O mecanismo em que se baseia a separação por Destilação é o do Equilíbrio Líquido/Vapor. Quando fornecemos calor a uma mistura líquida, promovendo a sua vaporização parcial, estabelece-se um equilíbrio entre as fases líquida e vapor, para uma dada pressão total, e a composição das duas fases será diferente (ver a secção de Termodinâmica Química/ Equilíbrio Líquido-Vapor)
A Figura 1 ilustra, no diagrama Txy (Diagrama de Pontos de Ebulição ), a vaporização parcial de uma mistura líquida (L0) de A+B.
Figura 01: Representação da vaporização parcial de uma mistura líquida 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,Ae 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.
A separação por destilação só é possível se as volatilidades dos vários componentes da mistura a tratar forem diferentes entre si.
Como se pode observar no diagrama T,xy da Figura 1, o vapor produzido é mais rico no componente mais volátil A do que o líquido em equilíbrio com ele à temperatura de saturação Tfinal e também mais rico em A do que a mistura líquida inicial (alimentação). Assim, por destilação é possível separar os componentes mais voláteis para a fase vapor enquanto que os menos voláteis ficam, preferencialmente, na fase líquida.
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: vaporizam preferencialmente os componentes mais voláteis, sendo que a separação será tanto mais fácil quanto maior forem as diferenças de volatilidades.
A separação por destilação será tanto mais fácil quanto mais elevada (superior a 1) for a volatilidade relativa de A em relação a B. Genericamente a volatilidade relativa αi,j do componente i relativamente ao j, define-se como sendo a razão entre as razões de equilíbrio do componente i e do componente de referência j:
(1)
Ki e Kj são as razões de equilíbrio para cada um dos componentes. O componente de referência tem de ser sempre um componente pesado (de ponto de ebulição elevado). Sobre os modelos de equilíbrio consulte “Termodinâmica Química/ Equilíbrio Líquido-Vapor ”.
Se representarmos, para um sistema binário a pressão total constante, a composição do vapor e do líquido em equilíbrio, diagrama y,x (Figura 2), 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 2 (a) a separação por destilação é mais fácil do que no caso (b).
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 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 3 apresenta-se um esquema de uma coluna de destilação fraccionada.
Figura 03: Esquema de uma coluna de destilação fraccionada.
Cada uma das unidades onde se promove o contacto entre as correntes de líquido e de vapor em circulação na coluna, 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 4).
Figura 04: Esquema de um andar em equilíbrio.
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 (VLE) 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.
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).
Os pratos podem ser de vários tipos: perfurados, de campânula, de válvulas, etc. O enchimento, por sua vez, também pode ter diversas configurações (anéis de Raschig e Pall, Berl Saddle, etc.). O objectivo último é sempre o de promover um bom contacto entre as fases com uma queda de pressão mínima [2].
Figura 05: Escoamento das fases líquido e vapor nos pratos da coluna de destilação.
Um prato de uma coluna de destilação não coincide exactamente com um andar em equilíbrio. De facto, para concretizar um andar em equilíbrio é preciso sempre mais do que um prato. 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 (Eq. 2). A eficiência é função de vários parâmetros (tipo de prato, volatilidade relativa do composto chave leve relativamente ao chave pesado, viscosidade do líquido, tensão superficial do líquido, etc.) e é normalmente calculada com base em correlações empíricas de que falaremos mais tarde (Modelos usados na Simulação/Dimensionamento).
(2)
O número de andares necessários à separação depende de vários parâmetros, essencialmente: volatilidades relativas dos vários componentes, pressão de operação e razão de refluxo. Uma coluna de destilação fraccionada pode ter facilmente mais de 100 pratos.
A situação de refluxo total (todo o condensado retorna ao topo da coluna, não havendo produtos retirados nem alimentação) permite definir o número mínimo de andares necessários. A situação de refluxo mínimo corresponde a um número infinito de andares necessários à separação.
A localização da alimentação afecta o número de andares necessários, e toda a operação em geral, pelo que a alimentação deve ser introduzida de modo a que as perturbações no sistema sejam mínimas (a situação ideal corresponde a ter composições e temperaturas idênticas entre a corrente de alimentação e as do andar de alimentação).
A Destilação de misturas de apenas dois componentes A+B, designa-se por Destilação Binária. Na prática, temos normalmente mais de dois componentes na alimentação da coluna. Contudo, se houver dois componentes que constituam mais de 90% da alimentação, a separação pode continuar a ser abordada, de modo aproximado, como uma destilação binária. Dizemos, nessa altura, que estamos perante uma destilação pseudo-binária.
O método de projecto mais comum para colunas de destilação que tratam sistemas binários é o Método da McCabe-Thiele [1,3]. Em “Introduction to Distillation ” de Ming T. Than é possível encontrar uma descrição detalhada deste método. Aqui iremos apenas abordá-lo brevemente.
O método de McCabe-Thiele utiliza o diagrama de equilíbrio y,x e baseia-se no estabelecimento de balanços mássicos às zonas de rectificação e esgotamento da coluna, e na utilização da curva de equilíbrio (y=f(x)) para descrever o equilíbrio entre o líquido e o vapor em cada andar teórico. Os balanços mássicos são representados por linhas rectas no diagrama y,x: linha operatória de rectificação (balanços mássicos à zona de rectificação) e linha operatória de esgotamento (balanços mássicos à zona de esgotamento).
Figura 07: Método de McCabe-Thiele, zona de rectificação.
Figura 08: Método de McCabe-Thiele, zona de esgotamento.
Cada Andar Teórico, de acordo com o Método de McCabe-Thiele, é descrito por um degrau entre a linha operatória e a curva de equilíbrio. As correntes líquido e vapor em equilíbrio (Ln, Vn) correspondem a um ponto da curva de equilíbrio, enquanto as correntes de líquido e vapor que entram e saem do andar (Ln-1 e Vn+1) correspondem a pontos da linha operatória (ver Figura 9).
Figura 09: Detalhe do traçado de um andar teórico no diagrama y,x (Método de McCabe-Thiele).
A Figura 10 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, de acordo com o Método de McCabe-Thiele.
Figura 10: Traçado dos andares teóricos da coluna de destilação - Método de McCabe-Thiele.
A intersecção das duas linhas operatórias coincide com o Andar de Alimentação da coluna, e está relacionada com a condição térmica da alimentação.
Como o coeficiente angular da linha operatória de rectificação é, de acordo com o Método de McCabe-Thiele, igual a (R/(R+1)), 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
O Método de McCabe-Thiele, para além de se aplicar apenas a misturas binárias, tem como pressuposto que os caudais molares em cada secção da coluna são constantes, ou seja: sistema próximo da idealidade, entalpias molares de vaporização dos dois componentes semelhantes e volatilidade relativa de A/B mais ou menos constante ao longo da coluna.
O simulador que se encontra neste portal (Destilação/Simulação Interactiva ) é um simulador genérico que permite projectar colunas de destilação para tratar misturas de dois ou mais componentes e que utiliza dois métodos de projecto: métodos aproximados de projecto (Fenske-Underwood-Gilliland-Kirkbride), FUGK [3,4], e um método rigoroso de projecto, o Método Matricial de Wang-Henke [3,4]. Estes métodos são descritos em mais pormenor na secção “Modelos Usados na Simulação Interactiva”.
Muitas vezes é conveniente retirar da coluna produtos com composições intermédias entre as do destilado e do resíduo. Esses produtos são designados por “Sangrias” e podem ser vapor ou líquido.
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 [1,3].
Figura 11: Esquema de uma destilação flash.
Em alternativa, a alimentação pode ser um vapor sobreaquecido que é arrefecido até ocorrer condensação parcial, separando-se depois, num tanque flash, o líquido e o vapor em equilíbrio que se formam (Equilíbrio Líquido-Vapor/Misturas ).
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.
Na prática, podem também utilizar-se em destilação equipamentos descontínuos [3]. É o que acontece, por exemplo, quando se executa uma destilação laboratorial (ver Figura 12). 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 12: Destilação descontínua laboratorial.
No caso da destilação descontínua, a composição dos produtos e das correntes em circulação na coluna variam com o tempo de destilação.
Os simuladores disponíveis no portal são apenas para o projecto de colunas de destilação contínuas e em estado estacionário.
As aplicações da destilação são várias, sendo a mais comum, ao nível industrial, a da separação de misturas de hidrocarbonetos em refinarias de petróleo. Contudo, a destilação aplica-se em muitos outros processos industrias, seja na purificação das matérias-primas do processo seja na separação de impurezas, por exemplo dos produtos de reacção. Assim, a destilação é uma operação essencial na indústria de polímeros, alimentar, farmacêutica, dos biocombustíveis (produção de bioetanol), na dessalinização da água, etc.
Figura 13: Colunas de destilação na indústria petroquímica (a coluna no plano mais próximo opera sob vácuo).
A destilação é, intrinsecamente, uma operação de separação que envolve grandes consumos de energia no revaporizador, exigindo, por outro lado, consumos elevados de água no condensador. Contudo, os processos de separação alternativos, como seja por exemplo a extracção por solventes, aparecem normalmente associados também a operações de destilação, e não conseguem, individualmente, conduzir a produtos de elevado grau de pureza.
A selecção da melhor operação de separação para purificar uma dada corrente implica, necessariamente, uma análise económica do processo global. Muitas vezes a integração de diferentes processos pode conduzir à solução de projecto económica e energeticamente mais favorável [5].
