Destilação contínua - Continuous distillation

Imagem 1: Torres de destilação industrial típicas
Imagem 2: Uma coluna de destilação a vácuo de petróleo bruto usada em refinarias de petróleo

A destilação contínua , uma forma de destilação , é uma separação contínua na qual uma mistura é continuamente (sem interrupção) alimentada no processo e as frações separadas são removidas continuamente como fluxos de saída. Destilação é a separação ou separação parcial de uma mistura de alimentação líquida em componentes ou frações por ebulição seletiva (ou evaporação ) e condensação . O processo produz pelo menos duas frações de saída. Essas frações incluem pelo menos uma fração de destilado volátil , que foi fervida e capturada separadamente como um vapor condensado em um líquido, e praticamente sempre uma fração de fundo (ou resíduo ), que é o resíduo menos volátil que não foi capturado separadamente como um vapor condensado.

Uma alternativa para a destilação contínua é a destilação em lote , onde a mistura é adicionada à unidade no início da destilação, as frações do destilado são retiradas sequencialmente no tempo (uma após a outra) durante a destilação, e a fração de fundo restante é removida no fim. Como cada uma das frações do destilado é retirada em momentos diferentes, apenas um ponto de saída do destilado (local) é necessário para uma destilação em lote e o destilado pode apenas ser trocado para um receptor diferente, um recipiente de coleta de fração. A destilação em lote é freqüentemente usada quando pequenas quantidades são destiladas. Em uma destilação contínua, cada uma das correntes de fração é retirada simultaneamente ao longo da operação; portanto, um ponto de saída separado é necessário para cada fração. Na prática, quando há várias frações de destilado, os pontos de saída do destilado estão localizados em alturas diferentes em uma coluna de fracionamento . A fração de fundo pode ser obtida do fundo da coluna ou unidade de destilação, mas geralmente é retirada de um reboiler conectado ao fundo da coluna.

Cada fração pode conter um ou mais componentes (tipos de compostos químicos ). Ao destilar petróleo bruto ou uma matéria-prima semelhante, cada fração contém muitos componentes de volatilidade e outras propriedades semelhantes. Embora seja possível executar uma destilação contínua em pequena escala ou em laboratório, na maioria das vezes a destilação contínua é usada em um processo industrial em grande escala.

Aplicação industrial

A destilação é uma das operações unitárias da engenharia química . A destilação contínua é amplamente usada nas indústrias de processo químico, onde grandes quantidades de líquidos precisam ser destiladas. Essas indústrias são o processamento de gás natural , produção petroquímica , processamento de alcatrão de carvão , produção de licor , separação de ar liquefeito , produção de solventes de hidrocarbonetos , separação de canabinóides e indústrias semelhantes, mas encontra sua aplicação mais ampla em refinarias de petróleo . Em tais refinarias, a matéria-prima do petróleo bruto é uma mistura multicomponente muito complexa que deve ser separada e não se espera rendimentos de compostos químicos puros, apenas grupos de compostos dentro de uma faixa relativamente pequena de pontos de ebulição , que são chamados de frações . Essas frações são a origem do termo destilação fracionada ou fracionamento . Freqüentemente, não vale a pena separar mais os componentes nessas frações com base nos requisitos e na economia do produto.

A destilação industrial é normalmente realizada em grandes colunas cilíndricas verticais (como mostrado nas imagens 1 e 2) conhecidas como "torres de destilação" ou "colunas de destilação" com diâmetros variando de cerca de 65 centímetros a 11 metros e alturas variando de cerca de 6 metros a 60 metros ou mais.

Princípio

Imagem 3: Esquema de engenharia química da torre de destilação binária fracionária contínua. Uma destilação binária separa um fluxo de mistura de alimentação em duas frações: um destilado e uma frações de fundo.

O princípio da destilação contínua é o mesmo da destilação normal: quando uma mistura líquida é aquecida para ferver, a composição do vapor acima do líquido difere da composição líquida. Se esse vapor for então separado e condensado em um líquido, ele se tornará mais rico no (s) componente (s) de ponto de ebulição inferior da mistura original.

Isso é o que acontece em uma coluna de destilação contínua. Uma mistura é aquecida e encaminhada para a coluna de destilação. Ao entrar na coluna, a alimentação começa a fluir para baixo, mas parte dela, o (s) componente (s) com ponto (s) de ebulição mais baixo, vaporiza e sobe. No entanto, à medida que sobe, ele esfria e enquanto parte dele continua subindo como vapor, parte dele (enriquecido no componente menos volátil ) começa a descer novamente.

A imagem 3 mostra uma torre de destilação fracionada contínua simples para separar um fluxo de alimentação em duas frações, um produto destilado de cabeça e um produto de fundo. Os produtos "mais leves" (aqueles com menor ponto de ebulição ou maior volatilidade) saem do topo das colunas e os produtos "mais pesados" (os fundos, aqueles com maior ponto de ebulição) saem da parte inferior da coluna. A corrente da cabeça pode ser arrefecida e condensada usando uma solução arrefecida em água ou arrefecida ao ar do condensador . O reboiler de fundo pode ser um trocador de calor aquecido a vapor ou aquecido a óleo quente , ou mesmo um forno a gás ou óleo .

Em uma destilação contínua, o sistema é mantido em um estado estacionário ou em um estado estacionário aproximado. O estado estacionário significa que as quantidades relacionadas ao processo não mudam com o passar do tempo durante a operação. Essas quantidades constantes incluem taxa de entrada de alimentação, taxas de fluxo de saída, taxas de aquecimento e resfriamento, razão de refluxo e temperaturas , pressões e composições em cada ponto (localização). A menos que o processo seja perturbado devido a mudanças na alimentação, aquecimento, temperatura ambiente ou condensação, o estado estacionário é normalmente mantido. Este também é o principal atrativo da destilação contínua, além da quantidade mínima de vigilância (facilmente instrumentável); se a taxa de alimentação e a composição da alimentação forem mantidas constantes, a taxa e a qualidade do produto também serão constantes. Mesmo quando ocorre uma variação nas condições, os métodos modernos de controle de processo são comumente capazes de retornar gradualmente o processo contínuo a outro estado estacionário novamente.

Uma vez que uma unidade de destilação contínua é alimentada constantemente com uma mistura de alimentação e não cheia de uma vez como uma destilação em lote, uma unidade de destilação contínua não precisa de um pote de destilação de tamanho considerável, vaso ou reservatório para um enchimento de lote. Em vez disso, a mistura pode ser alimentada diretamente na coluna, onde ocorre a separação real. A altura do ponto de alimentação ao longo da coluna pode variar de acordo com a situação e é projetada para fornecer resultados ideais. Veja o método McCabe-Thiele .

Uma destilação contínua é freqüentemente uma destilação fracionada e pode ser uma destilação a vácuo ou uma destilação a vapor .

Design e operação

O projeto e a operação de uma coluna de destilação dependem da alimentação e dos produtos desejados. Dado um feed de componente binário simples, métodos analíticos como o método McCabe – Thiele ou a equação de Fenske podem ser usados ​​para auxiliar no projeto. Para uma alimentação de múltiplos componentes, modelos de simulação computadorizados são usados ​​tanto para o projeto quanto para a operação da coluna. A modelagem também é usada para otimizar colunas já erguidas para a destilação de misturas diferentes daquelas para as quais o equipamento de destilação foi originalmente projetado.

Quando uma coluna de destilação contínua está em operação, ela deve ser monitorada de perto quanto a mudanças na composição da alimentação, temperatura operacional e composição do produto. Muitas dessas tarefas são realizadas usando equipamentos avançados de controle de computador.

Feed de coluna

A coluna pode ser alimentada de diferentes maneiras. Se a alimentação for de uma fonte com uma pressão superior à pressão da coluna de destilação, ela é simplesmente canalizada para a coluna. Caso contrário, a alimentação é bombeada ou comprimida na coluna. A alimentação pode ser um vapor superaquecido , um vapor saturado , uma mistura vapor-líquido parcialmente vaporizada, um líquido saturado (isto é, líquido em seu ponto de ebulição na pressão da coluna) ou um líquido sub-resfriado . Se a alimentação for um líquido a uma pressão muito maior do que a pressão da coluna e fluir através de uma válvula de redução de pressão logo à frente da coluna, ela se expandirá imediatamente e sofrerá uma vaporização flash parcial, resultando em uma mistura líquido-vapor à medida que entra a coluna de destilação.

Melhorando a separação

Imagem 4: Esquema de engenharia química simplificado da torre de destilação fracionária contínua separando um fluxo de mistura de alimentação em quatro frações de destilado e uma de fundo

Embora as unidades de pequeno porte, em sua maioria de vidro, possam ser utilizadas em laboratórios, as unidades industriais são vasos de aço grandes e verticais (ver imagens 1 e 2), conhecidos como "torres de destilação" ou "colunas de destilação". Para melhorar a separação, a torre é normalmente fornecida em seu interior com placas ou bandejas horizontais como mostra a imagem 5, ou a coluna é embalada com um material de embalagem. Para fornecer o calor necessário para a vaporização envolvida na destilação e também para compensar a perda de calor, o calor é mais frequentemente adicionado à parte inferior da coluna por um reboiler , e a pureza do produto superior pode ser melhorada pela reciclagem de alguns dos externamente líquido do produto de topo condensado como refluxo . Dependendo de sua finalidade, as colunas de destilação podem ter saídas de líquido em intervalos ao longo do comprimento da coluna, conforme mostrado na imagem 4.

Refluxo

Torres de fracionamento industrial em grande escala usam refluxo para obter uma separação mais eficiente dos produtos. O refluxo refere-se à porção do produto líquido condensado superior de uma torre de destilação que é retornado para a parte superior da torre, conforme mostrado nas imagens 3 e 4. Dentro da torre, o líquido de refluxo descendente fornece resfriamento e condensação parcial dos vapores ascendentes , aumentando assim a eficácia da torre de destilação. Quanto mais refluxo for fornecido, melhor será a separação da torre dos componentes de ponto de ebulição mais baixo dos componentes de ponto de ebulição mais alto da alimentação. Um equilíbrio de aquecimento com um reboiler na parte inferior de uma coluna e resfriamento por refluxo condensado no topo da coluna mantém um gradiente de temperatura (ou diferença de temperatura gradual) ao longo da altura da coluna para fornecer boas condições para o fracionamento da mistura de alimentação. Os fluxos de refluxo no meio da torre são chamados de pumparounds.

Mudar o refluxo (em combinação com mudanças na alimentação e retirada do produto) também pode ser usado para melhorar as propriedades de separação de uma coluna de destilação contínua durante a operação (em contraste com a adição de placas ou bandejas, ou a mudança da embalagem, o que seria, em um mínimo, requerem um tempo de inatividade bastante significativo).

Pratos ou bandejas

Imagem 5: Diagrama transversal de uma torre de destilação fracionada binária com bandejas de tampa de bolha. (Veja a placa teórica para imagem de bandeja ampliada.)

As torres de destilação (como nas imagens 3 e 4) usam vários métodos de contato de vapor e líquido para fornecer o número necessário de estágios de equilíbrio . Esses dispositivos são comumente conhecidos como "placas" ou "bandejas". Cada uma dessas placas ou bandejas está em uma temperatura e pressão diferentes. O estágio na parte inferior da torre tem a pressão e a temperatura mais altas. Progredindo para cima na torre, a pressão e a temperatura diminuem para cada estágio subsequente. O equilíbrio líquido-vapor para cada componente de alimentação na torre reage de maneira única às diferentes condições de pressão e temperatura em cada um dos estágios. Isso significa que cada componente estabelece uma concentração diferente nas fases vapor e líquida em cada uma das etapas, o que resulta na separação dos componentes. Alguns exemplos de bandejas são representados na imagem 5. Uma imagem mais detalhada e expandida de duas bandejas pode ser vista no artigo da placa teórica . O reboiler geralmente atua como um estágio de equilíbrio adicional.

Se cada bandeja física ou placa fosse 100% eficiente, o número de bandejas físicas necessárias para uma determinada separação seria igual ao número de estágios de equilíbrio ou placas teóricas. No entanto, raramente é esse o caso. Conseqüentemente, uma coluna de destilação precisa de mais placas do que o número necessário de estágios de equilíbrio líquido-vapor teórico.

Embalagem

Outra forma de melhorar a separação em uma coluna de destilação é usar um material de embalagem em vez de bandejas. Eles oferecem a vantagem de uma queda de pressão menor na coluna (quando comparados a placas ou bandejas ), benéfica ao operar sob vácuo. Se uma torre de destilação usa embalagem em vez de bandejas, o número de estágios de equilíbrio teórico necessários é primeiro determinado e, em seguida, a altura de embalagem equivalente a um estágio de equilíbrio teórico , conhecido como altura equivalente a uma placa teórica (HETP), também é determinada. A altura total de embalagem necessária é o número de estágios teóricos multiplicado pelo HETP.

Este material de embalagem pode ser embalagem descartada aleatoriamente, como anéis Raschig ou folha de metal estruturada . Os líquidos tendem a molhar a superfície da embalagem e os vapores passam por essa superfície molhada, onde ocorre a transferência de massa . Ao contrário da destilação de bandeja convencional em que cada bandeja representa um ponto separado de equilíbrio líquido-vapor, a curva de equilíbrio líquido-vapor em uma coluna compactada é contínua. No entanto, ao modelar colunas empacotadas, é útil calcular uma série de pratos teóricos para denotar a eficiência de separação da coluna empacotada em relação a bandejas mais tradicionais. As embalagens de formatos diferentes têm diferentes áreas de superfície e espaço vazio entre as embalagens. Ambos os fatores afetam o desempenho da embalagem.

Outro fator além da forma de embalagem e da área de superfície que afeta o desempenho de embalagem aleatória ou estruturada é a distribuição de líquido e vapor que entra no leito compactado. O número de estágios teóricos necessários para fazer uma determinada separação é calculado usando uma proporção específica de vapor para líquido. Se o líquido e o vapor não forem distribuídos uniformemente pela área superficial da torre ao entrar no leito compactado, a proporção de líquido para vapor não será correta no leito compactado e a separação necessária não será alcançada. A embalagem parecerá não estar funcionando corretamente. A altura equivalente a um prato teórico (HETP) será maior do que o esperado. O problema não é a embalagem em si, mas a má distribuição dos fluidos que entram no leito compactado. A má distribuição de líquido é mais frequentemente o problema do que o vapor. O projeto dos distribuidores de líquidos usados ​​para introduzir a alimentação e o refluxo em um leito embalado é fundamental para fazer com que a embalagem funcione com eficiência máxima. Os métodos de avaliação da eficácia de um distribuidor de líquidos podem ser encontrados nas referências.

Arranjos do sistema aéreo

As imagens 4 e 5 assumem um fluxo aéreo que é totalmente condensado em um produto líquido usando água ou resfriamento a ar. No entanto, em muitos casos, a torre no alto não é totalmente condensada facilmente e o tambor de refluxo deve incluir um fluxo de saída de gás de ventilação . Em ainda outros casos, a corrente aérea também pode conter vapor de água porque a corrente de alimentação contém um pouco de água ou algum vapor é injetado na torre de destilação (que é o caso nas torres de destilação de petróleo bruto em refinarias de petróleo ). Nesses casos, se o produto destilado for insolúvel em água, o tambor de refluxo pode conter uma fase de destilado líquido condensado, uma fase de água condensada e uma fase de gás não condensável, o que torna necessário que o tambor de refluxo também tenha uma corrente de saída de água .

Destilação multicomponente

Além da destilação fracionada, que é usada principalmente para refino de petróleo bruto, as misturas multicomponentes são normalmente processadas para purificar seus componentes individuais por meio de uma série de colunas de destilação, ou seja, o trem de destilação.

Trem de destilação

Um trem de destilação é definido por uma sequência de colunas de destilação dispostas em série ou em paralelo cujo objetivo é a purificação de misturas multicomponentes.

Alternativas de intensificação de processos

A unidade Dividing Wall Column é a unidade intensificadora de processo mais comum relacionada à destilação. Em particular, é o arranjo em uma concha de coluna única da configuração de Petlyuk que provou ser termodinamicamente equivalente.

Exemplos

Destilação contínua de petróleo bruto

Os óleos crus de petróleo contêm centenas de diferentes compostos de hidrocarbonetos : parafinas , naftenos e aromáticos , bem como compostos orgânicos de enxofre , compostos orgânicos de nitrogênio e alguns hidrocarbonetos contendo oxigênio , como os fenóis . Embora os óleos crus geralmente não contenham olefinas , eles são formados em muitos dos processos usados ​​em uma refinaria de petróleo.

O fracionador de petróleo bruto não produz produtos com um único ponto de ebulição; em vez disso, ele produz frações com intervalos de ebulição. Por exemplo, o fracionador de petróleo bruto produz uma fração de cabeça chamada " nafta " que se torna um componente da gasolina após ser processada por meio de um hidrodessulfurizador catalítico para remover enxofre e um reformador catalítico para reformar suas moléculas de hidrocarboneto em moléculas mais complexas com uma classificação de octanagem mais alta valor.

O corte da nafta, como é chamada essa fração, contém muitos compostos de hidrocarbonetos diferentes. Portanto, ele tem um ponto de ebulição inicial de cerca de 35 ° C e um ponto de ebulição final de cerca de 200 ° C. Cada corte produzido nas colunas de fracionamento tem uma faixa de ebulição diferente. A alguma distância abaixo da cabeça, o próximo corte é retirado da lateral da coluna e geralmente é o corte de combustível de aviação, também conhecido como corte de querosene . A faixa de ebulição desse corte vai de um ponto de ebulição inicial de cerca de 150 ° C a um ponto de ebulição final de cerca de 270 ° C e também contém muitos hidrocarbonetos diferentes. O próximo corte mais abaixo na torre é o corte de óleo diesel com uma faixa de ebulição de cerca de 180 ° C a cerca de 315 ° C. Os intervalos de ebulição entre qualquer corte e o próximo corte se sobrepõem porque as separações de destilação não são perfeitamente nítidas. Depois vêm os cortes de óleo combustível pesado e, por fim, o produto de fundo, com faixas de ebulição muito amplas. Todos esses cortes são processados ​​posteriormente em processos de refino subsequentes.

Destilação contínua de concentrados de cannabis

Uma aplicação típica para destilar concentrados de cannabis é o óleo de butano (BHO). A destilação de caminho curto é um método popular devido ao curto tempo de residência que permite um estresse térmico mínimo para o concentrado. Em outros métodos de destilação , como circulação, filme descendente e destilação em coluna, o concentrado seria danificado pelos longos tempos de residência e altas temperaturas que devem ser aplicadas.

Veja também

Referências

links externos