Introdução
Colunas de Destilação utilizam um processo de aquecimento e resfriamento para separar dois (ou mais) componentes misturados (líquidos e/ou gases) em seus respectivos estados separados ou originais. Em termos simples, esse processo é alcançado aquecendo os componentes líquidos misturados a uma temperatura que está entre seus respectivos pontos de ebulição, fervendo assim o líquido de menor temperatura para separá-los por evaporação.
Colunas de Destilação de Refinaria
História
O processo de Destilação é um dos métodos de separação e purificação mais antigos e amplamente utilizados. Suas raízes históricas remontam aos romanos, árabes, chineses, indianos e babilônios da Mesopotâmia há mais de 5000 anos, onde evidências de destilação de perfume e álcool foram registradas nas tábuas acadianas (cerca de 1200 a.C.), passando pelo período medieval e, posteriormente, à Revolução Industrial do século 19, onde as aplicações mais contemporâneas foram desenvolvidas.
Alambique de Uísque
Coluna de Destilação Contínua
Existem muitos tipos de designs de colunas de destilação, como a coluna de ‘batelada’ ou coluna ‘contínua’. Uma coluna de batelada básica é onde a alimentação de entrada (componente líquido/gasoso) é destilada inteiramente e, em seguida, outro lote de alimentação é adicionado à coluna e processado por sua vez. Uma coluna contínua tem um fluxo constante de entrada e saída, o que facilita uma taxa de processamento muito maior, e o processo não para a menos que seja necessária manutenção ou reparo.
Ambos os tipos de colunas têm aplicações específicas relacionadas à separação de dois ou mais componentes líquidos/gasosos, e ambos incorporam diferentes níveis de complexidade e equipamentos associados para facilitar o processo geral de destilação.
Quais são as principais partes de uma coluna de destilação?
Uma Coluna de Destilação Contínua típica possui vários componentes para facilitar o processo geral. Esses quatro componentes principais são:
- Coluna (incorporando as seções de enriquecimento e stripping), onde ocorre a separação da fase líquido/gás.
- Reboiler (trocador de calor), que fornece a energia térmica para vaporizar parcialmente a alimentação de entrada da coluna (líquido) para que o processo de separação (destilação) ocorra. A alimentação de entrada flui para o centro da coluna e desce pela seção de stripping até a base, antes de entrar no reboiler, onde o líquido de alimentação é aquecido para gerar o vapor de alimentação (através da evaporação). Este vapor de alimentação sobe pela coluna por convecção, para continuar o processo de separação dos componentes da alimentação.
- Condensador, que resfria e condensa o vapor de alimentação separado e enriquecido no topo da coluna antes de entrar no tambor de refluxo.
- Tambor de refluxo, que coleta o vapor de alimentação condensado (como líquido) e o divide em dois fluxos: 1. a saída do processo de destilação (destilado), e 2. o líquido reciclado do tambor de refluxo (refluxo), que é alimentado de volta ao topo da coluna para enriquecer e purificar ainda mais o destilado.
Componentes Principais da Coluna de Destilação Geral
Para tornar esse processo mais eficiente, a coluna de destilação geralmente possui uma série de pratos ou bandejas empilhados dentro da coluna. Esses pratos têm perfurações circulares e/ou empacotamentos de metal corrugado, para melhorar a área de contato líquido/vapor e, portanto, a eficiência do processo de evaporação do líquido de alimentação. Esse tipo de coluna é chamado de coluna de destilação fracionada e suporta a remoção/separação de vários componentes (líquidos ou gases) em níveis diferentes na coluna.
Coluna de Destilação Fracionada
Operação e Terminologia Básica da Coluna de Destilação
Os componentes de alimentação que serão processados na coluna de destilação são introduzidos perto ou no centro da coluna, em uma bandeja/prato central conhecida como bandeja de alimentação (prato).
Diagrama de Fluxo do Processo da Coluna de Destilação
Esta bandeja de alimentação central divide a coluna em uma seção superior (enriquecimento) e uma seção inferior (stripping). O líquido de alimentação flui para a coluna e atravessa a bandeja/prato, descendo pela coluna (por gravidade) até a próxima bandeja/prato através de seu conduto de descida, onde o componente de vapor enriquecido do líquido de alimentação é separado através do processo de destilação à medida que sobe pelo líquido de alimentação. O líquido de alimentação restante desce pela coluna e se acumula na base da coluna, depois flui de volta para o reboiler, que vaporiza o componente mais leve no componente de vapor do líquido de alimentação. Este vapor continua o processo de destilação à medida que sobe até o topo da coluna, através das bandejas da coluna, onde entra em contato com o líquido de alimentação, separando o componente mais leve (vapor) e tornando-se mais enriquecido à medida que o faz. Na base da coluna, o produto líquido de alimentação ‘pesado’ (não vaporizado) é removido da coluna como o componente ‘bottoms’.
Caminhos de Fluxo de Líquido e Vapor na Coluna de Destilação
O vapor de alimentação reaquecido, fluindo de volta para a base da coluna a partir do reboiler, é enriquecido à medida que sobe pela coluna e ‘entra em contato’ com o líquido de alimentação em queda, antes de sair da coluna no topo, entrando no condensador de resfriamento. Este líquido condensado então entra em um recipiente de armazenamento conhecido como tambor de refluxo.
Coluna de Destilação e Tambor de Refluxo
Uma proporção deste líquido do tambor de refluxo, ou seja, a razão de refluxo, é reciclada de volta para o topo da coluna, enriquecendo e purificando ainda mais através do contato com o componente de vapor de alimentação que está subindo pelas bandejas da coluna. Finalmente, o componente de vapor de alimentação condensado, que agora é resfriado em forma líquida pelo sistema de condensador e tambor de refluxo, é a saída da coluna (destilado) que é recuperada através do processo geral de destilação.
Perfil de Operação da Coluna de Destilação
Existem certos parâmetros de operação e tendências que são comuns ao processo de coluna de destilação, e uma apreciação desses aspectos ajudará a obter uma compreensão geral do processo. Em termos simples, o design da coluna (diâmetro e altura, número de bandejas/pratos, empacotadores etc.) e os parâmetros de operação (temperatura, pressão, estágio de entrada do líquido de alimentação etc.) são otimizados pelos projetistas para alcançar um equilíbrio de vapor-líquido interno geral (balanço), com base na volatilidade (pontos de ebulição) dos componentes do líquido de alimentação. Perfil de Operação da Coluna de Destilação.
Temperatura e Pressão
O perfil geral de temperatura dentro da coluna é que é mais quente no topo e mais frio na base. Por exemplo, em um processo simples que possui um líquido de alimentação com dois componentes, a temperatura na base da coluna é ligeiramente mais fria do que o ponto de ebulição do componente de alimentação mais pesado, e a temperatura no topo é ligeiramente mais alta do que o ponto de ebulição do componente mais leve, pois é desejado criar um ambiente para um equilíbrio vapor-líquido dentro da coluna. Na base da coluna, requeremos que o componente de alimentação pesado permaneça como um líquido e o componente mais leve permaneça como um gás até que atinja o topo da coluna, antes de entrar no condensador e no tambor de refluxo. Para controlar essas temperaturas, a temperatura do trocador de calor do reboiler é ajustada para controlar a temperatura do componente de alimentação pesado; a taxa de fluxo de ‘retorno’ do tambor de refluxo (fluxo de volta para o topo da coluna) é usada para controlar a temperatura dos componentes mais leves no topo da coluna.
O gradiente de pressão geral da coluna é de pressão ‘mais alta’ na base e ‘mais baixa’ no topo. Este gradiente é determinado pelo líquido do estágio de alimentação (entrada) caindo pelas bandejas da coluna e impedindo o vapor ascendente que flui através do líquido de alimentação.
Em geral, para um processo de destilação em estado estacionário, o gradiente de pressão da coluna é mantido o mais constante possível, usando a temperatura do reboiler e o fluxo do tambor de refluxo para controlar a composição dos fluxos de componentes leves e pesados.