Projeto de Colunas Empacotadas

As Colunas Empacotadas são usadas com maior freqüência, para remover os contaminantes de um fluxo de gás (por absorção, operação em que a transferência de massa ocorre da fase gasosa para a fase líquida). Porém, elas também são aplicadas na remoção de componentes voláteis de um fluxo líquido, por contato com um gás inerte que escoa em contra-corrente (por desorção, ou seja, a operação inversa da anterior, onde a transferência de matéria é da fase líquida para a gasosa). Além disso as "Torres de Recheio", como também são chamadas, também são utilizadas na destilação, operação na qual a separação é particularmente difícil, devido a proximidade dos pontos de ebulição dos componentes da mistura.

O projeto de uma coluna, recheada aleatoriamente, é uma mistura sutil de arte e ciência. Na discussão geral destas aplicações, nós enfocaremos a atenção na operação de adsorção (ver diagrama abaixo). Porém, os métodos de projeto são semelhantes para quaisquer dos casos.

Dados de equilíbrio

O primeiro passo no projeto de uma torre

empacotada é mais ciência que arte. Os dados de equilíbrio entre o contaminante e o solvente (ou os componentes da destilação), são necessários para a análise.

Se você não dispõe de dados tabulados para seu sistema, e a quantidade total de contaminante é pequena (como normalmente ocorrerá), a Lei de Raoult pode ser usada para calcular os dados de equilíbrio em aplicações de adsorção ou desorção (stripping).

Já no caso da destilação, os dados de equilíbrio podem ser estimados selecionando-se um modelo termodinâmico apropriado.A linha operacional para a torre é construída de modo diferente, dependendo se você está lidando com destilação ou com adsorção/desorção. Já que estamos enfocando a adsorção, usaremos essa operação como exemplo.

• Em adsorção/desorção, a construção da linha operacional também difere dependendo se o fluxo contaminado pode ser considerado "diluído", ou se deve ser tratado como um fluxo

concentrado.

• Normalmente, é seguro tratar o fluxo como diluído se o contaminante representa menos que 10%, em base molar, do fluxo total.

Quando os fluxos não podem ser considerados diluídos, os coeficientes de transferência de massa devem ser avaliados em termos dos fluxos de gás e líquido. Então, deve-se proceder a avaliação gráfica de várias relações integrais. Este tipo de avaliação, por economia de tempo e espaço, está fora do nosso propósito.

Portanto, consideraremos em nossso exemplo os fluxos diluídos, que são situações mais comuns em operações de adsorção e stripping em torre empacotada. Fluxos diluídos permitem ao projetista da coluna considerar a taxa de transferência de massa constante, e a linha operacional pode ser construído em termos do equilíbrio simplificado mostrado abaixo:

(L )sai (x )sai + (G )sai( y )sai = (L )entra( x )entra + (G )entra ( y )entra

Essa relação é usada da seguinte maneira:

Suponha que se deseje remover acetona, de um fluxo de 10.000 mol de gás/h, em uma coluna empacotada. O gás de entrada contém 2.6 mol por cento de acetona e o fluxo de saída do gás não pode conter mais que 0.5 mol por cento de acetona. Considere que um fluxo de água pura entra na torre empacotada a uma taxa de 8.000 mol/h.

Lsai xsai + Gsai ysai = Lentra xentra + Gentra yentra

(8000) ( x )sai + (10000)(0.005) = (8000)(0)+(10000)(0.026)

( x )sai = 0.02625 As linhas de equilíbrio e operação são construídas como abaixo:

Da mesma maneira que na análise de McCabe-Thiele para a destilação, as fases de equilíbrio são escalonadas entre as duas linhas. Note que para stripping, a linha operacional estaria do outro

lado da linha de equilíbrio. Após determinar o número teórico de fases, você pode prosseguir com o projeto da coluna, seguindo os três passos abaixo, esboçados com base no seguinte exemplo ilustrativo:Especifique o tipo de recheio e as dimensões da coluna que deverá será usada para remover cloro de um fluxo de gás, usando um solvente orgânico. Considere que a separação requer 20 fases teóricas. O fluxo de vapor é 7000 kg/h, e a densidade média do vapor é 4.8 kg/m3. O fluxo de líquido é 5000 kg/h, e a densidade média do líquido é 833 kg/m3. A viscosidade cinemática do líquido é 0,48 centiStokes (4.8 x 10-7 m2/s)

ETAPA 1: SELECIONE O TIPO E O TAMANHO DO RECHEIO

Aqui é onde começa a arte de projetar colunas empacotadas. Não existem regras estritas que orientem a escolha entre o empacotamento ao acaso e o estruturado. A experiência, adquirida na prática, certamente é o melhor guia na escolha.

O empacotamento estruturado é usado freqüentemente, em duas situações:

• em aplicações com quedas de pressão muito baixas, e • para aumentar a capacidade de uma coluna existente.

Considerando que nós estamos abordando um projeto novo, sem sérias restrições de queda de pressão, escolheremos o empacotamento ao acaso, mais econômico.

Abaixo são apresentados os tipos mais comuns de recheios para o empacotamento ao acaso. Os quadros mostram os Fatores de Empacotamento em unidades inglesas e métricas.

• Geralmente, a relação "diâmetro da coluna/tamanho do recheio" deve ser maior que 30 para anéis de Raschig, que 15 para selas cerâmicas, e que 10 para anéis ou selas de plástico.

• A geometria do empacotamento será tipicamente uma função da área da superfície necessária e/ou da queda de pressão permissível.

• Se vários recheios satisfazem às suas exigências, você escolherá, obviamente, o menos caro, contanto que tenha uma vida operacional aceitável.

Para o nosso exemplo, escolheremos como recheio da coluna anéis Pall (plástico). Para colunas com diâmetro acima de 24 polegadas, o recheio n.º 2, ou recheio de 2 polegadas de diâmetro,

deverá ser considerado primeiro.

Com base nas vazões envolvidas no nosso exemplo, as chances de nossa coluna ter um diâmetro de pelo menos 24 polegadas são boas, mas, verificaremos isto mais tarde. Por enquanto, vamos adotar anéis Pall de plástico, de 2 polegadas, para nossa análise inicial.

ETAPA 2: DETERMINE O DIÂMETRO DA COLUNA

A maioria dos métodos para determinar o tamanho de torres empacotadas aleatoriamente, é derivada da correlação de Sherwood. Uma vazão de gás, G, de projeto, pode ser determinada

com ajuda da figura abaixo, baseada em correlação da equação de Sherwood:

Cada linha no gráfico denota uma queda de pressão aceitável, em polegadas de água por pé de empacotamento (os números entre parênteses estão em mm de coluna de água/m de recheio). As diretrizes são as seguintes:

• Pressão de destilação de moderada a alta = 0.4 a 0.75 in água/ft recheio (32 a 63 mm água / m recheio

• Destilação a vácuo = 0.1 to 0.2 in água/ft recheio (8 to 16 mm água/m recheio)

• Absorção e Desorção = 0.2 to 0.6 in água/ft recheio (16 to 48 mm água/m recheio)

Estas diretrizes são projetadas nas imediações do ponto de inundação (afogamento), ou seja, de quedas de pressão de inundação da literatura. Em outros palavras,

para a maioria dos casos, projetar com estas quedas de pressão, deverá ajudar evitar a inundação da coluna.

• Se, em fases posteriores do projeto, você quiser executar um cálculo inundando a coluna completamente, o Manual de Engenharia

Química, de Perry, cobre bem este tópico.

Considerando que estamos projetando um absorvedor, nós projetaremos para 42 mm água / m empacotamento (você poderia projetar para uma queda de pressão mais baixa , mas a coluna aumentará em diâmetro e, provavelmente, em custo).

Primeiro, nós avaliaremos o eixo-x do gráfico acima:

(L/V)(ρvapor/ρlíquido)0.5 = (5000/7000)(4.2/833)0.5 = 0.0507

Note que foi usado o valor 4.2 kg/m3 para a densidade do vapor. Por que, se a densidade média do vapor foi dada como 4.8 kg/m3? Nós sabemos que, no topo da coluna, o vapor estará menos denso e em sua velocidade mais alta. Você deve lembrar disso, ao projetar!

Uma maneira prática de proceder, é reduzir a densidade média do vapor em aproximadamente 15% para o projeto, se você não pode obter dados reais de uma torre semelhante.

Lendo a interseção da linha correspondente a 42 mm de água/m de empacotamento e 0.05, no eixo x, nós achamos um valor de 1.5 para o eixo y:

Nas Tabelas anteriores, podemos observar que o fator de empacotamento para anéis Pall de plástico, de 2 polegadas, é igual a 24 . Todas as outras grandezas na ordenada já são conhecidas, assim, nós podemos encontrar o valor para G, como mostrado no eixo y do gráfico:

G = {1.5 [(4.2)(833-4.2)] / [(10.764)(24)(0.48)0.1] }0.5 = 4.66 kg/m2 s Agora, resolvemos para a área da seção transversal da coluna:

A = Vazão de Vapor / G = 7000 kg/h / [(4.66 kg/m2 s)(3600 s/hora)] = 0.42 m2

E o diâmetro da coluna é calculado como:

Diâmetro = [A / (π/4)]0.5 = [0.42/(π/4)]0.5 = 0.73 m ou 2.4 ft

Assim, a nossa suposição de pelo menos umas 24 polegadas de diâmetro para coluna, é precisa. Se não tivesse sido acurada, G seria recalculado usando um recheio menor, o que também corresponderia a um fator de empacotamento maior.

Se, em fases posteriores do projeto, você quiser executar um cálculo "inundando completamente

a coluna", o Manual de Engenharia Química, de Perry, cobre bem este tópico.

ETAPA 3: DETERMINE A ALTURA DA COLUNA

Talvez o passo mais interessante no projeto de uma coluna de recheio, seja decidir quão alto construí-la. Num projeto preliminar, a HEPT (Altura Equivalente a um Prato Teórico) geral servirá bem.

Se o projeto requer um grau mais alto de precisão, é recomendável consultar o fabricante do recheio, ou algum livro específico, como o Distillation Design de Henry Kister (McGraw-Hill, ISBN 0-07-034909-6), que contém uma lista exaustiva de valores da HEPT, baseada nos componentes do sistema e no tipo de recheio usado (Capítulos 10 e 11). Como estimativa preliminar, os seguintes valores de HEPT podem ser usados:

Aplicação Tamanho do recheio (in) HEPT , ft (metros)

Destilação 1.0 1.5 (0.46)1.5 2.2 (0.67)2.0 3.0 (0.91)

Destilação a vácuo 1.0 2.0 (0.67)1.5 2.7 (0.82)2.0 3.5 (1.06)

Absorção /Stripping Todos os tamanhos 6.0 (1.83)

Para determinar a altura da torre de adsorção em nosso exemplo, nós multiplicamos as 20 fases teóricas por 6 ft ou por 1.83 m. Assim, estimamos que a altura da torre seja 120 ft ou, aproximadamente, 37 metros. Nota: Para informações detalhadas sobre recheios industriais, visite a página da Norton Chemical Process Products Co., um dos mais qualificados fabricantes neste campo. Você também poderá ver ilustrações de alguns dos recheios no website (http://www.nortoncppc.com/).