A Coluna de Destilação

PRÁTICA nº 3: COLUNA DE DESTILAÇÃO: SISTEMAS DE CONTROLE

       

1. OBJETIVO  

Foi realizada uma perturbação de grau na temperatura da alimentação de uma coluna de destilação, com o objetivo de avaliar o comportamento da base e do topo da coluna frente a esta perturbação; bem como de outras temperaturas intermediárias. Também verificar se a coluna consegue rejeitar a perturbação e retomar o ponto de operação com novas condições de operação da planta (ou seja, temperatura menor da alimentação).

1. RESULTADOS E DISCUSSÕES  

Os experimentos foram conduzidos em uma coluna experimental piloto composta de 13 estágios, processando uma mistura binária água/etanol com composições volumétricas iniciais de etanol na alimentação de 10% (v/v). A alimentação da coluna foi inserida no quarto prato. A temperatura da alimentação foi controlada para entrar na coluna na temperatura de equilíbrio do prato (em torno de 94°C, antes da perturbação). As condições de operação utilizadas nos testes experimentais são descritas na Tabela 1. A vazão de destilado foi de 10L/h.

Tabela 1: Condições de operação empregadas na coluna de destilação

Variável                                                                Valor (SI)

Fração volumétrica de etanol na alimentação                        0,10

Fração volumétrica de etanol no topo                                0,865

Temperatura da alimentação                                        94ºC

Temperatura da base                                                101ºC

Vazão da alimentação                                                300 L.h-1

Pela análise de dados coletados da temperatura (ºC) e do tempo (h) durante o processo mostrados na Figura 1, nota-se que ao ser aplicada a perturbação, houve uma queda de temperatura passando de 94°C para 82°C após o tempo de 0,5 horas, tendo um decréscimo de 12°C, como mostrado na (Figura 1).  Isso ocorreu devido a manipulação de água no trocador de calor, resfriando a corrente (MARANGONI et al, 2005).

[pic 1]

Figura 1 - Estado transiente (após a perturbação) da temperatura de alimentação em função do tempo na coluna de destilação.

Com o tratamento de dados das Figuras 2 e 3, podemos observar as alterações que ocorrem na base da coluna de destilação em função do tempo, no momento que é aplicada a perturbação.

[pic 2]

Figura 2 - efeito da perturbação da temperatura de alimentação na temperatura da base.

[pic 3]

Figura 3 - Abertura da válvula controle da base versus o tempo.

Analisando as Figuras 2 e 3, onde é mostrado a malha de controle da base, composta pela variável controlada (gráfico da Temperatura da Base x Tempo), e a variável manipulada, (Gráfico da abertura da Válvula da Base x Tempo), notamos que a temperatura da base no início é de 101,0 °C, mas após aproximadamente o tempo de 0,5 horas essa temperatura diminui, passando para em torno de 99,25 °C, isso acontece após ser aplicado a perturbação. Quando o tempo chega em torno de 0,9 horas essa temperatura volta a ser 101,0 °C se estabilizando. A perturbação na base se inicia no mesmo período de tempo nos dois gráficos, mas a abertura da válvula se estabiliza antes da temperatura, este efeito pode ser explicado pelo fato da temperatura depender do nível de abertura da válvula, essa abertura da válvula mostrada na (Figura 3) foi de aproximadamente 16% para 25%, se estabilizando em um tempo próximo a 0,6 horas.

Nas Figuras 4 e 5 é apresentada a aplicação de perturbação, onde nota-se alterações que ocorreram no topo da coluna de destilação em função do tempo.

[pic 4]

Figura 4 – Efeito da perturbação da alimentação na temperatura no topo (°C) em função do tempo (h).

[pic 5]

Figura 5 - Abertura da válvula de vapor do topo (%) em função do Tempo (h).

Observa-se que na Figura 4 a temperatura no topo está em 83°C e após 0,5 horas com o efeito da perturbação, essa temperatura passa a ser menor que 81°C, se estabilizando após 0,6 horas com uma temperatura de pouco menos que 82°C, não voltando a se estabilizar com a temperatura do início do processo que era de 83 °C. Já a Figura 5, quando é aberta a válvula de vapor no topo, ocorre um decréscimo de aproximadamente 8%, se estabilizando também em um tempo aproximado de 0,6 horas, podendo ser consideradas as Figuras 4 e 5 diretamente relacionadas.

Em uma coluna, a transferência de massa entre as fases ocorre através da interface (líquido/vapor) formada, proporcionando o aumento da concentração do componente mais volátil na fase vapor e o seu consequente esgotamento na fase líquida (Mello, 2013). Os vapores ascendentes atingem o topo da coluna e por ser o último estágio, a temperatura deve ser menor do que os pratos abaixo.

Para que seja demonstrada a temperatura dos pratos 2, 4, 7 (ºC), desenvolveu-se o gráfico, conforme a figura 6.

[pic 6]

Figura 6 - Temperatura dos pratos 2, 4, 7 (ºC) em função do tempo (h).

A perturbação e alimentação, foram realizadas no 4º prato, sendo assim, foi observado que a temperatura do prato não regressou ao valor inicial de perturbação, pois o 4º prato recebe diretamente o distúrbio na temperatura de alimentação, fazendo com que a válvula de controle atue de maneira rápida, contribuindo para que reduza a temperatura do processo (OLIVEIRA, 2013).

[pic 7]

Figura 7 - Temperatura dos pratos (°C) em relação ao nº de pratos da coluna.

A variação de temperatura nos diferentes pratos da coluna pode ser observada na Figura 7. A temperatura dos pratos varia de 70ºC (no último prato) até 101ºC (no prato zero). Isto se deve à diferença na composição do produto que está sendo destilado, o qual necessita de uma temperatura mais elevada quando existe maior concentração de água (base da coluna) e temperatura mais branda onde o etanol encontra-se em maior concentração (topo da coluna). Uma vez que a água e o etanol possuem pontos de ebulição diferentes.