Métodos de ajuste da pressão da torre

Organize regularmente a mesa e as prateleiras; uma boa disposição mental pode fazer com que você alcance mais resultados com menos esforço.

Conhecimentos básicos sobre a operação de destilação 1. O que são fases e equilíbrio de fases: Resposta: Uma fase é uma parte homogênea dentro de um sistema que possui as mesmas propriedades físicas e químicas. Geralmente, existe uma interface entre as diferentes fases, que as separa umas das outras. O número de fases no sistema não está relacionado à quantidade da substância. Quando água e gelo são misturados, a água fica na fase líquida, enquanto o gelo fica na fase sólida. Em geral, os materiais, dentro da coluna de destilação, existem nas fases gasosa e líquida. Em determinadas temperaturas e pressões, se houver dois ou mais fases no sistema de matéria, e a quantidade relativa da matéria em cada fase, bem como a concentração de cada componente na matéria em cada fase, não mudarem com o tempo, dizemos que o sistema está em estado de equilíbrio. Em equilíbrio, a matéria continua se movendo constantemente. No entanto, as quantidades de cada fase e as concentrações dos componentes em cada uma delas não mudam com o tempo. Quando as condições mudam, é estabelecido um novo equilíbrio de fases. Portanto, o equilíbrio de fases é dinâmico e relativo, e não estático e absoluto. Por exemplo: em um sistema de destilação, quando os gases com temperatura mais alta e o líquido com temperatura mais baixa entram em contato nas placas da coluna de destilação, ocorre transferência de calor e massa. Como resultado, parte do gás se condensa, e a concentração dos componentes com ponto de ebulição mais alto no líquido formado aumenta continuamente. A parte líquida nas placas de troca de calor se vaporiza, e a concentração dos componentes de ponto de ebulição baixo no fase gasosa aumenta continuamente. Mas esse processo de transferência de calor e massa não é ilimitado. Quando as duas fases, gasosa e líquida, atingem o equilíbrio, a composição de cada componente nas duas fases deixa de mudar com o tempo. 2. O que é a pressão de vapor saturado? Resposta: A pressão exercida pelo vapor em equilíbrio com a forma líquida (ou sólida) da mesma substância, a uma determinada temperatura, é chamada de pressão de vapor saturado. Essa pressão aumenta à medida que a temperatura sobe. Como é sabido, a água que fica em um copo vai diminuindo progressivamente devido à evaporação contínua. Se se colocar água pura em um recipiente fechado e se retirar o ar que está acima dela, à medida que a água evapora continuamente, a pressão do gás acima da superfície da água – ou seja, a pressão exercida pelo vapor d’água – aumenta constantemente. No entanto, quando a temperatura é constante, a pressão do estado gasoso acaba se estabilizando em um valor fixo. Nesse caso, essa pressão é chamada de pressão de vapor saturado da água àquela temperatura. É importante notar que, quando a pressão do estado gasoso atinge o valor da pressão de vapor saturado, as moléculas de água no estado líquido continuam a se vaporizar, enquanto as moléculas de água no estado gasoso continuam a se condensar em líquido. Como a velocidade de vaporização da água é igual à velocidade de condensação do vapor d’água, a quantidade de líquido não diminui, nem a quantidade de gás aumenta. Assim, gás e líquido alcançam um estado de equilíbrio. Portanto, quando a pressão do vapor de uma substância pura em estado líquido atinge sua pressão de vapor saturado, as duas fases – gasosa e líquida – alcançam o equilíbrio de fase. 3. O que é destilação? Qual é o princípio da destilação? Resposta: O processo de destilação consiste em vaporizar parcialmente a mistura líquida várias vezes, e ao mesmo tempo condensar parcialmente o vapor produzido, de modo que a mistura seja separada nas componentes desejadas. Por que, ao realizar várias vezes a vaporização parcial de uma mistura líquida, seguida de várias vezes a condensação parcial, é possível separar os componentes em formas puras ou relativamente puras? No processo de vaporização e condensação, como os componentes presentes na mistura líquida possuem pontos de ebulição diferentes, quando ela se vaporiza parcialmente a uma determinada temperatura, os componentes com ponto de ebulição mais baixo tendem a se vaporizar mais facilmente. Por isso, sua concentração no estado gasoso é maior do que no estado líquido. Já nos líquidos, os componentes com ponto de ebulição mais alto têm concentração maior no estado líquido do que no estado gasoso. Isso muda a composição das fases gasosa e líquida. Quando parte do vapor obtido pela vaporização é parcialmente condensada, como os compostos com ponto de ebulição elevado se condensam mais facilmente, a concentração desses compostos no líquido resultante é maior do que na fase gasosa. Por outro lado, a concentração dos compostos com ponto de ebulição baixo no gás condensado é maior do que no líquido. Dessa forma, por meio de uma vaporização parcial e uma condensação parcial, a mistura é inicialmente separada, devido às mudanças nas concentrações de cada componente. Se isso for feito repetidamente, no final, o que permanecerá na fase líquida serão basicamente os componentes de ponto de ebulição elevado, enquanto na fase gasosa permanecerão basicamente os componentes de ponto de ebulição baixo. Assim, pode-se concluir que a vaporização parcial e a condensação parcial, realizadas simultaneamente várias vezes, permitem separar a mistura em componentes puros ou relativamente puros. A vaporização de um líquido absorve calor, enquanto a condensação de um gás libera calor. Para utilizar o calor de maneira eficiente, podemos usar o calor liberado durante a condensação do gás para viabilizar a vaporização do líquido. Ou seja, fazemos com que as fases gasosa e líquida entrem em contato direto, permitindo assim a transferência de calor e também de massa. Para atender a esse requisito, na prática, esse processo de várias vaporizações parciais acompanhadas de várias condensações parciais é realizado em equipamentos de tipo placa com fluxo contrário. O chamado fluxo contrário ocorre quando o gás, de temperatura mais alta, gerado pelo aquecimento do líquido, flui de baixo para cima, em direção oposta ao líquido de retorno, de temperatura mais baixa, que se forma no topo da torre devido à condensação (e que contém componentes com ponto de ebulição baixo). Os processos de transferência de calor e massa que ocorrem dentro da torre são os seguintes: 1) Há troca de calor entre as fases gasosa e líquida; o calor obtido pela vaporização parcial do gás é utilizado para aquecer a mistura líquida resultante da condensação ； 2) As duas fases, gasosa e líquida, realizam troca de massa simultaneamente à troca térmica. A mistura de líquidos com temperatura mais baixa é aquecida pela mistura de gases com temperatura mais alta, fazendo com que parte dela se vaporize. Nesse momento, devido às diferenças na capacidade de volatilização (os compostos com ponto de ebulição baixo têm maior capacidade de volatilização, enquanto os compostos com ponto de ebulição alto têm menor capacidade), os compostos com ponto de ebulição baixo volatilizam-se mais do que os compostos com ponto de ebulição alto. Como resultado, os componentes com ponto de ebulição baixo passam do estado líquido para o estado gasoso, fazendo com que as substâncias facilmente voláteis se concentrem no estado gasoso ； Da mesma forma, a mistura gasosa com temperatura mais alta, ao aquecer a mistura líquida de temperatura mais baixa, sofre um condensação parcial. Também devido às diferenças na capacidade de volatilização, os componentes de alto ponto de ebulição passam do estado gasoso para o líquido; consequentemente, os componentes de baixa volatilidade tornam-se mais concentrados no estado líquido. A coluna de destilação é composta por várias placas de destilação. A parte mais superior da coluna é chamada de topo da coluna, enquanto a parte mais inferior é chamada de fundo da coluna. Em uma placa da torre, ocorre apenas uma vaporização parcial e uma condensação parcial. Quanto maior o número de placas, maior será o número de vezes que ocorrem a vaporização parcial e a condensação parcial, resultando em um melhor efeito de separação. Ao longo de todo o processo de destilação, os componentes voláteis de alta pureza são finalmente obtidos no topo da coluna, enquanto os componentes praticamente não voláteis ficam no fundo da coluna. 4. O que é o ponto de orvalho? Resposta: Ao resfriar uma mistura de gases sob condições de pressão constante, quando ela atinge uma determinada temperatura, formam-se as primeiras gotículas líquidas. Essa temperatura é chamada de ponto de orvalho da mistura, sob a pressão especificada – ou simplesmente ponto de orvalho. Um gás que se encontra à temperatura de ponto de orvalho é chamado de gás saturado. A temperatura do gás que evapora no topo da coluna de destilação é igual à temperatura de orvalho. É importante notar que o primeiro estado selvagem não é uma composição pura; trata-se de um estado líquido em equilíbrio com a fase gasosa à temperatura de ponto de orvalho, cuja composição é determinada pelas relações de equilíbrio de fases. Portanto, pode-se concluir que, para misturas de gases com composições diferentes, o ponto de orvalho da torre também é diferente. 5. O que é o ponto de ebulição? Resposta: Quando uma mistura líquida é aquecida a uma certa temperatura, sob uma determinada pressão, a primeira bolha muito pequena que aparece no líquido, ou seja, a temperatura em que o fervor começa, é chamada de ponto de ebulição desse líquido sob essa pressão. Em resumo, é o ponto de ebulição. Um líquido que se encontra à temperatura de ponto de ebulição é chamado de líquido saturado, ou seja, a temperatura do tanque da coluna de destilação. Deve-se esclarecer que essa primeira bolha muito pequena também não é um componente puro; sua composição é determinada pelas relações de equilíbrio de fases. 6. O que é o ponto de ebulição? Resposta: Quando a pressão de vapor saturado de um líquido puro é igual à pressão externa, o líquido começa a ferver. A temperatura nesse momento é chamada de ponto de ebulição do líquido sob aquela pressão específica. O ponto de ebulição de uma substância pura muda com as variações da pressão externa. Quando a pressão externa aumenta, o ponto de ebulição sobe; quando a pressão externa diminui, o ponto de ebulição desce. Para substâncias puras, a uma determinada pressão, o ponto de ebulição, o ponto de orvalho e o ponto de vaporização são todos um mesmo valor. 7 O que é calor latente? Resposta: A massa de uma substância pura por unidade de peso, durante uma transformação de fase (quando ocorre uma mudança no estado físico da substância, sem a ocorrência de reações químicas; isso é chamado de transformação de fase). Processos como a água se transformar em gelo ou a água se vaporizar em vapor d’água são considerados processos de mudança de fase. O calor absorvido ou liberado durante um processo é chamado de calor latente. O calor absorvido pelo processo em que 1 quilograma de água, em estado líquido, se transforma em vapor d’água é chamado de calor latente de vaporização da água. A unidade utilizada para expressá-lo é o quilo-caloria por quilograma. É importante notar que, durante a transição de fase, tanto a temperatura quanto a pressão permanecem constantes; caso contrário, não se pode falar de calor latente. Portanto, ao se falar nos valores do calor latente, é necessário indicar em que temperatura e pressão ocorre o processo de transformação de fase. Por exemplo, 1 quilo de água, sob uma pressão de 760 milímetros de mercúrio e a 100 graus Celsius, vaporiza; o calor latente de vaporização é de 539,6 quilocalorias. Por outro lado, nessas condições, o calor liberado pela condensação do vapor d’água é chamado de calor latente de condensação, e seu valor é igual ao anterior. O calor latente da mistura pode ser medido ou calculado. Seu valor depende, não apenas das propriedades dos componentes, mas também de sua concentração na mistura; portanto, não é um valor fixo. 8. O que é calor sensível? Resposta: O calor absorvido ou liberado por uma substância pura, em condições em que não ocorrem transformações de fase ou reações químicas, devido à mudança de temperatura, é chamado de calor sensível. 9 O que é a relação de refluxo? Resposta: No processo de destilação, o vapor gerado pelo aquecimento da mistura sai pelo topo da coluna e entra no condensador localizado no mesmo local. O vapor se condensa aqui (ou parcialmente) em líquido. Parte desse líquido condensado é devolvida ao topo da torre, descendo ao longo das placas da torre. Esse líquido é chamado de líquido de refluxo ； Outra parte do condensado (ou do vapor não condensado) é retirada do topo da torre, para ser utilizada como produto. A razão de refluxo é a relação entre a massa do líquido de refluxo e a massa do líquido extraído. Geralmente, ela é representada por R, ou seja, R = L/D. Nessa equação, R é a razão de refluxo; L é a quantidade de líquido de refluxo que chega ao topo da coluna por unidade de tempo, em quilogramas/hora. D – Quantidade de material coletado no topo da torre por unidade de tempo, em quilogramas/hora. 10. O que é a razão mínima de refluxo? Resposta: Sob os requisitos de precisão de separação estabelecidos, ou seja, quando a composição do produto extraído do topo e da base da coluna permanece constante, ao se reduzir gradualmente a relação de refluxo, o número de placas teóricas aumenta progressivamente. Quando a razão de refluxo é reduzida a um determinado valor, o número teórico de pratos necessários aumenta para infinito. Esse valor da razão de refluxo é considerado a menor razão de refluxo capaz de realizar a separação desejada. O razão de refluxo real durante a operação normal é tomada como 1,3 a 2 vezes a razão de refluxo mínima. 11. O que é refluxo total? Resposta: Na operação de destilação, a operação em que se interrompe a alimentação da coluna, a saída do fundo da coluna e a saída do topo da coluna, utilizando todo o condensado do topo como líquido de refluxo, é chamada de refluxo total. A operação de refluxo total é utilizada, na maioria das vezes, no início da partida da coluna de destilação, ou na operação de recirculação automática da coluna quando a produção não está normal. 12. Como se determina a razão de refluxo mais adequada? Resposta: Para processos com requisitos de separação fixos, quando a razão de refluxo é reduzida, os custos operacionais (manifestados principalmente no aquecimento da base da coluna e no resfriamento do topo da coluna) diminuem, o número de pratos necessários aumenta e os custos de investimento na coluna crescem ； Por outro lado, ao aumentar a razão de refluxo, é possível reduzir o número de pratos, mas os custos de operação aumentam. Portanto, no momento do projeto, deve-se escolher a taxa de refluxo mais adequada, de modo que a soma dos custos de investimento e dos custos operacionais periódicos seja mínima, sob determinadas condições econômicas. Nesse caso, a taxa de refluxo é chamada de taxa de refluxo ótima. O razão de refluxo ideal deve ser de 1,3 a 2 vezes a razão de refluxo mínima. 13. O que é a queda de pressão em uma coluna de destilação? Resposta: A chamada queda de pressão na coluna de destilação é, na verdade, a diferença de pressão entre a parte inferior e a parte superior da coluna. Para as colunas de placas, a queda de pressão nas placas é composta por três componentes principais: a queda de pressão na placa seca, a queda de pressão na camada líquida e a queda de pressão necessária para superar a tensão superficial do líquido. A diferença de pressão entre a base da coluna e o topo da coluna é a soma das quedas de pressão em cada placa da coluna. O chamado declínio de pressão nas placas secas refere-se à queda de pressão que ocorre quando o gás (ou vapor) em ascensão dentro da coluna de destilação passa por placas onde não há líquido presente ； A queda de pressão que ocorre quando o gás atravessa a camada líquida em cada prato da coluna é chamada de queda de pressão na camada líquida ； A queda de pressão que ocorre quando o gás supera a tensão superficial do líquido é chamada de queda de pressão devido à tensão superficial do líquido. Para uma coluna fixa, em condições normais de operação, a queda de pressão na coluna varia principalmente em função da velocidade do fluxo do gás ascendente. A experiência mostra que a queda de pressão é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade do gás. 14. O que é a velocidade de vazio da torre? Qual é a relação entre ele e a velocidade do fluxo de ar? Resposta: A velocidade da coluna vazia refere-se à razão entre o volume de vapor que sobe pela coluna de destilação por unidade de tempo e a área de seção transversal da coluna, ou seja, a distância que o vapor percorre dentro da coluna por unidade de tempo. A unidade é metros cúbicos por segundo. m² ou m/s. A fórmula é: W = VsAa. Onde W representa a velocidade do vazio na coluna, em metros por segundo ； Vs — Vazão volumétrica de vapor em ascensão, m³/s ； Aa — Área total da torre, em m². ∵Aa = 0,785D² (onde D é o diâmetro interno da torre, em metros). Portanto, W = Vs/0,785D². A velocidade do vapor refere-se à razão entre o volume de vapor que passa pelo orifício em um determinado período de tempo e a área total do orifício. Em outras palavras, é a velocidade com que o gás sobe pelo orifício, sendo medida em m³/s. m² ou m/s, fórmula: W_orifício = Vs/AT. Onde: W_orifício — velocidade do orifício, em m/s ； AT – Área total de seção dos estômatos, em m². Como a área total dos orifícios de ascensão é determinada pela porcentagem de aberturas nas placas da coluna, sendo que essa porcentagem é representada por Φ, então a fórmula fica assim: W_orifícios = Vs/0,785D²Φ = W/Φ. A velocidade do ar na coluna vazia é um dos fatores importantes que influenciam o processo de destilação. Para as colunas que já foram definidas, se a velocidade do ar dentro da coluna for aumentada dentro dos limites permitidos, é possível elevar a capacidade de produção da coluna. Quando a velocidade do ar na coluna atinge um certo limite, as fases gasosa e líquida não têm tempo suficiente para entrar em contato nas placas da coluna. Isso causa um grave problema de transporte de espuma, o que prejudica o funcionamento normal da coluna. Geralmente, a velocidade da coluna vazia é determinada com base no fato de que a quantidade de névoa transportada não deve exceder 10%, sendo essa a velocidade máxima permitida. Quando a velocidade do ar na coluna é muito baixa, isso dificulta a passagem dos gases pelos orifícios. Além disso, não é possível manter o líquido nas placas superiores da coluna. O líquido pode então voltar para as placas inferiores através dos orifícios de saída de ar. Esse fenômeno é chamado de vazamento de líquido. Quando o vazamento é grave, ele reduz a eficiência de separação da coluna de destilação, especialmente em colunas de placa, colunas com válvulas flutuantes e colunas em formato de língua. 15. O que é a área de abertura da torre? Como é determinada a taxa de abertura? Resposta: Dentro da torre de destilação, o vapor flui de baixo para cima, enquanto o líquido flui de cima para baixo. Ambos precisam passar por cada camada da torre ao mesmo tempo. Os canais por onde o gás passa através das placas da coluna são chamados de orifícios de ascensão. A área total desses orifícios corresponde à área de abertura de cada placa da coluna. A área de abertura da torre de válvulas flutuantes é a soma das áreas das seções transversais de todos os orifícios das válvulas flutuantes. A seleção da área de seção transversal do orifício é determinada com base no tamanho da carga de produção e na velocidade do vapor permitida. A taxa de aberturas, como geralmente é chamada, representa a relação entre a área total das aberturas e a área total da torre vazia. Essa taxa é expressa por Φ, ou seja: Φ = AT/Aa × 100%. Onde Φ é a taxa de aberturas; AT é a área total das aberturas, em m²; e Aa é a área total da torre vazia, também em m². Às vezes, para atender às diferentes cargas de gás em cada placa ou seção da torre, pode-se optar por diferentes taxas de aberturas durante o projeto. Quando a taxa de abertura é diferente, a eficiência de transferência de massa também varia. Além disso, a taxa de aberturas também tem grande impacto na capacidade de processamento da torre. No mesmo diâmetro de torre, a capacidade de processamento aumenta proporcionalmente ao aumento da taxa de abertura ； Para a mesma capacidade de processamento, à medida que a taxa de aberturas aumenta, o diâmetro da torre pode ser reduzido. Portanto, a taxa de aberturas é um dos indicadores importantes no projeto. 16. O que é transbordamento? Resposta: Na operação de destilação, o líquido presente nas placas inferiores da coluna sobe para as placas superiores, o que prejudica o funcionamento normal da coluna. Esse fenômeno é chamado de transbordamento de líquido. A causa da formação de transbordamento líquido é, principalmente, a velocidade excessiva do vapor que sobe dentro da torre, ultrapassando a velocidade máxima permitida. Além disso, nas operações de destilação, é comum ocorrer uma carga líquida excessiva, fazendo com que o nível do líquido no tubo de transbordamento suba, de modo que o líquido nos pratos superiores e inferiores se conecte, prejudicando o funcionamento normal da coluna. Essa também é uma forma de transbordamento líquido. Os dois fenômenos acima são ambos casos de transbordamento líquido, mas as causas que os provocam são diferentes. 17. O que é a embolização de névoa? Resposta: A transferência de névoa refere-se às gotículas líquidas que são levadas do plano inferior da coluna para o plano superior pela corrente de gás. Durante o processo de transferência de massa, a grande quantidade de névoa arrastada pode levar componentes pesados, que não deveriam chegar ao topo da torre, ao produto final, reduzindo assim a qualidade do produto. Além disso, isso diminui a diferença de concentração no processo de transferência de massa, resultando na queda da eficiência das placas da torre. Para uma torre específa, a quantidade máxima permitida de arrastamento de gotículas limita a velocidade de subida do gás. Existem muitos fatores que afetam a quantidade de entrainment de névoa, como o espaçamento entre as placas da torre, a velocidade do vazio na torre, a altura do weir, a velocidade do fluxo líquido e as propriedades físico-químicas do material, entre outros. Ao mesmo tempo, deve-se ressaltar que a quantidade de espuma transportada está também diretamente relacionada à estrutura do dispositivo de captura. Embora haja muitos fatores que influenciam a quantidade de espuma transportada, os principais fatores são a velocidade do ar na coluna e o espaço de separação entre o gás e o líquido entre as placas da coluna. Para torres fixas, a quantidade de espuma transportada aumenta principalmente à medida que a velocidade do ar na torre aumenta. No entanto, se o distância entre as placas da coluna for aumentada, ampliando assim o espaço de separação, a velocidade do ar na coluna também aumentará correspondentemente. 18. O que é vazamento de líquidos? Resposta: O fenômeno em que o líquido presente nas placas da coluna flui de volta para as placas inferiores, através dos canais de gás ascendente, é chamado de vazamento. Na operação de destilação, se a energia do gás em ascensão for insuficiente para superar a camada líquida presente nas placas da coluna, ou até mesmo se essa energia for menor do que a energia potencial da camada líquida, então o líquido não consegue ser retido e ocorre vazamento. Quanto menor a velocidade da torre vazia, maior é o vazamento. O resultado disso é que uma parte do líquido flui para as prateleiras inferiores da coluna, sem entrar em contato com o gás em ascensão. Assim, os componentes de baixo ponto de ebulição, que não deveriam permanecer no líquido, não são evaporados, o que reduz a eficiência das prateleiras da coluna. Portanto, a velocidade mínima de operação adequada das placas de coluna é limitada pela quantidade de líquido que vaza. Em condições normais de operação, exige-se que a quantidade de líquido que vaza não seja maior que 10% da quantidade de líquido presente nas placas de coluna. O volume de vazamento também é uma das características utilizadas para avaliar o desempenho das placas de troca de calor. As placas de peneira, as placas de válvula flutuante e as placas em forma de língua tendem a apresentar vazamentos mais facilmente quando a velocidade do gás ascendente na coluna é baixa. 19. O que é flexibilidade operacional? Resposta: A flexibilidade operacional refere-se à faixa que vai do valor mínimo permitido para a velocidade do gás em ascensão (limite inferior de carga) até o valor máximo permitido (limite superior de carga). Quando a velocidade do gás ascendente varia dentro dessa faixa, a coluna de destilação consegue manter uma operação normal com um determinado grau de separação. Como já mencionado anteriormente, o limite superior da carga da coluna de destilação é determinado pelo fato de que a quantidade de gotículas de líquido transportadas pelo vapor ascendente não deve exceder 10% do fluxo de vapor ； O limite inferior de carga é definido pela condição de que a quantidade de líquido que vaza do prato não exceda 10% do fluxo de líquido. Em geral, as torres com válvulas flutuantes têm a maior flexibilidade operacional; alguns testes mostram que a razão entre o limite superior e o limite inferior de carga pode chegar a cerca de 7–9. As torres com cúpulas vêm em segundo lugar, e as torres com placas perfuradas são as menos flexíveis. Deve-se notar que, quando a velocidade do gás em ascensão muda, a eficiência das placas de troca de calor também muda, o que acaba afetando o desempenho da separação. 20. O que é o fenômeno de refluxo? Resposta: Nas placas de coluna com tubos de descida, o líquido atravessa a placa em fluxo contrário ao do gás; assim, a concentração dos componentes voláteis no líquido diminui gradualmente ao longo da direção do fluxo. Mas, quando o gás em ascensão forma vórtices no prato da coluna, o líquido de alta concentração se mistura com o líquido de baixa concentração, o que acaba por prejudicar a variação de concentração do líquido ao longo da direção do fluxo. Esse fenômeno é conhecido como efeito de retroconversão. O fenômeno de refluxo pode causar uma redução na eficácia da separação. O fenômeno de recirculação é influenciado por vários fatores, como o tempo de permanência, as condições do fluxo do líquido, o comprimento dos canais de fluxo, a horizontalidade das placas da coluna e o gradiente hidráulico. 21. O que é o equilíbrio de materiais? Qual é a importância do equilíbrio de materiais nas operações de destilação? Resposta: O equilíbrio de materiais é a aplicação da lei da conservação da massa e das transformações massais na indústria química. Para qualquer processo de produção, em termos de peso, a quantidade de matéria-prima transformada deve ser igual à soma da quantidade de produto gerado e da quantidade de matéria-prima perdida. Por meio do balanço de materiais, é possível saber como os materiais brutos se transformam em produtos e qual é o volume de perdas, a fim de encontrar maneiras de melhorar a situação. O balanço de materiais é aplicável a todo o processo ou a alguma fase dele ； É possível fazer o balanço de todas as substâncias envolvidas no processo, ou então do componente específico desejado. Ter conhecimento constante do equilíbrio de materiais na coluna de destilação durante as operações é um requisito fundamental e essencial para um operador. Se o equilíbrio dos materiais não for bem controlado, uma das possibilidades é haver entrada excessiva de matéria-prima e saída insuficiente ； Outra opção é usar menos matéria-prima e extrair mais. Nenhuma dessas duas situações é uma operação normal, e afeta a qualidade e a quantidade do produto. Portanto, para que a coluna de destilação opere nas melhores condições, visando melhorar a qualidade e a quantidade do produto, reduzir o consumo de energia e diminuir as perdas durante o processo de processamento, é necessário realizar regularmente cálculos de balanço de materiais e ajustes nas operações. 22. Qual é a posição mais adequada para a placa de alimentação? Resposta: A posição mais adequada para a placa de alimentação é aquela que, com o mesmo número teórico de placas e nas mesmas condições operacionais, permite a maior capacidade de separação, ou seja, aquela em que é necessário o menor número possível de placas teóricas nas mesmas condições operacionais. Na indústria química, a maioria das colunas de destilação possui duas ou mais placas de alimentação. A posição dessas placas é ajustada com base nas mudanças nas composições dos materiais que são alimentados à coluna. Quando a proporção de componentes leves no material de alimentação é menor do que o normal, é necessário mover a placa de alimentação para baixo, a fim de aumentar o número de placas na seção de destilação. Isso permite melhorar a capacidade de separação nessa seção. Por outro lado, se a posição da placa de alimentação for elevada, isso serve para aumentar o número de placas na seção de destilação, com o objetivo de melhorar a capacidade de separação nessa seção. Em resumo, a concentração do componente leve na placa de alimentação deve ser menor do que a concentração desse mesmo componente na última placa da seção de destilação, e maior do que a concentração do mesmo componente na primeira placa da seção de stripping. Dessa forma, evita-se que a alimentação prejudique a composição dos materiais em cada camada da coluna, mantendo assim um funcionamento estável. 23. O que é a eficiência das placas de destilação? Resposta: Na operação real de uma coluna de destilação, devido às limitações relacionadas ao tempo de transferência de massa e à área de contato entre os fluidos, não é possível alcançar um estado de equilíbrio gasoso-líquido. Ou seja, a concentração dos componentes de baixo ponto de ebulição no vapor presente nas placas de destilação é menor do que a concentração desses mesmos componentes no vapor quando há equilíbrio com a fase líquida. Portanto, a eficácia de uma placa de destilação real é sempre inferior à eficácia de uma placa teórica. Partindo desse conceito, a eficiência da placa de troca pode ser expressa como a razão entre o número teórico de placas e o número real de placas. Os principais fatores que afetam a eficiência das placas de troca são: (1) a velocidade da troca entre a fase gasosa e a fase líquida ； (2) Grau de mistura entre as fases gasosa e líquida na placa de troca de calor ； (3) A quantidade de gotículas líquidas que são levadas para as placas superiores pela vaporização, e a quantidade de líquido que vaza das placas. Os três fatores mencionados acima são, por sua vez, influenciados pelo design e pela disposição das placas de troca de calor, pelas condições de operação, bem como pelas propriedades físicas do material a ser processado. O projeto e a disposição das placas da coluna incluem: as dimensões geométricas das placas, o espaçamento entre elas, a altura da borda de transbordamento, a taxa de abertura, e a disposição dos orifícios para passagem do gás. As condições de operação incluem: velocidade do vapor ascendente, tempo de permanência do líquido nas placas da coluna, temperatura e pressão, entre outros. As propriedades físicas dos materiais incluem: volatilidade relativa, viscosidade e densidade do vapor e do líquido, coeficiente de difusão e tensão superficial, entre outras. Cabe ressaltar que as propriedades físicas dos materiais variam de acordo com a temperatura e a pressão operacionais na torre. Na produção, ao selecionar o tipo de prato, este deve atender aos seguintes requisitos: (1) alta eficiência do prato ； (2) Grande capacidade de produção, ou seja, é permitida uma carga maior de fases gasosa e líquida, o que permite que torres de menor tamanho realizem tarefas de produção de maior porte ； (3) Operação estável, boa flexibilidade de operação ； (4) Econômico e durável, consome pouco aço ； (5) Fácil de operar e manutenir. 24. O que é a altura equivalente do material de preenchimento? Resposta: A altura equivalente do material de preenchimento também é chamada de altura de placa equivalente do material de preenchimento. É equivalente à altura do material de preenchimento necessária para alcançar um grau de separação equivalente a uma placa teórica; pode também ser descrito como a altura do material de preenchimento que tem o mesmo efeito de uma placa teórica. 25. O que é a densidade de pulverização do material de preenchimento? Resposta: A densidade de pulverização do material de preenchimento também é chamada de velocidade de massa do líquido. Massa em quilogramas de líquido pulverizado por hora, por metro quadrado da seção transversal da torre. 26. O que é a capacidade de retenção de líquido da camada de material de preenchimento? Resposta: Durante a operação da camada de material de preenchimento, a quantidade de líquido acumulada nos espaços entre os materiais de preenchimento e em sua superfície é chamada de capacidade de retenção de líquido. Sua unidade de medida é (m³ de líquido/m³ de volume da torre). A quantidade de líquido retido pode ser dividida em duas partes: (1) Quantidade de líquido retido em estado estático: é a quantidade de líquido que permanece no interior da torre após a interrupção do pulverização de líquido e da remoção das gotas. A quantidade de material retido depende apenas das propriedades do material de preenchimento e das características do líquido, e não da quantidade de líquido pulverizado. (2) Quantidade de líquido em movimento: A quantidade de líquido que é expelida quando a torre de enchimento deixa de pulverizar o líquido é chamada de quantidade de líquido em movimento. A quantidade de movimento está relacionada não apenas às propriedades do material de preenchimento e do líquido, mas também à densidade de pulverização do líquido. No entanto, abaixo do ponto de carga, ela não depende da velocidade do ar. A soma da quantidade de líquido retida em estado estático e da quantidade retida em estado dinâmico é igual à quantidade total de líquido retido. 27. O que é uma torre de enchimento? Quais são as vantagens e desvantagens? Resposta: A torre de enchimento possui um recheio de certa altura dentro da torre, sendo um equipamento de transferência de massa que permite o contato contínuo entre gás e líquido. O vapor que sobe dentro da torre flui de baixo para cima, através das porosidades do material de preenchimento ； O líquido remanescente no topo da torre flui ao longo da superfície do material de preenchimento, de cima para baixo. A transferência de matéria e calor entre as fases gasosa e líquida ocorre por meio da formação de uma fina camada líquida na superfície do material de preenchimento. As principais vantagens da torre de preenchimento são: baixa resistência ao fluxo do fluido, estrutura simples, uso reduzido de aço, custo baixo, facilidade de instalação e manutenção, além de o preenchimento poder ser feito de materiais resistentes à corrosão. 28. Quais são os requisitos ao usar enchimentos? Resposta: Primeiramente, como o espaço entre o recheio e a parede da coluna é maior do que o espaço no meio da camada de recheio, o líquido flui facilmente em direção à parede da coluna, afetando assim a eficiência da transferência de massa. Isso é geralmente chamado de efeito da parede lateral. Antigamente, acreditava-se que, quanto maior o diâmetro do material de preenchimento, mais severo seria o efeito das paredes laterais. Em geral, para torres de preenchimento, é exigido que a relação entre o diâmetro da torre D e o diâmetro do material de preenchimento d seja maior que 10:1. No caso de torres altas, o efeito das paredes laterais é ainda mais grave. Por isso, costuma-se usar um método de preenchimento em etapas ou redistribuir o líquido para resolver esse problema. Em geral, uma relação adequada entre a altura H do material de preenchimento e o diâmetro da coluna de preenchimento é de 2 a 6. Em segundo lugar, também há requisitos quanto à ordem dos enchimentos. Quando D/d é maior que 8, é melhor dispor os preenchimentos de maneira ordenada. Quando o material de enchimento for colocado de forma desordenada, deve-se primeiro adicionar água ao equipamento e, em seguida, colocar o material de enchimento na água, para evitar que ele se quebre e cause entupimentos. Após a colocação do material de enchimento, a água deve ser drenada. Terceiro, após a parada da torre de enchimento, deve-se verificar o estado de danos e contaminação do enchimento, e decidir se é necessário limpá-lo ou substituí-lo. 29. Qual é a estrutura das placas de válvulas flutuantes? Como funciona? Resposta: A torre de válvulas flutuantes é um novo tipo de equipamento de transferência de massa industrial, amplamente utilizado na China nos últimos dez anos. Atualmente, é amplamente utilizado na indústria petroquímica, obtendo resultados satisfatórios. A estrutura da torre de válvulas flutuantes é relativamente simples. Seus componentes principais são o prato coletor de líquido, o tubo de descida do líquido, a barreira de transbordamento, as válvulas flutuantes e as placas da torre. 30. Quais são as vantagens e desvantagens das placas de coluna com válvulas flutuantes? Resposta: O desempenho das placas de coluna com válvulas flutuantes combina as vantagens das placas de tipo “bubble cap” e das placas porosas, ao mesmo tempo em que corrige seus pontos fracos. Devido à abertura fixa das fendas dos painéis em formato de bolha, sua capacidade de adaptação às variações na carga de vapor é limitada. Quando a velocidade do gás é baixa, o contato entre gás e líquido não é bom; já quando a velocidade do gás é alta, é fácil que o vapor afaste o líquido. Embora as placas de torre porosas tenham uma estrutura simples e uma grande capacidade de processamento, sua flexibilidade operacional é relativamente baixa. No caso das torres com válvulas flutuantes, a abertura das válvulas varia de acordo com a velocidade do vapor. Em baixas velocidades de fluxo, a válvula desce automaticamente sob a ação da gravidade, a fim de reduzir vazamentos. Portanto, a torre de válvulas flutuantes possui alta eficiência e grande flexibilidade operacional, conseguindo se adaptar bem às variações na quantidade de matéria-prima. Experimentos mostram que a relação entre a carga máxima e a carga mínima pode chegar a 7–9. A torre de válvulas flutuantes possui estrutura simples e uma área de seção transversal maior. Seu custo de fabricação é 12 a 15% menor do que o das torres de tipo “bubble column”. Além disso, sua capacidade de processamento é 20 a 40% maior em comparação com as torres de tipo “bubble column”. Como o vapor nas placas de torre de válvulas flutuantes é introduzido horizontalmente na camada líquida, há uma melhor agitação entre o gás e o líquido. Além disso, há menos espuma transportada, o tempo de contato é maior, o que resulta em uma melhor transferência de massa. Sua eficiência é 15% maior do que a das placas de torre de tipo “bubble”. A principal desvantagem das placas de torre com válvulas flutuantes é que o vapor é ejetado ao longo das bordas dos orifícios por onde o vapor sobe. Isso ainda permite a mistura reversa com o líquido, o que reduz a eficiência da transferência de massa. Além disso, as válvulas podem ficar presas, enferrujadas ou coladas, o que afeta seu funcionamento. 31. Qual é o impacto da altura e do diâmetro da torre na produção e na qualidade? Resposta: O diâmetro da torre afeta principalmente a capacidade de produção, enquanto a altura da torre influencia principalmente a pureza do produto. A relação entre o diâmetro da torre e a capacidade de produção pode ser expressa pela seguinte equação. D = (v/0,785w)¹/². Onde D é o diâmetro da torre, em metros ； v – Vazão volumétrica de vapor dentro da torre, em m³/s.
w – Velocidade do fluxo de ar na torre vazia, em m/s. Para uma torre específa, a velocidade do fluxo no vazio da torre tem certas limitações. Para uma determinada velocidade na coluna vazia, quanto maior o caudal volumétrico de vapor na coluna, maior deve ser o diâmetro da coluna ； Da mesma forma, quanto maior o diâmetro da torre, maior é a carga de vapor que ela pode suportar, ou seja, maior é sua capacidade de produção. Portanto, o diâmetro da torre é o fator principal que influencia a capacidade de produção. A altura da coluna, uma vez determinadas a eficiência das placas e o espaçamento entre elas, decide o número real de placas da coluna. E o número real de placas de troca de calor é determinado pelo número mínimo teórico de placas. Quanto maior o número teórico mínimo de placas de destilação, maior também será o número real de placas. O diâmetro e a altura da torre têm um impacto na produção de maneira dialética, sendo impossível separá-los completamente. Por exemplo, aumentar a altura da torre permite reduzir a razão de refluxo, o que por sua vez aumenta a capacidade de produção ； E, ao aumentar o diâmetro da torre, é possível elevar a razão de refluxo, com o objetivo de reduzir a altura da torre. 32. Quais são os fatores que influenciam a operação de destilação? Resposta: Além dos problemas relacionados aos equipamentos, os principais fatores que afetam o processo de destilação são: a temperatura e a pressão da coluna (incluindo a parte superior e inferior da coluna, bem como algumas placas de destilação que têm importância especial) ； Estado de alimentação ； Quantidade de alimentação ； Composição da matéria-prima ； Temperatura de alimentação ； Velocidade de ascensão do vapor no tanque e quantidade de calor aplicada no recipiente de evaporação ； Fluxo de retorno ； Quantidade de resfriamento no topo da torre ； Quantidade extraída no topo da torre e quantidade extraída na base da torre. A operação da torre consiste em ajustar esses fatores influenciadores de acordo com as exigências quanto à composição dos produtos na parte superior e inferior da torre. 33. Qual é o impacto das mudanças na pressão de operação da coluna de destilação na própria operação de destilação? Resposta: O design e a operação da coluna são feitos com base em uma determinada pressão. Portanto, em geral, é necessário manter a pressão constante dentro da coluna de destilação. As flutuações de pressão na torre terão os seguintes efeitos no seu funcionamento. (1) Em relação à qualidade do produto e ao equilíbrio de materiais, a alteração da pressão de operação faz com que a composição do equilíbrio entre as fases gasosa e líquida em cada placa da coluna mude. Quando a pressão aumenta, as substâncias de maior peso molecular no estado gasoso diminuem, o que, por sua vez, aumenta a concentração das substâncias de menor peso molecular no estado gasoso ； Aumenta a concentração dos componentes leves na fase líquida, o que, por sua vez, altera a relação de massa entre as fases líquida e gasosa. Isso faz com que a quantidade de fase líquida aumente, enquanto a quantidade de fase gasosa diminui. O resultado geral é: a concentração dos componentes leves no distrito do topo da torre aumenta, mas sua quantidade diminui relativamente ； A concentração dos componentes leves no líquido do tanque aumenta, e a quantidade de líquido no tanque também aumenta. Da mesma forma, à medida que a pressão diminui, a quantidade de frações no topo da torre aumenta, enquanto a concentração dos componentes leves diminui ； A quantidade de líquido no tanque diminui, e a concentração dos componentes leves também diminui. Em condições normais de operação, deve-se manter uma pressão constante. No entanto, se a operação não for adequada e isso causar um aumento na concentração dos componentes mais pesados no produto obtido no topo da torre, pode-se aumentar a pressão de operação para que a qualidade do produto fique dentro dos padrões desejados. Nesse caso, porém, há um aumento na perda dos componentes mais leves na fase líquida. (2) Volatilidade relativa entre os componentes: à medida que a pressão aumenta, a volatilidade relativa entre os componentes diminui, o que resulta em uma eficiência de separação menor. O contrário também é verdadeiro. (3) Alteração da capacidade de produção da torre: com o aumento da pressão e do peso dos componentes, a capacidade de processamento da torre aumenta. (4) Flutuações da pressão da torre Isso causará confusão na relação entre temperatura e composição. Em nossas operações, costumamos usar a temperatura como um critério indireto para avaliar a qualidade do produto. No entanto, isso só é correto quando a pressão na torre permanece constante. Quando a pressão da coluna muda, o ponto de orvalho e o ponto de ebulição da mistura também mudam, o que faz com que a distribuição de temperatura em toda a coluna se altere. Além disso, a relação entre a temperatura e a qualidade do produto também muda. Com base na análise acima, pode-se concluir que a alteração da pressão de operação afetará as condições de funcionamento de toda a torre. Portanto, em condições normais de operação, é necessário manter uma pressão constante. Somente quando o funcionamento normal da torre é comprometido é que se pode ajustar a pressão dentro dos limites permitidos pelos parâmetros do processo, com base na análise apresentada. Deve-se ressaltar que, durante o processo de destilação, mudanças na quantidade de matéria-prima introduzida, na composição dessa matéria-prima e em sua temperatura, além de alterações na quantidade de vapor utilizado para aquecer o fundo da coluna, no volume de refluxo, na temperatura do refluxo, na quantidade de refrigerante utilizado no topo da coluna, bem como o entupimento das placas da coluna, podem causar flutuações na pressão da coluna. Nesses casos, é necessário analisar primeiro as causas dessas flutuações e tomar medidas imediatas para que as operações voltem ao normal. 34. Qual é o impacto do estado da matéria-prima na operação de destilação? Resposta: Existem cinco tipos de condições de alimentação: (1) Alimentação a frio ； (2) Alimentação por ponto de ebulição ； (3) Alimentação mista de gás e líquido ； (4) Alimentação com vapor saturado ； (5) Alimentação com vapor superaquecido. Para facilitar a análise, defina δ como a quantidade de calor necessária para que cada molécula por quilo de líquido alimentado se torne vapor saturado. δ representa, portanto, o calor latente de vaporização por molécula por quilo de material alimentado. Pode-se observar que, quando o material alimentado está em estado frio, δ > 1; quando o material é alimentado no ponto de ebulição, δ = 1; e quando o material é uma mistura de gás e líquido, δ = 0