Aula 03 - Colunas de Destilação

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13/04/2015
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Destilação
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Coluna de Destilação - recipiente
cilíndrico - torre ou coluna -
dentro do qual se encontra uma
série de pratos internos -
pratos ou bandejas
empacotadas ou recheios -
entre os quais circulam vapor e
líquido em contracorrente.
DESTILAÇÃO FRACIONADA
A coluna de destilação fracionada:
- 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 avaliar, sucessivamente, a
temperatura de ponto de bolha do líquido no andar, a qual
será a temperatura do andar teórico.
DESTILAÇÃO FRACIONADA
OU CONTÍNUA OU RETIFICAÇÃO
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Figura - Coluna de destilação fracionada
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
Tipos de colunas de destilação
1. Colunas com pratos e borbulhadores e colunas com pratos
perfurados.
2. Colunas com recheios.
Todas funcionam com o mesmo princípio, ou seja, promover de
forma mais perfeita possível o contato entre as fases líquido e
vapor.
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Corte transversal de uma coluna de pratos.
Colunas de pratos são mais usadas na destilação.
Objetivos: melhorar o contato entre o vapor ascendente e o
líquido descendente.
Pratos da coluna de pratos
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Recheios da coluna de recheios
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
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1. Colunas com pratos e borbulhadores.
Mais usadas.
Pratos ou bandejas são superpostas e que variam em número e
detalhes conforme a mistura que se pretende destilar.
Os pratos são constituídos por borbulhadores, tubos de ascensão e
de retorno.
Bandejas com borbulhadores ou Bandejas valvuladas – cobertas 
por opérculos móveis, com   3,8 cm.
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Os estágios reais numa coluna vertical são denominados pratos ou bandejas.
Onde:
V – Vapor L – Líquido
1) Borbulhador
2) Tubo de ascensão 
3) Tubo de retorno
DESTILAÇÃO FRACIONADA 
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
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1. Colunas com pratos e borbulhadores
Os borbulhadores são fixados sobre os tubos de ascensão dos vapores e destinados à
circulação ascendente do vapor de um prato a outro. Sobre cada tubo de ascensão,
encontra-se um borbulhador. O tubo de retorno tem como finalidade fazer o retorno,
prato a prato, do excedente da fase líquida condensada sobre o prato.
Sobre cada prato ou bandeja, há um nível de líquido constante, regulado pela altura
do tubo de retorno, e que deve corresponder ao nível do topo dos borbulhadores.
Os borbulhadores são dispostos de tal forma que fiquem na mesma altura do início do
tubo de retorno de líquido, a fim de que se tenha uma ligeira imersão na camada
líquida.
Os vapores devem circular em contracorrente com o líquido, de forma ascendente,
passando pelos tubos de ascensão, borbulhando através das ranhuras dos
borbulhadores e condensando em parte nas bandejas e parte retornando à bandeja
imediatamente inferior.
DESTILAÇÃO FRACIONADA
1. Colunas com pratos perfurados
Neste tipo de coluna os pratos dotados de perfurações, cujo
diâmetro varia entre 0,8 e 3 mm.
O funcionamento é idêntico às colunas que utilizam pratos com
borbulhadores.
Geralmente, neste tipo de coluna, não existe o tubo de retorno e
os pratos ocupam toda a seção da coluna, porém existem projetos
em que as colunas com pratos perfurados são dotadas tubo de
retorno.
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
Tipos de colunas de destilação
1. Pratos – contato em cada estágio
- Contato direto entre líquido e vapor apenas nos pratos e não nos espaços
intermediários.
- Contato mais efetivo entre as fases.
- Permite trabalhar com grandes volumes e maiores flutuações da
quantidade da alimentação.
- Descrito por equações diferenciais finitas.
- Mais fáceis de limpar, mais indicados para líquidos incrustáveis.
- Mais eficientes para grandes tamanhos (muitos estágios).
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
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DESTILAÇÃO FRACIONADA - pratos perfurados
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
2. Colunas com Recheio
Neste tipo de coluna, os pratos ou bandejas são substituídos
por corpos sólidos com formatos definidos → estes corpos,
denominados recheios.
A finalidade do recheio → provocar o contato das fases líquido-
vapor.
Os corpos do recheio devem ser de alta resistência à corrosão
→ geralmente são de cerâmica ou de aço inoxidável.
Dependendo da temperatura do processo pode-se utilizar
também recheios plásticos de alta resistência.
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
2. Colunas com Recheio
As torres que utilizam recheios são muito competitivas em
relação às torres que contêm pratos com borbulhadores ou
pratos perfurados e apresentam algumas vantagens, tais como:
1. geralmente são projetos mais econômicos, por serem mais
simplificados;
2. apresentam pequena perda de carga;
3. não estão sujeitas às formações de espuma.
O tamanho dos elementos dos recheios, geralmente, variam
entre 0,5 e 8 cm.
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DESTILAÇÃO FRACIONADA - coluna de recheio DESTILAÇÃO
Corte transversal de uma coluna empacotada ou de recheios.
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Tipos de recheios para torres de destilação
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Recheios podem ser anéis do tipo Rachig, Pall, Lessing ou ainda selas do tipo
Berl, Intalox e outros.
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OU CONTÍNUA OU RETIFICAÇÃO
Tipos de colunas de destilação
2. Recheio – contato contínuo
- Contato contínuo entre líquido e vapor.
- Podem ocorrer formação de canais (atrapalha o contato entre fases).
- Menor capacidade, coluna de menor diâmetro.
- Menor retenção de líquido
- Descrito por equações diferenciais infinitas
- Menor queda de pressão no gás, em relação à torre de recheios importante
nas operações a vácuo.
- Permite menor variação de fluxo.
- Mais econômicas no processamento de líquidos corrosivos, pois pode-se
usar recheios de cerâmica.
- Construção mais simples.
- Comparando o poder de separação, o efeito de colunas de recheio da
mesma altura é superior.
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Fatores importantes a serem determinados no projeto de uma
coluna de destilação
• Números de pratos / Altura do recheio
• Tipos de pratos
• Espaçamento entre pratos
• Recheios: tipo e tamanho
• Diâmetro da torre
• Calor retirado no condensador
• Calor fornecido no refervedor
• Controles
• Detalhes de construção mecânicos
• Fundações
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Problemas
a) Arraste - Transporte de um prato para o superior de gotículas
de líquido pela fase gasosa. Abaixa a eficiência de estágio.
• O arraste é o transporte, efetuado pelo vapor, de gotículas de
líquido do prato inferior para os pratos superiores. A
quantidade de líquido arrastado depende da velocidade do
vapor ao longo da torre. No arraste, o líquido do prato
inferior contamina o líquido do prato superior com
compostos pesados (menos voláteis), piorando o
fracionamento ao longo da coluna.
• O arraste pode ser provocado pelo aumento da vazão
volumétrica do vapor, que, por sua vez, pode ser decorrente
da redução da pressão em alguma região da coluna.
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Problemas
b) Pulsação
Este fenômeno ocorre quando a vazão de vapor, que ascende de
um prato inferior para um superior da coluna, não tem pressão
suficiente para vencer continuamente a perda de carga
apresentada pela bandeja em questão. O vapor, então, cessa
temporariamente sua passagem por esta bandeja e, quando sua
pressão volta a ser restabelecida, vence a perda de carga 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 normalizada a condição de
pressão ao longo da coluna.
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Problemas
c) Espumejamento excessivo – atrapalha pois acarreta arraste
muito grande.d) Inundação – acúmulo demasiado de líquido no vertedor
descendente.
Ocorre quando o nível de líquido do tubo de retorno de um
prato atinge o prato superior.
(sugere-se espaçamento de pelo menos 0,6 m em colunas grandes
para evitar a inundação)
DESTILAÇÃO FRACIONADA
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Problemas
e) Vazamento de líquido
É o fenômeno da passagem de líquido da bandeja superior
para a bandeja inferior, através dos orifícios dos
dispositivos existentes nos pratos e que são destinados à
passagem do vapor.
Este fenômeno ocorre, quando a vazão de vapor é baixa e a
vazão de líquido é excessivamente alta.
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Fatores que influenciam as principais variáveis na destilação
fracionada
Propriedades da carga
• As proporções entre os componentes a serem separados
podem ser diferentes, haverá, então, uma razão de refluxo
para cada carga a ser processada.
• A diferença de volatilidade entre os componentes da carga, de
uma torre de destilação fracionada.
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Fatores que influenciam as principais variáveis na destilação fracionada
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 volátil 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, o tempo de contato
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 permanecerá mais tempo no prato, e, em
consequência o vapor gastará mais tempo para atravessá-lo.
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Eficiência dos dispositivos de separação das torres (Pratos)
O prato que conserva um maior nível de líquido é aquele que mais se aproxima
do equilíbrio entre as fases líquido-vapor e, por isso, é denominado de “prato
ideal”.
O prato ideal é o dispositivo que permite o maior enriquecimento em
componentes mais voláteis do vapor que penetra no líquido deste prato.
A eficiência de um prato de uma coluna de destilação fracionada poderá ser
quantificada pelo enriquecimento de componentes mais voláteis no líquido
deste prato, que no caso do prato ideal é de 100%. O valor percentual da
eficiência de um prato real, em uma coluna de destilação fracionada, está
entre 50 e 80%, é tanto maior, quanto melhor for o projeto da torre, para as
condições de operação especificadas.
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
Eficiência dos estágios reais
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.)
A eficiência mais comumente usada é definida como a razão entre o número de
estágios de equilíbrio calculado para uma dada separação e o número de
estágios necessários para efetuar esta separação. Esta é a eficiência global:
E0 = (número calculado de estágios de equilíbrio) / (número de estágios reais 
necessários)
E0 = pratos ideias / pratos reais
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Eficiência dos estágios reais
A eficiência de Murphree descreve a eficiência de um só estágio, podendo ser
definida tanto para a fase vapor como para a fase líquida. Para o estágio
abaixo, um prato perfurado no qual o vapor flui através do líquido, tem-se:
EV = (yn - yn+1) / (yn* - yn+1) (vapor)
EL = (xn-1 - xn) / (xn-1 - xn*) (líquido)
onde os termos yn* e xn* representam a composição hipotética do vapor e do 
líquido que estariam em equilíbrio ao deixarem o estágio real. 
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DESTILAÇÃO FRACIONADA
Eficiência dos estágios reais
• Assim, EV e EL são razões entre a modificação média real que ocorre nas
composições do vapor e do líquido e a modificação que ocorreria se todo o
vapor e o líquido estivessem em equilíbrio com o líquido e o vapor que efluem
realmente do estágio.
• A eficiência de Murphree pode ser usada no método gráfico de McCabe-
Thiele, traçando-se uma curva de separação real entre a curva de equilíbrio e
as retas de operação, a uma distância determinada pela eficiência. Os estágios
são construídos, então, entre a curva de separação real e as retas de
operação.
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DESTILAÇÃO FRACIONADA