura 9: Esquema de uma destilação flash.
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. 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.

Esquema de uma destilação fraccionada laboratorial.
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.

Diagrama yx para o sistema etanol/água à pressão atmosférica (Destilação/Casos de Estudo).

Azeótropo de Ponto de Ebulição Mínimo

Figura 12: Diagramas yx para sistemas com azeótropos.
Figura 12: Diagramas yx para sistemas com azeótropos.

Neste caso existe uma zona mais ou menos extensa da curva em que a composição do líquido e vapor em equilíbrio são idênticas. Dizemos que estamos perante um azeótropo. Um azeótropo é uma mistura líquida que, para uma determinada pressão, apresenta um ponto de ebulição constante que não varia com o grau de vaporização (tal como acontece com as substâncias puras). Como tal, a composição do líquido e vapor em equilíbrio permanecem também constantes. Um exemplo comum é o da mistura etanol/água (cujo diagrama está representado na Figura 12). Esta mistura apresenta um azeótropo para a composição de 89.4% de etanol e 10.6% de água (percentagens molares) à pressão atmosférica. Por isso é que o álcool etílico comercial que usamos nas nossas casas tem uma composição muito próxima desse valor (não se consegue produzir álcool mais puro usando apenas uma coluna de destilação).

A separação por destilação, numa só coluna, no ponto azeotrópico, é impossível, dado que não se consegue aumentar mais o enriquecimento do vapor no componente mais volátil, tal como se pretende na destilação fraccionada. Contudo, existem estratégias para separar por destilação misturas azeotrópicas, recorrendo a sistemas de várias colunas integradas, jogando por exemplo com a pressão a que cada coluna opera.

Pensa nisso, e elabora um esquema para separar por destilação uma mistura A+B, sabendo que o ponto azeotrópico (composição e temperatura) é sensível à pressão como exemplificado na Figura 13 (a composição do azeótropo varia com a pressão de operação).

Figura 13: Diagramas yx para azeótropo sensível à pressão.
Figura 13: Diagramas yx para azeótropo sensível à pressão.

Por outro lado, as misturas (alimentações) que queremos tratar a nível industrial, são normalmente misturas com muito mais de dois componentes. Estas misturas são muito mais complexas e o equilíbrio líquido/vapor nestes sistemas não pode ser representado no diagrama yx. O projecto destas colunas requer técnicas mais elaboradas que envolvem a construção de programas computacionais com alguma complexidade, também descritos neste portal (Modelos Usados na Simulação Interactiva). É o caso, por exemplo, das operações de destilação que ocorrem durante a refinação do petróleo (crude).

O petróleo é uma mistura complexa de mais de 100 hidrocarbonetos e, para produzir os diferentes tipos de combustível, com características diferentes (desde a gasolina ao combustível de avião), é necessário sujeitar o crude a várias operações de destilação, entre outras operações. O projecto destas colunas é mais complexo do que o que se descreveu até aqui. Na secção Caso de Estudo falaremos um pouco mais deste assunto, apresentando um pequeno “Simulador” que permite projectar uma coluna de destilação para tratar uma mistura simples de hidrocarbonetos (Caso de Estudo).

Os simuladores disponíveis neste Portal (Simulação Interactiva/Destilação) foram construídos com base em modelos de projecto de colunas de destilação complexos, como referido acima (Método de Wang-Henke), e são, por isso, suficientemente genéricos, não estando limitados às misturas binárias.

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.

Paisagem característica de uma Refinaria de Petróleo onde as torres correspondem, na sua maioria, a colunas de destilação.

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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