OPERAÇÕES UNITÁRIAS

1. EVAPORAÇÃO

Evaporação é a operação de concentração de uma solução pela vaporização do solvente. Quando a solução atinge o ponto de saturação, ou seja, quando o soluto começa a precipitar (como sólido), normalmente a operação é interrompida.

Assim, basicamente, um evaporador é um vaso mais um trocador de calor capaz de aquecer uma solução, provido de um dispositivo para separação da fase vapor do líquido. Em sua mais singela aplicação, pode ser comparado a uma panela de líquido colocada sobre uma chapa quente. A superfície da chapa é o trocador de calor e o vapor é obtido pela grande área disponível para o fluxo de vapor, cuja vazão é, conseqüentemente, baixa.

A configuração industrial para este equipamento é normalmente preparada para operação contínua. A superfície do trocador de calor é amplamente aumentada, a vaporização é muito mais violenta e a formação de vapor rápida.

Por conta disso, problemas surgem. Espuma. formação de depósitos, sensibilidade ao calor, corrosão e limitações de espaços são usuais. Contornar estas inconveniências resultou em refinamentos no projeto dos evaporadores de tal modo a atender uma combinação de soluções e condições de operação econômica.

1.1 EVAPORADORES

O evaporador de tubos horizontais é uma solução clássica e tem sido usado por anos. Entretanto, a configuração dos tubos interfere com a circulação natural do líquido em ebulição, minimizando a agitação da fase líquida. Como resultado, o coeficiente global de transferência de calor é baixo, principalmente para soluções viscosas.

Adicionalmente, depósitos de sólidos surgem sobre os tubos e não são facilmente removíveis.

Evaporador de tubos horizontais

O evaporador de tubos verticais já é uma melhoria sobre o modelo

anterior. A solução ferve dentro dos tubos com o fluido de aquecimento passando pelo espaço entre o casco e os tubos. A vaporização do fluido dentro dos tubos provoca fluxo na direção superior e o líquido ainda não vaporizado desce pelo espaço anular produzido pela camada de vapor.Os tubos são disponibilizados em feixes tubulares, o que reduz sensivelmente os custos de operação e manutenção.

Evaporador de tubo vertical

Este tipo de evaporador supera muitos dos problemas do evaporador de tubos horizontais. A circulação natural é promovida em boa velocidade. Portanto, os coeficientes de troca térmica são melhores. Depósitos de sólidos que possam surgir dentro dos tubos são facilmente removíveis por limpeza mecânica. Líquidos viscosos podem ser trabalhados, porém com baixa taxa de circulação. Para eles, o melhor é usar os evaporadores de circulação forçada, isto é, produzida por meio de bombas.

Evaporadores com trocadores de calor na vertical

2.0 SECAGEM

2.1 CONCEITO

De um modo geral o termo secagem se refere à remoção de um líquido de um sólido por evaporação, e não nos métodos mecânicos, que inclusive muitas vezes antecedem a secagem por serem mais baratos e mais fáceis. Os secadores são equipamentos destinados a retirar a umidade de sólidos, líquidos e gases. Normalmente o veículo condutor de calor na secagem é ar quente, que cede calor ao líquido para que este se evapore.

SECAGEM DE SOLIDOS

A secagem de sólidos consiste fundamentalmente em dois processos simultâneos: a transferência de calor para evaporar o líquido e a transferência de massa (líquido ou vapor) de dentro para a superfície do sólido.

O calor utilizado na secagem pode ser transferido por convecção, por condução, por radiação ou por uma combinação desses processos. Independentemente do tipo de calor utilizado, este deve fluir para a superfície externa e depois para o interior do sólido, exceto na secagem dielétrica e por microondas, em que o calor é gerado internamente, produzindo uma elevada temperatura dentro e na superfície do sólido.No interior do sólido a transferência de massa se dá na forma de líquido ou de vapor. Na superfície a transferência é na forma de vapor. O movimento dentro do sólido depende das diferenças de concentração e estas dependem das características do sólido.

2.2 TIPOS DE SECADORES

De acordo com a continuidade da operação, os secadores podem ser contínuos ou descontínuos.Os processos de transferência de calor dividem os secadores em:

a) Secadores diretos - secam por convecção, realizando o contato direto entre o sólido úmido e o gás quente. O líquido vaporizado é arrastado pelo fluido de secagem (gás quente), continuamente ou não.

b) Secadores Indiretos - Secam por condução ou por contato. O calor é transmitido ao sólido úmido através de uma parede. O líquido vaporizado é removido independentemente do fluido de aquecimento. Também podem ter operação continua ou não. São construídos na forma de cilindros, tambores, parafusos, rotatórios, bandejas vibratórias, etc.

c) Secadores a radiação e elétricos - Nestes secadores o calor é gerado dentro do próprio sólido. Nos secadores a calor radiante a operação depende da geração, transmissão e absorção de raios infravermelhos. Os secadores dielétricos criam um campo elétrico em seu interior que gera calor dentro do sólido.

A combinação dos critérios acima e formatos geram uma grande diversidade de equipamentos. A seguir ilustramos alguns esquemas de secadores.Secadores de venezianas móveis

Neste secador os sólidos, são introduzidos lateralmente por um parafuso alimentador, para que seja processado. Em seguida são recolhidos e transportados para o topo por um transportador de “taliscas”, de onde caem numa corrente delgada por sobre a veneziana ascendente. São recolhidos em parte pelo transportador, movimentados mais para cima, e a ação de queda e elevação se repete. Os gases entram por trás do transportador e passam por entre as “taliscas” carregadas e pela camada cadente de sólidos. Pela disposição das chicanas, o ar é introduzido em duas ou três temperaturas diferentes para simular uma secagem em contracorrente e um estágio de resfriamento depois de secagem. Este tipo de secador é usado para sólidos

granulados que escoam livremente, como por exemplo carvão, compostos de cerâmica e granulados plásticos. Operam continuamente, removendo principalmente a umidade superficial. A figura abaixo ilustra este secador.

Secadores de venezianas móveis venezianas móveis

Secador-transportador vibratório

É um secador do tipo leito fluidizado, em que a fluidização se mantém por um combinação de forças pneumáticas e mecânicas. O gás de aquecimento entra por uma câmara embaixo da plataforma transportadora, através de dutos e mangueiras. Daí, passa pela esteira transportadora (tela, chapa perfurada ou fendilhada) e o leito fluidizado de sólidos, atingindo então a coifa de exaustão.

Secador-transportador vibratório

Secador com atomizador (spray)Este tipo, produz pó a partir de soluções ou suspensões. Pode ser usado como: secador vertical (com ou sem leito fluidizado integrado); secador tipo túnel; câmara de secagem plana.O material a ser seco é atomizado em forma de gotas por um bico atomizador, situado dentro de uma câmara cilíndrica, por onde circula ar quente, que fornece o calor necessário para a evaporação do

líquido. O atomizador é escolhido de acordo com a natureza do material.O pó produzido sai pelo fundo ou pelo lado da câmara. Em seguida o pó pode passar por um leito fluidizado para secagem final, resfriamento e aglomeração.

Secador de leito fluidizado

Secador Rotatório Secador Rotatório No secador rotatório, os sólidos são alimentados continuamente no centro do tambor e o ar quente é injetado em contra corrente pelo lado oposto à alimentação do sólido é injetado em contra corrente pelo lado oposto à alimentação do sólido.

Secador RotatórioSecador Rotatório

3.0 CRISTALIZAÇÃO

3.1 INTRODUÇÃO

A cristalização é uma operação importante na indústria química, como método de purificação e como método de obtenção de materiais cristalinos na gama e tamanhos desejados. Num cristal, as moléculas constituintes, íons ou átomos, estão dispostos de uma maneira regular, donde resulta que a forma do cristal é independente do tamanho, e se um cristal cresce, em cada uma das fases desenvolve-se de maneira regular. Contudo, a presença de impurezas provoca usualmente a formação de um cristal regular. Em geral, cristais regulares de grande dimensão são garantia da pureza da substancia, embora um certo numero de pares de materiais forma “cristais mistos”. Nos últimos anos tem-se verificado um desenvolvimento considerável em técnicas para fazer crescer monocristais.A cristalização efetua-se normalmente a partir duma solução ou a partir de um banho fundido, mas por vezes, formam-se cristais diretamente por sublimação a partir da fase gasosa. Muito aspecto do processo de condensação de um vapor para um liquida são também comuns à cristalização. Os cristais podem também se formar a partir de soluções reagentes, que simultaneamente produzem e depositam material, como na cristalização hidrotérmica do quartzo. Em alguns aspectos pode encarar-se a cristalização como o inverso da dissolução, mas há diferenças importantes. Assim, o numero de partículas presentes durante a dissolução permanecera constante ou

diminui, ao passo que, em cristalização, o numero de núcleos sobre os quais a substancia se deposita pode aumentar continuamente. Alem disso, enquanto na dissolução raramente existe uma resistência apreciável a transferência de substancia através da interface entre as duas fases, tal deixa de ser válido na cristalização.

3.2 PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO

O processo de cristalização consiste essencialmente em duas etapas, que regra geral, progridem ao mesmo tempo, mas que podem em certo grau, serem controlados independentemente. A primeira etapa é a formação de pequenas partículas em núcleos, e a segunda etapa é o crescimento dos núcleos. Se o numero pode ser controlado, o tamanho dos cristais, que acabam por se formar pode ser regulado, e isto constitui um dos aspectos mais importantes do processo de cristalização.

3.3 SATURAÇÃO

Se resfriar devagar um banho fundido, a temperatura diminuirá gradualmente até se alcançar o ponto de fusão e a continuação do arrefecimento produziram, então, o subarrefecimento do liquido ou solidificação, ficando a temperatura aproximadamente constante. Geralmente, tem de atingir-se um determinado grau de superarrefecimento antes de ocorrer à mudança de fase e, portanto, existe uma condição metaestável a temperaturas um pouco abaixo do ponto de fusão, porque a velocidade de nucleação espontânea é ai desprezível. Por outro lado, se um pequeno cristal semente ou outro núcleo é introduzido, aumentara de tamanho até que a solução deixe de estar superarrefecida.Semelhantemente, se um vapor superaquecido é arrefecido, a sua temperatura descerá até que alcança a condição de saturado e seco, e a continuação do arrefecimento na ausência de núcleos de condensação de liquido ou sólido dar-se-á apenas depois de se ter alcançado um grau finito de supersaturação.Os núcleos podem formar-se espontaneamente se as condições forem apropriadas, mas, muitos casos, podem adicionar-se pequenos cristais como semente e pequenas quantidades de impurezas podem também atuar como núcleos. A nucleação espontânea é um processo que tem lugar com alguma relutância e pensa-se que depende da existência de variações fortuita da concentração ou temperatura na escala molecular.A regra geral é que se obterão cristais relativamente grandes em conseqüência de arrefecimento lento, porque a nucleação espontânea nesse caso é diminuída e o material deposita-se sobre o numero de núcleos relativamente pequeno, isto se confirma na prática, inversamente, o arrefecimento rápido produz uma grande coleta de pequenos cristais. Enquanto que, com alguns materiais se forma um núcleo quase que imediatamente após se atingir supersaturação, outros podem arrefecer-se sem a disposição de numero apreciável de

núcleos, pelo que a cristalização não se da e o liquido vai cessando gradualmente, até formar uma massa muito viscosa chamada vidro, quando se reduz a temperatura o xarope de açúcar e os vidros comuns são os vidros que se encontram mais freqüentemente, mas muitos compostos orgânicos com grandes moléculas formam também vírus muito facilmente. Que o vidro é um liquido, vê-se pelo fato de não haver qualquer estrutura cristalina e de ele poder fluir muito gradualmente.

3.4 VELOCIDADE DE CRISTALIZAÇÃO

A velocidade de crescimento de um cristal em uma solução depende da temperatura de concentração do liquido na fase de cristal. Estas condições não são geralmente as formas que as do globo de solução, porque é necessário um gradiente de concentração para transferência de soluto para a fase de um gradiente de temperatura para a disposição do calor de cristalização. O problema, portanto, envolve transferência de calor e transferência de massa, embora na maior parte dos casos, a transferência de calor passa a ser desprezível. No caso de banhos fundidos, o problema é apenas de transferência de calor e de massa reside predominantemente na subcamada laminar perto da superfície do cristal, a velocidade de crescimento do cristal aumenta com a velocidade relativa entre o sólido e liquido.

3.5 EFEITOS DAS IMPUREZAS NA FORMAÇÃO DOS CRISTAIS

Embora, em muitos casos, uma impureza solúvel permanece na fase liquida, de modo que se formam cristais puros, a um certo numero de caos em que tanto a velocidade de nucleação como a de crescimento dos cristais podem ser afetadas. O efeito mais usual é um retardar e diz-se muitas vezes que é devido à adsorção da impureza sobre a superfície do núcleo ou cristal. Deste modo substância com moléculas relativamente grandes como, por exemplo, cola, tanino, dextrina ou hexametafosfato de sódio (calgon), quando adicionada em pequenas quantidades à água de alimentação no gerador de vapor evita a nucleação e crescimento de cristais de carbonato de cálcio e, por conseguinte, reduzem formação de incrustações. Alem destas, a adição de HCl a 0,1% e PbCl a 0,1% evitará o crescimento de cristais de cloreto de sódio.Em certos casos a adsorção dar-se preferencialmente sobre uma dada face do cristal do que resulta modificação da forma. Assim, os cloretos de sódio cristalizados a partir de soluções que contenham pequenas quantidades de uréia formam cristais octaedricos, em vez dos cristais cúbicos usuais; estes têm uma densidade de empilhamento baixa. Um grande número de tintas são absorvidas preferencialmente sobre cristais inorgânicos deste modo. A sua ação é bastante especifica e nem sempre previsível.As impurezas sólidas no fluido atuam como fluido de condensação, mas, geralmente, causam alguma deslocação na estrutura do cristal.

3.6 EFEITO DA TEMPERATURA SOBRE A SOLUBILIDADE

Se bem que o aumento da temperatura da solução usualmente aumenta a solubilidade do soluto, há casos em que o coeficiente da temperatura da solubilidade é negativo e, por vezes é zero. Quando a forma cristalina estável muda com a alteração da temperatura, isto é como sais hidratados, a curva é descontinua, o coeficiente pode ser positivo em parte da gama de temperatura, e negativo na restante. Um coeficiente negativo indica um calor de reação com a presença do material para solução, que é maior que o calor absorvido devido aos processos de dissolução e diluição combinados; por isso, sais anidros tendem a ter coeficientes negativos.

3.7 CRISTALIZADORES

Descrever-se-ão agora os tipos mais importantes de instalações usadas para produzir cristais a partir de soluções, porque esta é a aplicação mais corrente na industria química. Duma maneira geral, os cristalizadores podem classificar-se de acordo com o fato de terem funcionamento descontinuo ou continuo; os cristalizadores contínuos podem dividir-se nos tipos linear e agitado, que se referirão mais adiante. Os cristalizadores podem também ser classificados de acordo com o método pelo qual se consegue a supersaturação. No cristalizador por evaporação, as condições são aproximadamente exotérmicas e a supersaturação alcança-se em conseqüência da remoção de solvente. No cristalizador por arrefecimento, a supersaturação resulta do rebaixamento da temperatura da solução e isto pode ser efetuado por meio de troca de calor sensível, quer por arrefecimento resultante da evaporação; no ultimo caso a uma pequena perda de solvente. A cristalização por evaporação tende usar-se evidentemente, quando a solubilidade apresenta pequena variação como a temperatura.O principal aspecto do cristalizador é o método pelo qual o tamanho do produto é regulado, e isto depende quase exclusivamente do controle do processo de nucleação. Em geral, o arrefecimento lento conduzirá a formação de relativamente poucos e grandes cristais, porque a nucleação espontânea reduz-se neste caso e o arrefecimento rápido conduzira a uma elevada velocidade de nucleação e a um pequeno tamanho de cristal. Os cristalizadores são geralmente de construção simples, sendo os agitadores e os raspadores as únicas partes moveis as quais se usam para manter as superfícies de transferências de calor livres e sólidos.

CRISTALIZADORES DESCONTINUOS/CRISTALIZADORES DE TANQUE

O tipo mais simples e mais barato de cristalizador consiste num tanque aberto que pode ser usado como cristalizador, quer de evaporação quer de arrefecimento. No primeiro caso, e geralmente

aquecido por meio de serpentina de vapor ou a partir de uma camisa. No ultimo caso, evapora-se o solvente até a concentração atingir o valor desejado e o arrefecimento faz-se depois por transferência de calor sensível para o exterior e por evaporação na superfície livre. A solução arrefece lentamente e obtém, por isso, grandes cristais, mais são geralmente irregulares, porque a nucleação não é controlada de modo algum. O tanque é normalmente ondulado para facilitar a remoção do licor mãe, mas, mesmo assim, o escorrer é realmente incompleto. Os custos de mão-de-obra são elevados para este tipo de instalação. O sal para a industria de pesca pode preparar-se usando tabuleiros abertos, compridos e baixo, aquecidos por serpentinas de vapor de água como a solubilidade é quase dependente da temperatura, os cristais formam-se na superfície do liquido e são mantidos ai por força de tensão superficial que excedam um certo peso, momento em que cai para o fundo e são removidos por pás de arrasto. Obtém-se por este método cristais rígidos em forma de pires. Pode aumentar-se a capacidade do cristalizador em tanque simples e melhorar a uniformidade do produto usando um agitador e uma série de serpentinas de arrefecimento. O principal inconveniente é o de que se forma cristais sobre a superfície da serpentina, dificultando gravemente a transferência de calor, mais por vezes é possível escovar as superfícies limpando-as dos cristais. Usa-se muitas vezes a construção em aço inoxidável, porque as partículas não lhe aderem tão firmemente como aos outros materiais.

Cristalizadores

4.0 POLIMERIZAÇÃO

4.1 REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO

Poliadição (em cadeira)

São aqueles que o monômero é adicionado sucessivamente até formar o polímero.

Formação Rápida da Molécula de Polímero (0,1 Seg)

Não existe subproduto de reação

Pesos Moleculares elevados ( ± 105 )

Reações caracterizadas por 3 etapas

- Iniciação- Propagação- Terminação

Policondensação

São aqueles em que ocorre eliminação de algumas moléculas pequena, geralmente água quando dois grupos funcionais diferentes reagem entre si.

Características:

Reações em etapas Evolução gradativa do Peso Molecular Consumo rápido do(s) monômero (s)

Polimerização por adição

- Poliadição via radical livre

Iniciação

I 2 R r •

Propagação

R r • + monômero R r1 • + monômero

R r1 • + monômero R r2 • R r2 • + monômero R r3 •

Terminação

R r • + R s • P( r + s ) (Combinação)

R r • + R s • P r + P s (Despropocionalização)

Polimerização Iônica – aniônica

Característica formar polímeros em bloco

Catalisadores:

Reagente de Grignar

Brometo de Metil - magnésio Sódio Trifenil – metila

Metais Alcalinos Livres

Sódio Potássio Lítio

(dissolvidos em amônia líquida ou em suspensão com solventes orgânicos)

_ R:Li R Li +

Polimerização Iônica – catiônica

Aplica-se a monômeros insaturados cujos substituintes são doadores de elétrons.Característica polimerização de baixas temperaturas

Catalisadores: FRIEDEL – CRAFTS:Halogenetos de Al; Ti; Sn.

Co-catalisadores: Água e álcool

Ti1 C4 + RH T1CL4R - H +

Poliadição por coordenação (Ziegler – Natta)

Polimerização com catalisadores de Ziegler –Natta que são complexos de cloreto de metais como TiCl4 de transição e compostos de organometálicos (trietil de alumínio). Forma moléculas de polímeros lineares e permite estereoquímico da reação.

Ti Cl4 + Al R3 Ti Cl3 R + Al R2 Cl Ti Cl3 + R • + Al R3

Ti Cl2 R + Al R2 Cl

Inibidores e retardadores

Uma reação é retardada se a velocidade é mais lenta Uma reação é inibida se ela começa depois de um tempo sem reação

Inibidor

Apresenta grande eficiência na captura de radicais livres. Os radicais reagem mais rapidamente com os inibidores que com o monômero. São utilizados freqüentemente para estocagem de monômero. Ex.: Fenois,

quinonas, aminas.

Retardadores

Apresenta menor reatividade com os radicais livres competindo com o monômero. Ex.: Nitrocompostos, halogêneos.

4.2 PROCESSO DE POLIMERIZAÇÃO

Compostos insaturados podem ser polimerizados em :

Massa (bulk polymerization)

Solução *

Emulsão

Suspensão

“Slurry” (lama) * A escolha do método depende principalmente das propriedades químicas dos monômeros, do equipamento necessário e da aplicação do polímero

Polimerização em massa (Bulk)

O método mais antigo utilizado na preparação de polímeros partindo de compostos insaturados. Este processo obtém polímeros puros pois suas fontes de contaminação são poucas seus principais pontos são:

Solvente ----- próprio Monômero

Iniciação ----- Iniciador Químico (Peróxido) Térmico Radiação

Reação fortemente exotérmica (grande desvantagem)

Aumento da viscosidade dificultando a transferência de calor

Variação do P.M. (Regiões superaquecidas)

Permite obtenção de peças moldadas a partir do Monômero, sem pressão com ÓTIMAS QUALIDADES ÓTICAS.

Fabricação Industrial de chapas de Polimetacrilato de Metila

Polimerização em solução

Além do iniciador e do monômero usa-se um solvente

Vantagens: - Facilita a transferência de calor

- Homogeneidade na temperatura

- Obtenção do polímero dissolvido - (Aplicação em revestimentos pela remoção do solvente).

Desvantagens : - Retardamento da reação pelo solvente

- Dificuldade na remoção do solvente

Usada em policondensação

Pouco usada em poliadição (Polibutadieno)

“Quando o polímero formado é insolúvel no meio reacional temos Polimerização em LAMA / “Slurry”) ou Polimerização com precipitação”

Exemplo:

Acrilico nitrila ABS

Polimerização em emulsão

Os monômeros se acham emulsificados em, um NÃO-SOLVENTE, geralmente água contendo:

Iniciador solúvel em água Persulfato de Potássio Emulsificante ----- sabão

Tamanho das partículas formadas : 0,001 – 1μ

Os radicais livres se formam na fase água havendo uma migração para a fase orgânica.

Vantagens: Controle fácil da temperatura (baixa viscosidade)

Homogeneidade de P.M. Pode conduzir a elevados P.M. Rápida e alta conversão

Desvantagens: Dificuldade de remoção do emulsificante ----- restrição na aplicação

Exemplo:

PVC SBR

Polimerização em suspensão

Através de forte agitação de um monômero + água resulta na formação de gotículas

1 - 50 ou até 1000 ( 1mm) dependendo da densidade do Monômero em relação a água.

São usados Agentes de Suspensão (estabilizadores) para evitar a coalescência das gotículas viscosas de monômero-polimero em suspensão.

Tem todas vantagens da polimerização em emulsão sem suas desvantagens.

Agentes de suspensão

TCP – Fosfato tricalsico Poli-ácool vinílico Outros

Exemplo:

Poliestireno - (PS) SAN

TRANSPORTE DE SÓLIDOS

5.1. INTRODUÇÃO

O transporte de materiais na indústria é assunto de três operações unitárias bem diferentes: o transporte de sólidos, o bombeamento de líquidos e a movimentação de gases.

Muito embora haja preferência, na indústria de processo químico, pelo transporte de sólidos fluidizados, restam ainda muitos casos em que isto é impraticável por causa da granulometria grosseira do sólido ou da abrasão exagerada dos dutos. Nestas situações recorre-se aos dispositivos mecânicos para o transporte

5.2. CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS TRANSPORTADOSAs características mais importantes são definidas a seguir:

- TamanhoA separação por meio de peneiras normalizadas dá distribuição quantitativa das partículas de uma carga a granel, de acordo com sua granulometria. A maior dimensão linear de uma partícula, ou de um torrão, a medida da diagonal “a” , determina os parâmetros de um transportador e dos equipamentos auxiliares.

Em função da uniformidade do tamanho das partículas, na composição do material a granel, este pode ser dividido entre duas categorias: materiais classificados ou então materiais não classificados. Quando a MAX <= 2,5 . a MIN, o material pode ser considerado classificado, em caso contrário, o material é dito não classificado. Os materiais a granel também se caracterizam pelo tamanho médio da partícula, a , onde define-se :

Tabela 2.1 - Grupos de classificação de materiais a granel pelo tamanho médio

Grupo Tamanho Médio a’ ( mm )

Grande > 160

Médio 160 a 60

Pequeno 60 a 10

Granular 10 a 0,5

Pó < 0,5

- Peso Bruto e Peso EspecíficoNos materiais granulares ou em pó, são usados dispositivos padronizados para a medida do peso bruto, sendo que, quanto maior a granulometria maior deverá ser a capacidade do recipiente. Após se encher esse recipiente, retira-se o excesso com um anel nivelador e procede-se a pesagem. O peso específico é função do volume ocupado. Pode-se ter ainda o peso específico aparente, isto é, do material apenas colocado no recipiente, ou então do material compactado, submetido a uma compressão ou vibração.

Geralmente o peso específico compactado, g COMP , é 1,05 a 1,52 vezes maior que o peso específico aparente, g APAR . O peso específico é um dos parâmetros mais importantes para a determinação da capacidade dos transportadores, pressão nas paredes dos silos , no fundo das calhas, etc.

Tabela 2.2 - Grupos de classificação de materiais a granel pelo peso específico aparente

Grupo g APAR ( ton / m3 ) Materiais

Leve < 0,60Serragem, turfa, coque

Médio 0,60 a 1,10 Carvão, escória

Pesado 1,10 a 2,10Areia seca, cascalho, brita

Muito Pesado > 2,00 Minério de ferro

O peso específico é definido como sendo o peso das partículas secas, a temperaturas de 100 a 150 °C, dividido pelo volume de água deslocado.

- Ângulo de repouso estático e dinâmico Quando o material é colocado livremente sobre uma superfície plana, horizontal, forma-se um cone, com determinada inclinação de talude. O ângulo a é chamado de ângulo de repouso, ou de talude, e depende da mobilidade das partículas entre si, quanto maior o mobilidade menor é o ângulo formado. Esse depende também do grau de umidade do material. Pode-se ter o ângulo de repouso estático, aE . Quando o material a granel é submetido a movimentos em um transportador, o ângulo de talude formado é menor que o ângulo de repouso estático e recebe a denominação de ângulo dinâmico de talude, aD . Esse ângulo é usualmente 5° a 15° menor que o de repouso, no entanto, para alguns materiais essa diferença pode ser de 20° ou mais.Para a determinação do ângulo de repouso usa-se um cilindro oco, cheio do material a ser testado, levantado lentamente. Para o ângulo dinâmico submete-se a superfície a uma vibração, por um determinado período de tempo, com valores pré-estabelecidos.

Determinação do ângulo de repouso de um material a granel

O ângulo de repouso é uma característica muito importante na definição da largura da correia transportadora e da sua seção transversal efetiva de carga.

- Mobilidade do materialEssa característica é medida pelo ângulo limite de atrito do material, é determinado inclinando-se uma superfície lentamente e verificando-se para qual ângulo o material começa a se mover. A mobilidade é um indicador seguro do ângulo máximo de inclinação que o transportador de correias pode fazer com a horizontal. E ainda determina qual deverá ser o ângulo ótimo das calhas , fundos, etc., evitando-se com isso, os acúmulos de material e perdas.

A tabela a seguir apresenta aos valores típicos para o coeficiente de atrito, estático e dinâmico para alguns materiais em contato com o aço. Esses valores podem ser menores se a superfícies estiverem úmidas. O coeficiente de atrito é muito importante no cálculo das polias das correias transportadoras.

MaterialCoeficiente de atrito estático

Coeficiente de atrito dinâmico

Carvão mineral 0,84 0,29

Argila 0,75 0,3

Terra 1,0 0,58

Coque 1,0 0,57

Trigo 0,58 0,36

Areia 0,8 0,5

Minério de ferro 1,2 0,58

Turfa 0,75 0,6

Escória 1,2 0,7

Cascalho 0,63 0,30

- Velocidade de transporte A velocidade da correia do transportador, para deslocar materiais a granel é adotada em função das propriedades desses. Para os materiais leves e em forma de pós, essa velocidade não deve exceder aquela correspondente ao seu desprendimento por sopro e para os materiais de pesados e de grande tamanho, a velocidade é limitada pela possibilidade de danos a correia pelos golpes do material ao percorrer o trajeto. Quanto maior for a largura da mesma maior poderá ser velocidade de transporte, já que para maiores larguras o material pode se depositar de maneira mais uniforme sobre a correia e a mesma centra-se melhor sobre os roletes.

- Comportamento do material em movimentoUma atenção especial deve ser dada ao fato de que as características normais dos materiais são consideravelmente influenciadas pelo

movimento, inclinação e velocidade da correia que o transporta. Em primeiro lugar, durante seu trajeto, as correias passam sucessivamente por cima de cada rolete, e o material vai sendo continuamente agitado. Essa agitação faz com que os pedaços maiores fiquem na parte de cima da carga enquanto que os finos se acumulam na parte inferior. Isso tende a espalhar o material sobre a correia.

O segundo é que qualquer diferença de velocidade entre o material e correia deverá ser equalizada, isso faz com que apareçam turbulências devido a aceleração. Esse fenômeno sempre está presente nos processos de carregamento das correias transportadoras, è uma das principais causas da formação de poeiras. E por último, as velocidades verticais deverão ser absorvidas pela ação elástica do material das correias e dos roletes, principalmente, nas seções de carregamento As tabelas a seguir apresentam as velocidades recomendadas e as características mais importantes e para alguns materiais a granel.

Tabela 2.4 - Velocidades recomendadas para diversos materiais a granel

Características do material

Velocidades recomendadas ( m / s )

em função da largura da correia ( mm )

400500 – 600

800 – 1000

1200 – 1600

Não abrasivos ou pouco abrasivos, o esfarelamento é permitido, como carvão bruto, sal, areia, turfa, etc.

1,0 – 1,6

1,2 – 2,0

1,6 – 3,0

2,0 – 4,0

Materiais abrasivos, com partículas pequenas e médias, tais como pedra britada, escórias.

1,0 – 1,2

1,0 – 1,6

1,6 – 2,0

2,0 – 3,0

Materiais abrasivos, em pedaços grandes, como rochas e minérios

-1,0 – 1,6

1,0 – 1,6

1,6 – 2,0

Frágeis, cujo esfarelamento altera suas propriedades, tais como carvão peneirado,

1,0 – 1,2

1,0 – 1,6

1,2 – 1,6

1,6 – 2,0

carvão de lenha.

Granular, ou com pequenas partículas, tais como farinhas, talco, cimento.

-0,8 – 1,3

0,8 – 1,3

-

Formatos arredondados tais como cereais e grãos em geral.

1,5 – 2,0

2,0 – 3,0

2,0 – 4,0

-

Mobilidade

Ângulo de repouso

( ° )

Aspecto e

Ângulo de talude dinâmico

( ° )

Exemplos típicos

Extrema mobilidade

0 a 19

Tamanhos uniformes, partículas

muitos pequenas e arredondadas, terra seca ou muito úmida, areia seca, cimento, concreto bem úmido, etc.

Muita

mobilidade20 a 29

Materiais esféricos, secos, de peso médio tais como grãos inteiros e cereais, etc.

Mobilidade média

30 a 34

Materiais irregulares, granulares ou em pedaços, com peso médio, como carvão mineral, torta de algodão, argila, etc.

Mobilidade média

35 a 39

Materiais mais comuns, tais como carvão betuminoso, pedra britada, diversos minérios, etc.

Pouca mobilidade

40 ou mais

Matérias irregulares, fibrosas, que entrelaçam entre si, como cavacos de madeira, bagaço de cana, cavacos de

máquinas ferramenta, etc.

CORREIAS TRANSPORTADORAS

INTRODUÇÃO

As máquinas e equipamentos de transporte são utilizados para mover as mais diversas cargas no interior de fábricas, entre dois departamentos, carregando ou descarregando de ou para armazéns, nos locais de construção, etc.Bem diferente do transporte de longa distância, isto é, rodovias, ferrovias, náutico ou hidroviário; que carrega mercadorias entre locais separados por distâncias consideráveis, as máquinas de transporte movem as cargas por distâncias relativamente curtas. Na prática, essas distâncias são usualmente limitadas a dezenas ou centenas de metros e só ocasionalmente atingem milhares de metros, assegurando uma constante transferência de carga entre dois ou mais pontos ligados por uma atividade comum de produção. Os processos de transporte dessa espécie não se limitam apenas a mover materiais de um lugar para outro, mas incluem também, operações de carga e descarga, isto é, entrega do material às máquinas portadoras de carga, descarregando-as em locais predeterminados, alojando as mercadorias em armazéns e movendo-as aos equipamentos de processo.Uma linha de produção atual está fadada ao insucesso se não assegurarmos um funcionamento impecável dos processos de transporte de matérias-primas, produtos semi-acabados e da produção terminada, em todas as fases da fabricação e do armazenamento.Sem a aplicação de complexas máquinas e equipamentos seria inconcebível a execução manual dos trabalhos de carga e descarga que a indústria moderna necessita. Além disso, não seria possível a substituição do pesado trabalho humano.

Classificação das máquinas de transporte

Em virtude da grande variedade de equipamentos e máquinas de transporte existentes, princípios diferentes de operação, sentidos, direções e características do material a ser transportado é difícil uma perfeita e completa classificação. Uma das formas de classificação que já foi comentada é o transporte de longa e de curta distância. Uma outra forma seria o enquadramento em transporte interno ou externo. dentro ou fora da indústria ou do departamento. As instalações externas de transporte entregam à unidade fabril matéria prima, artigos semi-acabados, combustíveis, materiais auxiliares e retiram os produtos acabados e refugos. Já as instalações internas transportam e distribuem as cargas que entram na empresa, às unidades de processo. Outra maneira de classificação é feita em

função do princípio de operação, que uma suas das características mais distintas, ou seja:

De ação contínua – são as máquinas de transporte, ou transportadores propriamente ditos, agrupam vários tipos de correias transportadoras, sistemas de hidráulicos de transporte, pneumático e equipamentos de transferência.

De ação intermitente – grupo das máquinas de elevação e de superfície, que podem incluir carros, vagões, etc.

Os equipamentos de transferência que, embora não sejam meios independentes de transporte, são projetados para operar em conjunto com as máquinas de transporte e formam um grupo especial, sendo os principais: calhas de escoamento, de transferência, silos, alimentadores, balanças, dosadores, etc.A operação cíclica é característica das máquinas de ação intermitente, liberam a carga em lotes correspondentes a capacidade de transporte de seus componentes. Geralmente essas máquinas operam carregadas em um sentido e retornam vazias, devendo parar para carga e descarga de materiais.Já as máquinas de ação contínua têm como característica específica o fato de seus elementos receberem a carga, e transporta-la de maneira praticamente contínua, ou em sucessivas e pequenas porções ao longo de um caminho precisamente definido. Cargas unitárias também podem ser transportadas, geralmente ocorrendo as operações de carga e descarga com o sistema em movimento. As máquinas de transporte também podem ser divididas segundo as características do material que é transportado: cargas unitárias ou a granel. As máquinas de elevação destinam-se principalmente às cargas unitárias, ou seja, o material constitui uma unidade a ser transportada ou é agrupado em embalagens de modo a constituir unidade de carga. Diferem grandemente em forma e peso, como por exemplo: sacos, tambores, partes de equipamentos, máquinas completas ou em, elementos de estruturas metálicas, panelas de fundição, etc. Para as cargas a granel utilizam-se mais os transportadores enquanto que as instalações de superfície atendem aos dois tipos de cargas.

Principais Grupos de Máquinas de Elevação e Transporte

guindastes

Máquinas talhas

de Elevação pontes rolanteselevadores

contínuosMÁQUINAS DE ELEVAÇÃO ETRANSPORTE

Equipamentos de de transferência

Transporte auxiliares

pneumáticos

hidráulicos

carros sem Equipamentos de Superfíciee Elevados

vagonetasaparelhos de manobraraspadores

arrastadores

Devido as máquinas de ação contínua serem, normalmente, usadas para transporte de apenas um tipo de definido de carga e em um trajeto fixo, são consideravelmente mais fáceis de serem automatizados, são sistemas de grande confiabilidade, se destacam por sua elevada produtividade e baixo custo operacional.Visto que uma grande parcela dos materiais a serem transportados encontram-se a granel, considerando-se as inúmeras vantagens que as máquinas de ação contínua apresentam para esse tipo de transporte e como entre essas máquinas, as correias transportadoras são os equipamentos mais difundidos, serão objeto de um estudo mais detalhado.

Vantagens das correias transportadoras

As correias transportadoras têm uma posição dominante no transporte de materiais a granel devido as inerentes vantagens que possuem, tais como: baixo custo operacional, segurança, longa vida útil, versatilidade e praticamente uma faixa ilimitada de capacidade de carga. Além disso, podem ser projetadas para integrar inúmeros processos, garantindo o fluxo contínuo de materiais entre duas operações sucessivas. Recentemente, as exigências ambientais tornaram a seleção das correias transportadoras ainda mais vantajosa em relação aos outros meios de transporte.

Pouca mão de obra na operação e pequeno consumo de energia são parâmetros que se destacam quando comparamos as correias transportadoras com outros equipamentos. O significativo aumento que esses custos de operação sofreram tem colocado as correias transportadoras em posição mais favorável. O aumento da resistência mecânica e intercambiabilidade dos componentes, a disponibilidade de novos materiais para as correias e o uso de sofisticados sistemas de tração e controle tornam a opção ainda mais atrativa. Seguem alguns exemplos dessa versatilidade:

1 - Transportam os mais diversos materiais:O tamanho do material que pode ser transportado é limitado apenas pela largura da correia. A granulometria pode situar-se entre as mais finas poeiras químicas até grandes pedaços de minério. Materiais delicados e friáveis podem ser transportados com mínima degradação. Como o material das correias é altamente resistente a corrosão e abrasão, os custos de manutenção são comparativamente baixos quando se trabalha com materiais extremamente corrosivos ou abrasivos como alumina ou sinter de minério de ferro. Materiais que causariam entupimento em tubos são transportados com sucesso por meio de correias. Produtos quentes tais como escória de fornos siderúrgicos ou carvão incandescente também não oferecem problemas, basta que o material da correia seja compatível.

2 - Se adaptam a qualquer terreno:As correias transportadoras podem vencer desníveis de até 35%, sem a necessidade de construção de estradas. Isso pode ser comparado ao limite de 12% para os caminhões. As correias transportadoras proporcionam um fluxo contínuo de materiais, podem passar por cima de estradas de ferro, áreas congestionadas, engarrafamentos, transpor rios, etc. As seções de um transportador podem ser flexíveis e o comprimento pode ser estendido quando necessário.

3 - Vantagens ambientais:Os transportadores de correias são mais aceitáveis que os outros meios de transporte de granéis. Podem ser enclausurados em pequenos túneis, desse modo evitam a poluição do ar e operam silenciosamente. Durante os trabalhos de carga e descarga a poeira formada pode ser contida usando-se dutos de transferência ou então coletadas por sistemas de aspiradores e filtros. Finalmente os transportadores de correias podem ser desenhados para se integrar com a paisagem local.

Exemplos de aplicações de correias transportadoras

Seguem alguns exemplos de uso e aplicações de transportadores de correias:

1) Correia com 1400 mm de largura transportando minério.

2) Transportador regenerativo de carvão mineral vencendo uma rampa de 35%.

3) Transportador com correia de 2500 mm em porto de carga de carvão mineral.

4) Correia transportadora para cimento, observa-se a cobertura pré-moldada.

5) Transportador transpondo um rio, a estrutura é suportada por meio de cabos de aço.

6) Estações múltiplas de carregamento de pedra britada.

7) Carregador montado sobre trilhos, que pode atender todo o transportador.

8) Descarregador móvel autopropelido.9) Estações múltiplas de carga em mina a céu aberto.

10) Pátio de minério de ferro, carregador de minério combinado com esteiras.

11) Barcaças sendo carregadas com pellets de minério.

12) Transportador descarregando pellets de minério, 10.000 ton/h.

13) Múltiplos desviadores em V descarregando areia em correia plana.

14) Transportador sustentado por uma estrutura de concreto.

15) Sistema de transporte de bauxita em terreno íngreme, 1.300 ton/h.

16) Perfil do transportador mostrado na figura anterior, os pontos destacados são as estações motrizes. Por esse motivo é que a classificação de curta e longa distância é subjetiva.

17) transportador de correias de baixa inclinação, 4,0 km, 8.000 ton/h

5.3. ARRANJOS TÍPICOS DOS TRANSPORTADORES

Os transportadores de correias podem ser projetados em diversos arranjos. Esses transportadores podem conter trechos retos horizontais, ascendentes ou descendentes, com partes côncavas ou convexas ou ainda combinação desses perfis. Também existem inúmeros desenhos para as operações de carga e de descarga.

a) Transportador horizontal.

b) Transportador com trecho horizontal e um ascendente, quando há espaço para a curva vertical e a tensão na correia permite um só trecho.

c) Uma configuração possível quando existem restrições de espaço ou de esforços excessivos na correia.

d) Outra configuração, quando as tensões permitem o uso de apenas uma correia.

e) Desenho com trecho inclinado seguido de porção horizontal, o espaço disponível e as tensões permitem o uso de apenas uma correia.

f) Configuração semelhante a anterior, no entanto, existem restrições de espaço ou de tensão na correia.

g) Arranjo composto de trechos retos horizontais e inclinados mais duas curvas, uma côncava e outra convexa. Foram usados dois sistemas de tração.

h) O carregamento pode ser realizado acompanhando a inclinação do trecho, descendente como mostrado, ou então em trechos ascendentes.

i) Carregamento efetuado ao longo de trecho horizontal de um transportador.

j) Descarregamento efetuado por cima da polia de tração, formando uma pilha cônica.

k) Descarregamento por meio de desviadores móveis espalhando em pilha.

l) Descarga por meio de silo e correia transversal reversível com movimento lateral.

m) Descarga usando silo com mecanismos de comporta para desvio lateral.

n) Descarga por meio de desviadores fixos e no último ponto, sobre a polia de tração.

o) Descarregamento por meio de silo com comportas e duas correias transversais.

p) Descarga em pontos fixos por meio de raspadores escamoteáveis.

5.4. PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM TRANSPORTADORA nomenclatura usual dos principais componentes de um transportador de correias é apresentada a seguir. Não está mostrada a estrutura, geralmente metálica, que serve para suporta-los, nem os dispositivos usados para o acionamento da polia motora e o contra-peso do esticador.

1 Dispositivo de carregamento,2 Aba de proteção do carregamento,3 Correia transportadora,4 Roletes de carga em forma de canal,5 Calha de descarga,6 Dispositivo raspador para limpeza ( também pode ser rotativo ),7 Polia motora e acionamento ( ou polia da cabeça, acionamento não 8 Polia esticadora ( no caso, por contra-peso, não mostrado ),9 Roletes de retorno,10 Roletes de amortecimento na região de carregamento,11 Polia de retorno ( ou polia de cauda ).12 Estrutura de suporte ( não mostrada )

1- Dispositivos de carregamentoO sucesso na operação de um transportador tem início em um carregamento bem feito. O material deve ser disposto de forma bem centralizada na correia e de maneira que sua velocidade seja igual ou a mais próxima da velocidade do transportador.

Caso o material seja depositado em velocidade diferente surgirão turbulências e haverá um gasto adicional de energia para acelerar o material até a velocidade de transporte. Quando se consegue um carregamento centralizado e que as velocidades sejam iguais, a potência absorvida será a mínima, o desgaste da correia será reduzido, o material transportado sofrerá pouca degradação, haverá pouca geração de poeira e a operação será mais silenciosa. Modificações, por vezes bem simples, nas calhas de carregamento podem melhorar o desempenho nesse sentido.Pequenos transportadores de aceleração podem ser usados. Seu comprimento deve ser tal que ao seu final a carga esteja com a mesma velocidade do transportador principal. O desgaste da correia do transportador principal é reduzido, e este se concentra na correia do transportador de aceleração, com um comprimento muito menor e de fácil substituição.

Deve-se evitar, quando possível, o carregamento em trechos inclinados, ascendentes ou descendentes. Quando transporta-se material muito abrasivo que tenham finos em sua composição, os problemas de desgastes das correias poderá ser minimizado usando o artifício mostrado na figura a seguir.

Na calhas de carregamento, os materiais muito abrasivos causam desgastes localizados nos pontos de escorregamento. Pode-se reduzido-lo usando-se o mesmo material que é transportado como proteção. A figura adiante mostra como isso pode ser feito, usando-se uma “caixa de pedras”.

As figuras a seguir mostram alguns tipos mais comuns de carregadores.

2- Abas de proteção lateralA abas de proteção lateral tem a função de acomodar o material que é carregado pela calha, facilitando sua centragem na correia. Seu comprimento é função da diferença de velocidades do material que deixa a calha de carregamento e a velocidade da correia. Quanto maior essa diferença maior deverá ser seu comprimento. Recomenda-se um comprimento de 1,0 m para cada 1,0 m/s de velocidade da correia, mas nunca menos que 2,0 m. A largura entre as abas é de cerca de 2/3 da largura da correia, podendo ser reduzido para metade da largura da correia quando o material transportado for de extrema mobilidade. A altura das abas é função do maior tamanho ( a ) do material e da inclinação dos roletes.

Normalmente são construídas de metal ou de madeira. São posicionadas de forma que fique uma pequena folga entre a aba e a correia. Essa folga é preenchida com uma tira de borracha, mais macia que a correia, fixada pelo lado de fora da aba. De tempos em tempos, essa folga deverá ser ajustada e, quando necessário, a tira de borracha deve ser substituída. A figura a seguir mostra uma aba de proteção típica.

3- CorreiasÉ o componente mais importante do sistema, normalmente, representa a parcela mais importante dos custos iniciais. Engloba as funções de meio de transporte e de tração. Deve reunir as seguintes qualidades: alta resistência a tração, resistência a fadiga por flexão longitudinal em torno das polias e a fadiga por flexão transversal para se acomodar nos roletes, as suas superfícies devem possuir resistência a abrasão causada pelo material transportado e também alta resistência a ataques químicos, dependendo do produto a ser transportado.

Em geral, uma correia transportadora consiste de três elementos: Capa superior, carcaça e capa inferior. A finalidade mais importante das capas é a proteção da carcaça de danos mecânicos e também resguarda-la de fatores de deterioração que podem estar presentes no ambiente de trabalho. A carcaça da correia tem como tarefa principal conduzir as forças de tração necessárias para a partida e para manter o movimento da carga. É responsável também por absorver os impactos durante as operações de carga, prover a necessária estabilidade para um alinhamento adequado sobre os roletes e ainda suportar a carga quando esta passa entre dois roletes, pois a distância entre esses não é nula. Isso deve ser cumprido sob quaisquer condições de carregamento, isto é, com a correia transportadora operando a vazio ou então sob carga máxima.

Os materiais usados para as capas são normalmente elastômeros sintéticos, que deverão ser selecionados em função do material a ser transportado. Em geral a capa superior é mais espessa que a inferior, e pode ser de material diferente. A superfície pode ser lisa ou com nervuras para aumentar a capacidade de transporte. Os fabricantes apresentam em seus catálogos uma extensa gama de produtos e podem auxiliar na seleção do tipo e do material mais adequado.

As carcaças são produzidas a partir de fibras de algodão, sintéticas tais como rayon, nylon ou polyester. Com essas fibras são fabricados tecidos, com tramas e desenhos especiais, dedicados a resistir aos esforços de trabalho. Esse tecido também é impregnado com elastômeros. Em alguns casos, juntamente com esse tecido, são colocados cabos de aço no sentido longitudinal.

As correias mais comuns são dos seguintes tipos: lonas reduzidas, multi-lonas, com cabos de aço e com cabos de aço reforçadas. As próximas figuras mostram essas correias nessa mesma ordem.

Como as correias são fabricadas em comprimentos pré-determinados, é necessário, que durante a instalação ou na manutenção sejam feitas emendas para se adequar ao comprimento exigido na obra.

Existem as emendas vulcanizadas que apesar de mais trabalhosas, exigirem equipamentos e mão de obra especializada para sua execução e por isso mais caras; garantem praticamente a mesma resistência da correia original e tem longa vida útil. Além disso a superfície da correia permanece lisa, não existindo pontos para acúmulo do material transportado nem interferindo nas polias e dispositivos de limpeza.

Já as emendas mecânicas são mais rápidas e de fácil execução, no entanto, enfraquecem a região da junta e não garantem a resistência mecânica. Pequenos ressaltos no local da emenda são inevitáveis. Geralmente só é usada em emergências.

Outros tipos de correias, ou melhor dizendo, órgãos flexíveis, foram desenvolvidos para casos especiais: produtos em altas temperaturas, materiais agressivos que exigem o uso de placas rígidas de plásticos ou então extremamente tóxicos que não pode haver contaminação do ambiente. A figuras que seguem mostram alguns desses tipos.

4- Roletes de apoioPara que a correia não se curve por influência do peso próprio e o peso da carga, entre os tambores são colocados roletes de apoio. O diâmetro desses roletes é escolhido em função da largura da correia, sua velocidade de deslocamento, tipo da carga e em particular da maior dimensão ( a ).

Normalmente, nas correias transportadoras vulcanizadas o diâmetro dos roletes adota-se de 80 a 200 mm em função da rotação, que deve estar entre 500 e 800 rpm. O passo dos roletes no ramal de trabalho é de 1,0 a 1,5 m. No ramo de retorno toma-se o duas vezes esse valor. Na região do carregamento, o passo é reduzido para a metade do valor normal, de forma a suportar a coluna do material e os impactos sobre a correia. Nessa região os roletes normalmente são protegidos por um revestimento de borracha.

Os roletes são fabricados usando-se tubos de aço, soldados, fundidos ou de plástico. Nas extremidades dos eixos são feitos rebaixos para encaixe nos suportes da estrutura. O comprimento desses roletes deverá ser maior que a largura da correia em cerca de 120 mm.

Os roletes podem ser retos ou então, para criar uma seção abaulada para acomodar o material a ser transportado, são dispostos em ângulo. Quanto maior o ângulo, mais fechado é o canal formado.

Para garantir alinhamento e o movimento da correia pelo eixo longitudinal do transportador, os eixos de todos os apoios dos roletes devem ser dispostos normalmente a esse eixo longitudinal. Como isso na prática é muito difícil, utiliza-se para esse fim os roletes de centragem, colocados a cada 30 – 40 m de distância, que corrigem

automaticamente a posição da correia quando ela é desviada. Seguem algumas figuras com vários tipos de roletes.

5- Dispositivos de descarga

Os materiais transportados por uma correia podem ser descarregados da mesma de diferentes maneiras. A descarga pode se efetuar em

apenas um ponto definido, ou em vários locais , ou ela pode ser feita ao longo de toda extensão do transportador, em apenas um lado ou então dos dois lados da correia e por consideráveis distâncias.

A flexibilidade dos dispositivos de descarga facilita o uso do transportador e maximiza o aproveitamento de silos longos e possibilita um grande número de formas de pilhas de material a granel.

O método mais simples de descarga é quando o material passa por cima da polia motora e cai sobre uma pilha. Com a colocação de uma simples calha, a descarga também poderá ser feita e silos ou sobre outro transportador. A instalação de desvios e comportas permite que o fluxo seja direcionado, simultaneamente em duas direções, ou alternativamente em qualquer uma delas. Quando desejamos que a descarga seja feita ao longo do transportador em diversos pontos diferentes podemos fazer o uso de desviadores, fixos ou móveis ou ainda equipamentos conhecidos como “trippers”.

Quando necessário, às vezes por exigências ambientais, existem configurações de descarregadores que podem reduzir muito a formação de poeira e o ruído além de minimizar a degradação do material transportado.

As figuras adiante mostram dois tipos de calha de descarga e alguns tipos de arranjos de desviadores ou “plows” (arado).

O método de descarregamento usando desviadores, dependendo do material transportado, pode oferecer considerável resistência ao movimento da correia, elevando as tensões de tração sobre a mesma e conseqüentemente, aumentando a potência necessária para o movimento.

6- Acessórios de limpeza

Uma pequena parte do material que está sendo transportado pode ficar aderido a correia após a operação de descarga, principalmente se este for pegajoso. Essa parte restante de material voltando pelos caminhos de retorno causará uma série de transtornos: poderá cair do transportador, causar travamento dos roletes de retorno, mal alinhamento da correia e possibilidade de avarias devido a força adicional que a correia exerce sobre as estruturas além do consumo desnecessário de potência. Desse modo, é necessário providenciar mecanismos que evitem esses problemas. São os dispositivos de limpeza das correias.

Observa-se que os materiais que aderem as correias também aderem as polias e em algumas vezes necessita-se usar também dos mecanismos de limpeza das polias.

Geralmente os acessórios de limpeza das correias são instalados logo depois dos dispositivos de descarregamento do material. A posição exata depende muito do desenho da calha de descarregamento. existem soluções criativas que podem melhorar muito a eficiência da limpeza.

Os dispositivos mais comuns são raspadores, construídos com tiras de borracha, podendo ser fixos ou auto-ajustáveis, isto é, a força de contato contra as correias ou contra as polias é dada por meio molas ou contrapesos, não necessitando verificação freqüente. Também existem os dispositivos rotativos de limpeza, de escovas ou de lâminas. Em alguns locais estão sendo usados “sprays” de água em alta pressão, no entanto seu uso deve ser estudado com critério, pois sempre existe o problema de se molhar o lado interno das correias.

A manutenção correta e ajustes periódicos dos dispositivos de limpeza asseguram uma operação adequada, previnem avarias e proporcionam uma operação eficiente.

7- Polias ou tambores

Certamente, são os componentes mais importantes de um transportador, depois das correias. Trabalham como elemento de sustentação, são responsáveis pela transmissão da tração, mudança da direção do movimento e sua transformação de rotativo para linear.

Podem ser divididas em: polias motoras, de retorno, de esticadores e de desvio. São fabricadas em uma larga faixa de dimensões, geralmente, construídas de discos e chapas calandradas de aço ou de ferro fundido e nos casos das polias motoras, normalmente, são revestidas com borracha. Esse aumenta o coeficiente de atrito, melhorando capacidade de tração. Também reduz o desgaste superficial das polias.

Uma das características mais importantes dos tambores é o seu diâmetro, pois quanto maior esse diâmetro menor será a tensão de flexão da correia em torno desse. O diâmetro é função do tipo da correia transportadora, da resistência a tração do material, da espessura e do número de lonas. Quanto maior for o diâmetro dos tambores maior será a vida útil da correia e das emendas.

Os tambores empregados em transportadores equipados com correias que reforçadas com cabos de aços tem um desenho especial por causa das elevadas tensões a que estão submetidos.

As figuras que seguem apresentam dois tipos de tambor.

7.1- Acionamento

O melhor local para a colocação do acionamento de uma correia transportadora é no ponto onde a tensão na correia é a máxima. Esse ponto geralmente se localiza logo após o descarregamento, para correias horizontais e ascendentes, enquanto que para os transportadores descendentes esse ponto normalmente está imediatamente antes do carregamento. Embora, em alguns casos de longos transportadores inclinados, por razões de economia nas estruturas e facilidade de acesso para manutenção o acionamento é colocado próximo ao carregamento.

O acionamento dos transportadores de correias é feito em sua grande maioria por meio de motores elétricos acoplados a redutores e esses por sua vez acoplados aos tambores de tração. Os tambores e polias devem trabalhar em uma rotação mais baixa e com maior torque que os motores elétricos podem fornecer. Por esse motivo é necessário o uso de sistemas de redução de velocidade. Ao mesmo tempo em que reduzem a velocidade de rotação, multiplicam o torque. Os motores podem ser conectados aos redutores por meio de acoplamentos elásticos ou ainda usando-se acoplamentos ou variadores hidráulicos e embreagens. Sendo que estes últimos facilitam a partida e a aceleração do sistema.

Os arranjos mais comuns para os redutores são os seguintes: moto-redutor acoplado ao tambor por meio de acoplamento elástico, moto-redutor e transmissão por coroas e correntes; redutor de engrenagens de eixos paralelos e acoplamento elástico; idem, porém usando-se coroas e correntes; caixas de engrenagens tipo coroa e pinhão sem-fim diretamente acopladas ou com correntes; redutores montados sobre o eixo do tambor de acionamento e motor com transmissão por correias em V; etc. Esses redutores devem possuir, na maioria dos casos, dispositivos de segurança que atuam em casos de falhas no fornecimento de energia elétrica, evitando o risco do transportador recuar com o peso da carga. Em algumas situações são exigidos freios para limitar o tempo de desaceleração e

parada. Por vezes é necessária a utilização de mais de um sistema de acionamento.

As figuram adiante mostram esses arranjos. Existem diversas configurações diferentes que também podem ser usadas.

Deve-se ter uma atenção especial na hora da seleção do redutor de um transportador. Pode -se conseguir significativas economias de energia com uma escolha adequada para o sistema de redução. A tabela a seguir mostra os rendimentos mecânicos médios de alguns redutores.

Tabela 4.1 - Rendimento mecânico dos redutores.

Tipo do mecanismo de redução de velocidade Rendimento mecânico médio

Sistemas de polias e correias planas ou em V 0,94

Reduções abertas empregando coroas dentadas e correntes

0,93

Idem, porém fechadas, em banho de óleo 0,95

Redutor de eixos paralelos em banho de óleo, redução simples

0,95

Idem, redução dupla 0,94

Idem, redução tripla 0,93

Redutor montado em eixo (de eixo oco), redução dupla

0,94

Redutor de coroa e sem-fim, redução de até 20 : 1 0,90

Idem, redução de 20 : 1 até 60 : 1 0,70

Idem, redução de 60 : 1 até 100 : 1 0,50

Engrenagens abertas, dentes cortados em fresadora 0,90

Idem, dentes fundidos 0,85

8- Esticadores

Um transportador bem projetado requer a instalação de um esticador pelas seguintes motivos: a) para assegurar que a tensão do ramo de retorno não fique abaixo de um valor mínimo, prevenindo o deslizamento na polia de tração, b) para garantir que a tensão no carregamento e em outros pontos ao longo do transportador seja adequada e não apareçam flechas exageradas entre os roletes, c) para compensar os alongamentos que, com o tempo, acontecem com a correia e finalmente para d) possibilitar reparos e emendas nas correias que por ventura forem danificadas.

Os esticadores podem ser de dois tipos principais: com regulagem por curso fixo ou manuais e os automáticos. As vantagens dos esticadores automáticos sobre os manuais é que possibilitam movimentos na ocasião das partidas e das frenagens das correias, não exigem regulagens constantes e que a força exercida é praticamente constante. Essa força pode ser exercida por um contra-peso ou por meio de sistemas hidráulicos, pneumáticos ou então por molas. O uso dos esticadores manuais somente é recomendado em caso de transportadores curtos ou onde existam limitações de espaço. Os esticadores manuais, normalmente, são colocados na parte inferior de um transportador e serve como suporte dos mancais da polia de retorno. Já os esticadores automáticos devem, se possível,

ser colocados no ponto de menor tensão da correia, isto é, logo após o sistema de acionamento.

9- Roletes de retorno

Tem a função de sustentar o correia em seu trajeto de retorno. São menos reforçados que o roletes de carga e o espaçamento entre os roletes é maior que o lado da carga.

10- Roletes da região do carregamento, foram mostrados junto com roletes do lado da carga.

11- Polia de retorno

É semelhante a polia de tração, no entanto sua função é de apenas mudar o sentido do movimento da polia e absorver as forças de tração da correia. O eixo pode ser “louco” já que não transmite torque. Essa polia também poderá ser revestida para proteção da superfície de contato contra desgaste.

5.5. TRANSPORTADOR DE ROSCA

INTRODUÇÃO

Os Transportadores de Rosca transportam, elevam e controlam o fluxo de materiais, além de simultaneamente executar vários processos, tais como agitar, dosar, aerar ingredientes secos ou fluidos, promovendo uma ação de cristalização, coagulação ou mantendo a solução em suspensão.Os Alimentadores de Rosca diferem dos Transportadores de Rosca no que se refere ao seu carregamento. Enquanto Transportadores recebem o material de outros equipamentos de manuseio, os Alimentadores são instalados sob silos ou tremonhas, extraindo daí o material num fluxo uniforme e controlado.A boca de alimentação dos Alimentadores, então, é afogada com o material e o equipamento opera com um enchimento de 100%.

TIPOS DE ROSCAS

Helicóide cheio Helicóide em fita

Helicóide recortado Helicóide recortado dobrado

Helicóide recortado com pá regulável

Helicóide cheio com pá regulável

TIPOS DE CALHAS

As calhas possuem diversos formatos de tal forma, que o raio da parte inferior, a altura e espessura da mesma faça um eficaz e rígido

enclausuramento do material transportado na forma mais econômica construtivamente. Geralmente o material utilizado em sua fabricação é o aço carbono.As calhas possuem tampas ara manter o material e/ ou poeira enclausurados e/ ou para se evitar a contaminação do mesmo.

Calha meia cana Calha em “V”

Calha retangular

MANCAISOs mancais suportam o eixo junto com rosca transportadora

BOCA DE DESCARGAA boca de descarga é o local onde o sólido sai da calha empurrado pela rosca transportadora

6. REAÇÕES QUÍMICAS

6.1. VELOCIDADE DAS REAÇÕES

A velocidade de uma reação química pode ser expressa tanto pela velocidade de desaparecimento de reagentes como pela velocidade de formação de produtos.Considere uma reação química genérica:

Definindo-se a velocidade da reação como o número de mols do reagente A que é consumido por unidade de tempo, podemos expressar matematicamente a velocidade da reação da seguinte forma:

Onde: d CA é a variação da concentração do reagente A no tempo t

A velocidade de uma reação química depende de muitos fatores, mas, em geral, a temperatura do meio e a concentração dos reagentes são os mais importantes.A cinética de uma reação química depende do mecanismo da reação, isto é, do conjunto de etapas segundo o qual a reação se processa, e precisa ser determinada a partir de observações experimentais.

6.2. REATORES DESCONTINUOS

O reator descontínuo, também chamado de reator em batelada, caracteriza-se por não haver alimentação de reagentes ou retirada de produtos durante a reação química. Neste reator, os reagentes são pré-misturados e a reação é conduzida por um período de tempo especificado (a batelada), após o qual a mistura reacional é removida e pode ser conduzida para processos específicos nos quais os produtos serão separados dos reagentes. O reator, quando a reação é realizada na fase gasosa, pode ser construído para operar a volume constante ou a pressão constante, sendo que no primeiro caso todas as paredes do reator são rígidas, enquanto que no segundo caso o equipamento pode dispor de um pistão móvel.Este equipamento possui a vantagem de apresentar grandes conversões de reagentes em produtos, baixo custo e simplicidade de operação, sendo flexível quanto à quantidade de cada batelada e versátil para vários tipos de reações. Entretanto, possui a desvantagem de produção em pequena escala, custos por unidade de operação elevados e grande necessidade de mão-de-obra. Os reatores descontínuos são normalmente utilizados na indústria farmacêutica, na indústria de alimentos e de química fina, etc.Os reatores descontínuos mais utilizados são os dos tipos de vaso com agitação.

Reator descontínuo de vaso com

agitação

6.3. REATORES CONTÍNUOS

Nos reatores contínuos existe alimentação de reagente e retirada de produto durante a reação química. Em geral são empregados quando é necessária uma alta taxa de produção, sendo bastante utilizados na indústria petroquímica. Os reatores contínuos mais utilizados são os dos tipos tubulares e de vaso com agitação.

Reator tubular

O reator tubular de fluxo pistonado consiste em um tubo cilíndrico onde a alimentação dos reagentes, normalmente gasosos, é feita por uma extremidade e a retirada dos produtos é feita pela outra. A reação química ocorre durante todo o trajeto do reator e a velocidade com que a mistura reacional percorre o reator é de grande importância para o controle da temperatura e da conversão dos reagentes.

Reator tubular

Reator de vaso com agitação

No reator contínuo de vaso com agitação, a alimentação dos reagentes, normalmente na fase líquida, é feita pelo topo, enquanto que a retirada de produtos ocorre na base do reator.Pode-se aumentar a eficiência da conversão de reagentes em

produtos fazendo-se uma associação em série de reatores. Assim, a corrente de sarda de um dos reatores é a corrente de alimentação do reator subseqüente. Os reatores contínuos de vaso com agitação permitem uma maior facilidade no controle de temperatura, mas possuem desvantagens quanto à conversão por unidade de volume, comparativamente aos reatores tubulares, além de um custo inicial maior.

Reator contínuo de vaso com agitação

Tempo de residência médio

Nos reatores contínuos é comum, para fins de modelagem e projeto do reator, considerar o tempo de residência médio como sendo o tempo médio necessário para que uma partícula de reagente contida na alimentação atravesse o reator e seja consumida ao final deste. Matematicamente, considerando que não há acúmulo, o tempo de residência médio (t) é expresso como a razão entre o volume útil do reator (V) e a vazão volumétrica de alimentação (F):

O tempo de residência é um fator importante no projeto e operação do reator, uma vez que a conversão de reagentes em produtos irá depender do tempo total de permanência dos reagentes na mistura reacional, que por sua vez irá depender das dimensões do reator e da taxa de alimentação. Tempos de residência muito curtos podem fornecer baixas conversões, uma vez que os reagentes não permanecem por tempo suficiente no reator. Por outro lado, tempos de residência muito longos podem resultar em baixa produtividade e maiores dispêndios de energia.

7.0 DESTILAÇÃO

Operação unitária de transferência de massa para separação de componentes em uma fase líquida baseada nas diferenças de volatilidade dos constituintes da mistura. Há transferência simultânea de massa do líquido pela vaporização e do vapor pela condensação, tendo como efeito final o aumento da concentração dos componentes mais voláteis no vapor.

Operação unitária de transferência de massa para separação de componentes em uma fase líquida baseada nas diferenças de volatilidade dos constituintes da mistura. Há transferência simultânea de massa do líquido pela vaporização e do vapor pela condensação, tendo como efeito final o aumento da concentração dos componentes mais voláteis no vapor.

Ou então:

É um processo industrial final cujo objetivo é separar duas ou mais substâncias presentes em uma mistura líquida ou gasosa pela aplicação ou remoção de calor. Se baseia na diferença de volatilidade entre estes constituintes e no princípio do equilíbrio entre as fases liquidas e vapor

Volatilidade é a medida da facilidade que uma dada substância tem para passar a fase vapor pelo aumento de temperatura ou diminuição de pressão.

E quando duas fases estão em equilíbrio elas tendem a trocar seus constituintes até que a composição da cada fase atinja um valor constante chamada de Estado de Equilíbrio.

Figura 1 - Equilíbrio entre as fases líquida e vaporO vapor de uma mistura em ebulição será mais rico nos componentes que possuem menor ponto de ebulição (mais volátil) enquanto que o liquido remanescente conterá mais do material menos volátil.

Para proceder a separação utiliza-se o equipamento industrial denominado de COLUNAS DE DESTILAÇÃO. A coluna de destilação é composta dos seguintes itens principais:

Casco: Cilindro metálico dentro do qual a destilação ocorre.

Pratos / bandejas ou seções de recheios: são usados para propiciar contato íntimo entre as fases. O vapor e o líquido que deixam cada estágio, se aproximam do equilíbrio térmico, de pressão e de composição, desde que haja um contato eficiente nos pratos.

Condensador: Resfria e condensa o vapor rico no componente mais volátil que deixa a coluna pelo topo.

Vaso de refluxo: Armazena o vapor condensado. Parte desse condensado retorna a coluna e a outra parte sai como produto de topo.

Refervedor ou reboiler: Vaporiza parcialmente o líquido formado no fundo que retorna a coluna fornecendo calor para remover a separação. O líquido remanescente sai como produto de fundo.

Figura 2 - Colunas de destilaçãoNome Carga Agente Produtos Princípios Exemplo1. Evaporação Líquido Calor Líquido e

vaporDiferenças de volatilidade

Concentração de suco de

frutas2. Flash adiabático

Líquido Redução de pressão

Líquido e vapor

Diferenças de volatilidade

Dessalinização de água do

mar3. Destilação Líquido e /

ou vaporCalor Líquido e /

ou vaporDiferenças em

volatilidadeEstabilizadora

de gasolina4. Arraste Líquido Gás não-

condensável ou vapor

Líquido ou vapor

Diferenças em volatilidade

Remoção de leves de produtos laterais

5. Gás Gás Líquido não-volátil

Líquido e vapor

Solubilidade Recuperação de

hidrocarbonetos leves em unidades de

craqueamento

6. Extração Líquido Líquido imiscível

Dois líquidos Diferenças de solubilidade

Extração de aromáticos

7. Cristalização

Líquido Remoção ou adição de

calor

Líquido e / ou vapor e

sólidos

Diferença de tendências à

cristalização e participação em estrutura

cristalina

Remoção de parafinas de

óleos lubrificantes

8. Adsorção Gás ou líquido

Sólido adsorvente

Fluido e sólido

Diferença de potencial de

adsorção

Adsorção de N-parafinas

Quadro1 - Processos de separação por equilíbrio

7.1 PROCESSOS DE DESTILAÇÃO

Podemos classificar os processos de destilação como:

Tipo de Operação Características do equipamento Agentes de separação

2.1 QUANTO AO TIPO DE OPERAÇÃO

Processo de destilação contínua

Colunas em regime contínuo processam uma corrente de alimentação contínua. Nenhuma interrupção ocorre. As composições das correntes de topo e fundo são mantidas constante (regime estacionário). São capazes de manusear altas quantidades de material e são os mais comuns dos dois tipos. Esse tipo de processo será alvo do nosso estudo.

Figura 3 - Destilação contínua

Processos de destilação em batelada

No processo em batelada, o regime é transiente. A carga é alimentada uma única vez no equipamento e os produtos variam de composição com o tempo.

2.2 QUANTO ÀS CARACTERÍSTICAS DO EQUIPAMENTO

Flash:

O Flash é um processo de destilação em que a carga, parcialmente vaporizada e em equilíbrio termodinâmico, é separada em um equipamento simples de um só estágio em dois ou mais produtos.

É mais usada para separar componentes cujos pontos de ebulição são muito diferentes. Ela não é efetiva na separação de componentes com volatilidades mais próximas porque tanto o vapor condensado quanto o líquido residual estão longe da pureza desejada.

Figura 4 - Tambor de flash

Esta destilação é um processo contínuo, bastante simples, onde somente uma pequena separação pode ser esperada.

Destilação fracionada:

No processo de destilação fracionada, existe a possibilidade de se obter produtos mais ricos em determinados componentes através de uma repetição de estágios de equilíbrio, conforme o esquema a seguir:

P2 < P1

T2 < T1

P1

T1

P2

T2

Vapor

Demister

Líquido

Figura 5 - Esquema de uma unidade composta de uma série de estágios de equilíbrio

Em uma torre de destilação, os tambores, onde o contato líquido-vapor é estabelecido, são substituídos por bandejas ou seções de recheio.

O vapor é enriquecido de produtos voláteis a medida que sobe na torre, enquanto que, os produtos menos voláteis se encaminham para o líquido. Como exemplo, a unidade de obtenção de benzeno a partir de uma nafta reformada.

Figura 6 - Obtenção de benzeno a partir de uma nafta reformada2.3 QUANTO AOS AGENTES DE SEPARAÇÃO

F 2

L1 L2L3

V3

1 2 3

Destilação simples; Destilação extrativa; Destilação azeotrópica.

A destilação fracionada simples não pode ser usada para separar azeótropos e seu uso é anti-econômico para a separação de componentes com pontos de ebulição muito próximos. Em ambos os casos, destilações modificadas podem ser usadas.

Nestas destilações, um componente externo é usado para modificar a volatilidade relativa dos compostos da carga, facilitando assim a separação. Assim, dependendo da atuação do composto adicionado, estas operações se dividem em: destilação extrativa e azeotrópica.

Destilação Extrativa: O composto externo chamado de solvente altera apenas a volatilidade relativa.

Destilação azeotrópica: O componente externo forma um azeótropo com um ou mais compostos da carga. Geralmente, o azeótropo formado é azeótropo de mínima (mais volátil que os seus componentes), sendo chamado de “entrainer”. Exemplo: separação do etanol e água usando como “entrainer”, o benzeno.

7.2 ASPECTOS IMPORTANTES DA DESTILAÇÃO

7.2.1 TIPOS DE COLUNAS QUANTO AO DISPOSITIVO DE CONTATO LÍQUIDO/VAPOR

As colunas de destilação quanto ao dispositivo de contato líquido/vapor se dividem em:

Figura 7 - Colunas de recheio Figura 8 - Colunas de pratos

7.2.2 COLUNAS DE PRATOS

7.2.2.1 Contato líquido e vapor numa coluna de pratos

Os processos de separação atingem os sues objetivos mediante a criação de duas ou mais zonas coexistentes e que têm diferenças na temperatura, na pressão, na composição ou no estado da fase. Cada espécie molecular pertencente a mistura que se quer separar reagirá de maneira singular às diferentes vizinhanças oferecidas por estas zonas. Por isso, quando o sistema evolui para o equilíbrio, cada espécie terá uma concentração diferente em cada zona, e isto leva a uma separação entre elas.

O processo de separação conhecido como destilação adotada como zonas coexistentes, as fases vapor e líquido em temperatura e pressão essencialmente iguais. Diversas espécies de dispositivos, denominados como pratos ou bandejas, são usadas são usadas para provocar o contato íntimo entre as duas fases. As bandejas são empilhadas em seqüência e encerradas num caso cilíndrico, formando uma coluna. Na figura acima aparece esquematicamente uma coluna de destilação típica, mais alguns acessórios externos.

A torre de pratos é essencialmente um vaso cilíndrico vertical, que é denominado de casco, contendo no seu interior o dispositivo de contato que pode ser o prato (ou bandejas). Este pode ser vários tipos.

Figura 9 - Contato líquido / vapor numa coluna de pratos

7.2.2.2 Tipos de escoamento através das bandejas

As colunas de bandejas (ou pratos) usadas para efetuar o contato líquido-gás podem ser classificadas de acordo com o modo de escoamento na sua estrutura interna:

1. Bandejas com escoamento cruzado

2. bandejas com escoamento em contracorrente

A bandeja com escoamento cruzado (Fig.10) utiliza um vertedor de descida, e é mais usual que a bandeja em contracorrente (Fig. b), em virtude de ter vantagens na transferência de massa e maior faixa de operação. O escoamento de fluido no prato com escoamento cruzado pode ser controlado pela colocação dos vertedores, para que se possam conseguir a estabilidade e a eficiência da transferência desejada.

Deve-se observar que a fração da área da seção reta da coluna disponível aos dispersadores de gás (perfurações, borbulhadores) diminui quando se adota mais de um vertedor. Por isso, o projeto ótimo de uma bandeja envolve um compromisso entre o escoamento do líquido e o uso eficiente da seção reta para o escoamento do gás.

Figura 10 - Bandejas à corrente cruzada

Figura 11 - Bandejas perfurada e valvulada

A maioria dos modelos modernos de pratos em correntes cruzados emprega perfurações para dispersar o gás no líquido da bandeja. Estas perfurações podem ser simples orifícios redondos, ou podem conter "válvulas" móveis que formam orifícios variáveis com formas não-circulares. Estas bandejas são as bandejas perfuradas ou as valvuladas (Fig.11). Nas primeiras, o líquido é obrigado a escoar através das perfurações pela ação do fluxo de gás; por isso, quando este fluxo é pequeno, é possível que parte do líquido, ou todo ele, escorra pelos orifícios e evite, na realidade, partes da zona de contato. A bandeja de válvula é projetada para minimizar esta drenagem ou fuga, pois as válvulas tendem a fechar quando o fluxo de gás fica menor; a área total do orifício modifica-se de forma a manter uma pressão dinâmica equilibrada através da bandeja.

Historicamente, o tipo mais comum de dispersor de gás com escoamento cruzado é o da bandeja de borbulhamento. Este dispositivo tem um selo intrínseco que impede a drenagem do líquido quando a taxa de escoamento do gás é baixa. Na Fig. 12 aparecem borbulhadores típicos. O gás flui através de um conduto ascendente, inverte o fluxo na calota, e passa através do líquido por meio de uma série de aberturas ou "fendas" na parte inferior da calota.

Figura 12 - Calota

Nas bandejas a contracorrente, o líquido e o gás utilizam as mesmas aberturas para o escoamento. Assim, não existem vertedores. As aberturas são, usualmente, pequenas perfurações redondas, simples, na faixa de 1/8 a 1/2 in (bandeja com fluxo duplo), ou fendas longas, com larguras de 1/4 a 1/2 in (bandeja turbogrid). O material do prato pode ser ondulado (bandeja ondulada) para segregar, parcialmente, o escoamento do gás e do líquido. Em geral, o gás e o líquido fluem de forma pulsada, com cada abertura deixando passar, intermitentemente, o líquido e o gás.

O prato a contracorrente que se adota para fazer o contato entre gases e líquidos contendo sólidos é uma bandeja em chicanas (Fig.13). A superfície, nas de forma típica, é em meia-lua, ligeiramente inclinada na direção do escoamento do líquido. O gás entra em contato com o líquido, à medida que ele goteja no prato, ao modo de um chuveiro; para melhorar a distribuição de líquido neste chuveiro, a placa pode ter um bordo ou vertedor serrilhado.

A bandeja em chicana opera com o líquido como a fase dispersada, e o gás como a fase contínua; é usada principalmente para a transferência de calor.

Em resumo, a bandeja perfurada com o escoamento cruzado (bandeja perfurada) é o tipo mais comum especificado nos projetos novos. Na Fig.13 aparece um diagrama esquemático desta placa.

7.2.2.3 Tipos e características principais de cada prato

Para atender as necessidades do processo quanto a custos, grau de purificação desejado flexibilidade operacional, os pratos de uma torre de destilação podem ser de vários tipos. Os principais são os seguintes:

Pratos com borbulhadores. Pratos com válvulas. Pratos perfurados:

Figura 13 - Bandeja em chicana, bandeja perfurada e vista em elevação

Pratos com borbulhadores:

Figura 14 - Prato com borbulhadores

Um vertedor com uma determinada altura, situado na descarga do prato mantém o nível de líquido no prato que circunda os borbulhadores. A altura do vertedor é fixada de modo que não impossibilite a passagem do vapor, nem deixe uma passagem livre para os vapores, permitindo que não borbulhe (entre em contato) através do líquido, pois como o nome indica, está é a função dos borbulhadores.

Pratos com válvulas:

Atualmente as maiorias das torres são projetadas utilizando pratos com válvulas. Estes consistem de chapas perfuradas, nas quais estão montados as válvulas (em vez de borbulhadores).

O líquido descarregado do prato valvulado escoa de forma similar ao de borbulhamento.

Figura 15 - Prato com válvula

Pratos perfurados:

Este tipo de prato difere do prato com borbulhadores, ou valvulados pelo fato de seus pratos apresentarem apenas furos.

Uma versão modificada dos pratos perfurados são os pratos de grelha plana de fendas paralelas. As fendas operam de modo similar aos furos.

Características dos principais tipos de pratos:

Tipo Capacidade Eficiência Custo flexibilidade

PerfuradosMédia-alta; usualmente > borbulhadores

Alta, tão boa ou melhor que a de borbulhadores

o mais baixo das torres com downcomer

Média

Borbulhadores Baixa - Média Média - AltaAlto, aprox. duas vezes maior que o do perfurado

Média

ValvuladosMédia - alta, tão boa quanto a do perfurado

Alta, tão boa qto a do p. perfurado

Médio - 10% a 20% > prato perfurado Média - Alta

Quadro 2 - Tipos de prato

Uso de torres com pratos:

CondiçõesPratos

PerfuradosValvulados

Com Borbulhadores

Pressão moderada o melhor usualmente aplicável

Alta Pressão, maior que 0,5 x Pc o melhor usualmente aplicável

Alta flexibilidade usualmente aplicável O melhor

Baixa vazão de líquido use com cuidado O melhor

Alta vazão de líquido usualmente aplicável use com cuidado

Sistema com espumas usualmente aplicável use com cuidado

Sistemas com sólidos usualmente aplicável use com cuidado

Sistemas com retiradas laterais o melhor O melhor

Sistemas corrosivos usualmente aplicável use com cuidado

Pequeno diâmetro de coluna use com cuidado use com cuidado

Grande diâmetro de coluna o melhor usualmente aplicável

Líquido viscoso usualmente aplicável use com cuidado

Baixa perda de carga use com cuidado não use

Baixo custo usualmente aplicável use com cuidado

Quadro 3 - Pratos e condições

Para serviços que se deseja um alto tempo de residência, usa-se pratos perfurados ou com bobulhadores com vertedor de saída alto.

Downcomer: É a “calha” que conduz o fluxo de líquido do prato superior para o inferior.Vertedor: Chapa colocada no início ou final do prato (sentido do fluxo do líquido).

7.2.2.4 Esquema das bandejas

Os pratos com correntes cruzadas, de borbulhamento, perfurados ou valvulados, têm um esquema semelhante (Fig.16). O prato é constituído por:

1. Zona de dispersão ativa do vapor;2. Zona periférica de enrijecimento e suporte;3. Zona de separação;4. Zona de distribuição;5. Zona dos vertedores;

A zona dos vertedores ocupa, em geral, de 10 até 30% da área total da seção reta.

A zona de enrijecimento periférica tem, geralmente, uma largura de 1 a 2 polegadas e ocupa de 2 até 5% da seção reta; esta fração diminui com o aumento do diâmetro da placa.

A fração da área do prato ocupada pelas zonas de distribuição e de separação está entre 5 e 20% da seção reta. Em algumas bandejas perfuradas estas zonas são completamente eliminadas.

Com os vertedores divididos, o comprimento fica entre 60 e 80% do diâmetro da coluna, de modo que a zona dos vertedores em cada bandeja ocupa de 5 a 15% da seção reta total.

O desperdício periférico (Fig.16) ocorre principalmente nas bandejas de borbulhamento, em virtude da impossibilidade de adaptar o modelo do borbulhador à forma circular do prato. As válvulas e as perfurações podem ser localizadas junto às paredes, e assim é pequena a área morta.

O arranjo dos borbulhadores é, em geral, na forma de triângulo eqüilátero. O espaçamento entre eles não deve ser menor que o diâmetro do borbulhador mais 1 in, para que se evite o impacto dos jatos de vapor dos elementos adjacentes. Na prática, o espaçamento vai de um diâmetro do borbulhador mais 1 in até um diâmetro mais 2 in. Os diâmetros variam de 2 até 6 in, exceto em casos especiais, como na destilação a baixa temperatura, em que se adotam diâmetros que chegam até 1 in.

Os orifícios das placas perfuradas vão de 1/8 a 1/2 in de diâmetro.

A perfuração mais comumente usada tem 3/16 in. Os orifícios menores são difíceis de perfurar e podem ficar obstruídos em serviços contaminantes; os orifícios maiores provocam drenagem e pequena dispersão.

O espaçamento dos orifícios, obedecendo em geral a um reticulado em triângulo eqüilátero, vai de 2,5 até 4 diâmetros. Os espaçamentos menores levam a uma drenagem

excessiva, enquanto um espacejamento maior provoca uma queda muito grande de pressão e o arrastamento, devido às grandes velocidades nos orifícios.Os pratos em contracorrente são de construção perfurada ou fendilhada, e não precisam de vertedores descendentes. O vapor e o líquido usam as mesmas aberturas, alternadamente, numa base intermitente. O esquema destes pratos é extremamente simples. Os tipos usados comercialmente são:

1. Perfurado (fluxo duplo);2. Fendilhado (turbogrid);3. Perfurado-ondulado (ripple);

Figura 16 - Fluxo duplo, turbogrid e ripple

A área aberta nestes pratos vai de 15 a 30% da seção reta total, bem maior que os 5 a 15% dos pratos perfurados e que os 8 a 15% das bandejas com borbulhadores. As dimensões dos orifícios vão de 1/8 até 1/2 in, e a largura das fendas vai de 1/4 a 1/2 in. Os dois dispositivos, turbogrid e ripple, são patenteados.

7.2.2.5 Queda de pressão e eficiência das bandejas

Queda de pressão: Os métodos para estimar o comportamento fluido dinâmico dos pratos a escoamento cruzado são análogos, seja no caso de borbulhadores, seja no de perfurações ou de válvulas. A queda de pressão através de uma bandeja é definida pela equação geral (ver Fig.17)

ht = hd + hl (1)

Onde

ht = queda total de pressão, in de líquido

hd = queda de pressão através da unidade de dispersão (borbulhador seco + fenda, no caso de borbulhador; orifício seco, no caso de placas perfuradas; válvula seca, no caso de placa valvulada), (in de líquido).

hl = queda de pressão através da massa aerada que fica por cima e em torno do dispersor, (in de líquido).

Figura 17 - Queda de pressão através de bandeja

Eficiência da bandeja:

A eficiência de uma bandeja, quanto à transferência de massa, depende apenas de três conjuntos de parâmetros do projeto:

1. O sistema - composição e propriedades;2. Condições do escoamento - taxas de produção;3. Geometria - tipo e dimensões da bandeja.

O projetista tem pequeno controle sobre o primeiro conjunto, mas pode enfrentar eficientemente os outros dois. A sua preocupação principal é com a eficiência global da coluna:

Eoc = {Nt} / {Na} (2)

Ou com a razão entre os pratos teóricos e os pratos reais que é necessária para efetuar a separação. Ao chegar a um valor de Eoc para o projeto, ele pode confiar em dados de ensaios na instalação, ou na utilização judiciosa das medições da eficiência em escala de planta piloto. Quando não se dispuser desta informação, deve basear-se em métodos de previsão.

Os métodos de previsão da eficiência da bandeja são de dois tipos gerais:

1. Empíricos ou estatísticos2. Teóricos ou semiteóricos.

7.3 VARIÁVEIS PARA ACOMPANHAMENTO DE PROCESSO

A análise da performance de uma coluna de pratos está baseada:

1. Balanço material;2. Balanço de energia;3. Equilíbrio de fases.

Além do balanço de massa e energia, as variáveis que devem ser acompanhadas são:

Relação vapor/ carga; Relação refluxo/ produto de topo; Temperatura de fundo; Pressão de topo e/ou fundo ou P;

7.4 HIDRÁULICA DE TORRES

Antes de iniciarmos a discussão dos fatores que influenciam o projeto ou a operação dos internos de uma torre, será mostrado algumas considerações sobre o seu funcionamento.

O líquido, fluindo através do prato em direção ao vertedor de saída, entra em contato com o vapor que está passando através do “deck”. Em uma operação estável, três regiões serão formadas de acordo com a figura seguinte:

Figura 18 - Representação esquemática do funcionamento de uma torre

A zona I constitui-se de uma espuma com altura variável.

A zona II é uma região de grandes gotas. A maioria destas gotas coalescem e retornam ao prato.

A zona III contém pequenas gotas que geralmente são arrastadas para o prato de cima, onde juntar-se-ão ao líquido, retornando ao prato de origem. Este arraste provocará uma perda na eficiência da torre.

7.4.1 INUNDAÇÃO

A inundação ocorre quando o líquido é acumulado sobre o prato com maior rapidez de que pode fluir para a bandeja inferior. À medida que o nível de líquido sobre o prato aumenta, a diferença de pressão entre os pratos também aumenta, até que o líquido é arrastado para o prato superior pelo vapor.

CAUSAS:

O arraste, quando a velocidade com que o vapor sobe através da coluna é muito grande, carregando o líquido de um prato para o imediatamente superior.

Vazões líquidas demasiadamente altas, enchendo os "downcomers". Espuma.

Zona III

Zona II

Zona I

Figura 19 - Fotografia de uma espuma

COMO PODE SER VERIFICADA:

Aumento da pressão diferencial da seção. Redução anormal da temperatura na região inundada. Não fechamento dos balanços material e de energia.

7.4.2 WEEPING (GOTEJAMENTO)

Ocorre para baixas vazões de vapor no prato. Neste caso, há gotejamento de líquido através dos furos do prato afetando a eficiência e P.

7.4.3 DUMPING

Condição onde ocorre vazamento de todo o líquido através dos furos do prato. Caracterizado por uma súbita e significativa perda de eficiência no prato. Esta condição limita a operação da torre e representa a menor vazão de vapor permissível para uma dada vazão de líquido.

7.4.4 ENTRAINMENT (ARRASTE)

Mecanismo de condução de quantidades de líquido no vapor que ascende de um prato para outro.

O arraste numa coluna de bandejas é a passagem do líquido arrastado pelo gás, de uma bandeja para a que lhe fica acima. É um efeito pernicioso, pois se opõe às operações de transferência de massa; a eficiência do prato é diminuída, pois o líquido de uma bandeja de menor volatilidade é levado para uma outra com maior volatilidade, e isso provoca uma diluição nos efeitos de destilação ou de absorção. O arraste também é pernicioso quando impurezas não-voláteis são carregadas para cima, contaminando o produto de topo da coluna.

Figura 20 - Representação do arraste de líquido pelo vapor

7.4.5 MAXIMUM VELOCITY (VELOCIDADE EXCESSIVA DE LÍQUIDO NO DOWNCOMER)

Condição instável provocada por insuficiência de área do downcommer para uma determinada velocidade.

7.4.6 ULTIMATE CAPACITY (CAPACIDADE LIMITE)

Limite máximo de vazão de vapor na qual a coluna pode operar sem afetar a sua eficiência.

7.4.7 LIMITES OPERACIONAIS DE UMA TORRE DE PRATOS

Capacidade de bandejas ou pratos:

A capacidade máxima de uma bandeja, quanto ao fluxo de líquido e de gás, tem uma importância primordial, pois fixa o diâmetro mínimo possível para a coluna. No caso de uma taxa constante de escoamento de líquido, o aumento da velocidade do fluxo de gás pode provocar o arraste e o transbordamento. No ponto de transbordamento, é difícil obter um fluxo descendente de líquido, e todo líquido introduzido na coluna é arrastado para fora, com o gás do topo. Além disto o conteúdo líquido da coluna aumenta, a perda de pressão através dela fica muito grande, e o controle se torna difícil. Um projeto razoável adota uma operação com uma boa margem de segurança, abaixo desta condição máxima permissível.

O transbordamento também pode ser provocado pelo aumento da taxa de escoamento de líquido, mantendo-se constante a do gás. O escoamento excessivo do líquido pode sobrecarregar a capacidade dos vertedores, ou de outras passagens, o que acarreta o aumento do conteúdo líquido, o aumento da perda de pressão e as outras características de uma coluna inundada.

Esses dois tipos de transbordamento são analisados separadamente, quando uma coluna de pratos está sendo dimensionada. Com o objetivo de identificação, são denominados transbordamento por arraste (“ou projeção”) e transbordamento por inundação. Quando a ação em contracorrente fica destruída por qualquer dos tipos, a eficiência da transferência desaparece, e excedem-se os limites de uma operação razoável.

A capacidade mínima admissível numa coluna é determinada pela necessidade de uma dispersão efetiva e de um contato real entre as fases. Os tipos de bandejas deferem na capacidade de possibilitar pequenas taxas de escoamento de líquido ou de gás. Uma bandeja perfurada, a fluxo cruzado, pode operar com uma pequena taxa de escoamento de gás, até o ponto em que o líquido drena através dos orifícios, e a dispersão do gás fica inadequada para se obter boa eficiência.

Os pratos valvulados podem operar com fluxos muito pequenos, em virtude do fechamento das válvulas. As bandejas de borbulhamento podem também operar em taxas muito baixas, em virtude do dispositivo de selagem que possuem. Todos os arranjos têm uma taxa mínima definida para o escoamento do gás, abaixo do qual há dispersão inadequada para o contato íntimo.

Analogamente, há um escoamento mínimo de líquido abaixo do qual não é possível uma boa distribuição, apesar da placa com escoamento invertido (vide item 4.2.2) ser capaz de operar em fluxos líquidos extremamente baixos.

As torres de bandejas a contracorrente operam com as mesmas restrições sobre o arraste excessivo, a capacidade de escoamento descendente e dispersão eficiente. A figura a seguir é um diagrama qualitativo válido para todos os dispositivos de bandeja ou prato. De acordo com o dispositivo, modificam-se a extensão e a forma da zona operacional satisfatória.

Figura 21 - Gráfico: taxa de escoamento de líquido taxa de escoamento de vapor

Limite de operação:

A operação de uma determinada torre é limitada pela velocidade do vapor. Uma torre não é capaz de destilar satisfatoriamente qualquer vazão de líquido ou vapor.

Uma coluna que opera com estabilidade na carga na faixa definida pelo projeto, poderá apresentar problemas e instabilidade (produtos fora de especificação), quando operar com cargas acima ou abaixo às do projeto. A faixa de operação estável depende do tipo de bandejas utilizadas. Toda torre possui uma faixa de operação satisfatória.

Os principais sintomas, que indicam que uma torre está instável a depender da região da torre onde esteja ocorrendo um problema estão descritos a seguir. Nem sempre esses indicativos são detectados de imediato:

Temperatura diferente do padrão na região onde há uma anormalidade. Oscilações significativas na pressão ou no sistema de controle da mesma. Oscilações significativas no diferencial de pressão entre a base e o topo.

Exercícios I

1) O que é destilação? Dê exemplos.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) O que é volatilidade relativa?

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) Qual a relação entre volatilidade relativa e a pressão de vapor de um componente?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________________

4) Onde e como ocorre o equilíbrio líquido-vapor?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) O que acontece com a composição do líquido e do vapor quando se atinge o equilíbrio?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) Cite o princípio que se baseia a destilação.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Complete os espaços pontilhados, nas seguintes frases, utilizando adequadamente uma das palavras ou sentenças, que estão entre parênteses no final de cada frase:

a) A pressão de vapor de uma mistura de líquidos varia com a temperatura, e quanto mais_______ for a temperatura, maior será a pressão de vapor desta mistura (baixa / alta).

a)Para uma dada__________há uma temperatura, na qual uma mistura de líquidos entra em ebulição, ou uma mistura vaporizada se condensa. (pressão / vazão).

b) Para um dada temperatura há um pressão na qual uma mistura de líquidos entra em ______________, (ebulição / condensação) ou uma mistura vaporizada se ____________ (vaporiza / condensa).

c) Quanto maior a pressão mais___________é a separação de um mistura em seus componentes. (fácil / difícil).

7) O que é uma mistura azeotrópica?

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________9) Por que um mistura azeotrópica não pode ser separada em seus componentes por destilação simples?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10) Relacione a coluna A com coluna B.

Coluna A Coluna B

Ponto de orvalho de [ 1 ] Ponto de bolha de uma mistura é a

uma mistura temperatura a uma dada pressão na qual a mistura entra em

ebulição.

Pressão de vapor de [ 2 ] É a relação entre o número de um liquido moles deste componente e o número

total de moles de mistura.

Ponto de bolha de [ 3 ] É a razão entre as volatilidades deuma mistura dois componentes numa mistura.

Pressão parcial de um vapor [ 4 ] É a pressão exercida, a uma dadanuma mistura temperatura, pelas moléculas deste líquido

na fase vapor, no ponto de saturação.

Fração molar de um componente [ 5 ] É a condição de temperatura e numa mistura pressão, na qual surge a primeira gota de

líquido numa mistura vaporizada.

Volatilidade de um componente [ 6 ] É a relação entre o número de numa mistura moles deste componente e o número

total de mistura dos moles.

Volatilidade relativa [ 7 ] É a pressão que o vapor exerceria

se estivesse sozinho a temperatura evolume constante.

7.5 PRINCÍPIOS DA DESTILAÇÃO

7.5.1 BALANÇO MATERIAL

Conceito do estágio de equilíbrio:

Os processos de transferência de energia e de massa numa coluna real de destilação são muito complicados para que se possa fazer um modelo direto. Esta dificuldade é evitada pelo modelo do estágio de equilíbrio. Segundo ele, as correntes de líquido e de vapor que deixam uma etapa ou estágio de equilíbrio estão em completo equilíbrio uma com a outra, e se podem usar as relações termodinâmicas para determinar as concentrações nas duas correntes. A coluna hipotética composta por estágios de equilíbrio (ou pratos teóricos) em vez das bandejas de borbulhamento realmente existentes é projetada para efetuar a separação especificada para a coluna real. O número de estágios hipotéticos de equilíbrio deve ser então convertido ao número real de pratos por meio da eficiência do prato ou da bandeja, que descreve a medida em que o desempenho de uma bandeja real reproduz o desempenho de um prato teórico.

A adoção do modelo dos pratos teóricos divide o projeto de uma coluna de destilação em três partes importantes. A primeira é a da reunião dos dados e métodos termodinâmicos necessários para prever as composições das fases em equilíbrio. A segunda é a do cálculo do número de pratos teóricos necessários para realizar a separação especificada, ou do cálculo da separação que será conseguida com um dado número de estágios de equilíbrio. A terceira é a da conversão do número de estágios de equilíbrio ao número equivalente de pratos reais.

O princípio dos balanços materiais é a lei da conservação da massa: a massa de um sistema fechado permanece constante durante os processos que nele ocorrem. Isto torna possível calcular a quantidade dos produtos obtidos, a partir das quantidades dos reagentes inicialmente presentes no sistema, desde que suas fórmulas sejam conhecidas, bem como as reações que ocorrem durante o processo. Os cálculos todos estarão baseados no princípio da conservação da massa aplicado a cada elemento químico do sistema.

Da mesma forma, a massa alimentada durante um certo intervalo de tempo a um sistema aberto é igual à massa que sai, mais a massa que ficou acumulada no sistema durante o intervalo de tempo considerado. Isto costuma ser traduzido, de modo simplificado, numa equação que resume o balanço material em sistemas deste tipo:

Massa que entra no sistema - massa que sai = massa acumulada

Ou ainda mais simplesmente

Entrada - saída = acúmulo

Acha-se implícito nestas relações que as diversas massas envolvidas se referem ao mesmo intervalo de tempo. Em outras palavras, estas equações traduzem o fato de que a

razão de entrada de materiais no sistema, menos a razão de saída de materiais é igual à razão em que os materiais são acumulados no sistema.A palavra acúmulo dá a entender que a entrada de materiais no sistema supera a saída. Entanto, durante o intervalo de tempo considerado, poderá sair mais material do sistema do que entra e, nestas condições, o acúmulo será negativo. Há na realidade um decréscimo de matéria no sistema durante esse intervalo de tempo. A fim de evitar enganos de sinal é conveniente considerar entrada e saída como quantidades positivas. Dependendo de qual das duas seja a maior, resultará um acúmulo positivo ou negativo. O acúmulo negativo representa, por convenção, um decréscimo de matéria no sistema.

Quando o acúmulo é igual a zero, conclui-se que a razão de entrada é igual à razão de saída e portanto a massa do sistema não varia com o tempo. É esta geralmente a situação nas operações industriais contínuas. Os balanços materiais tornam-se bastante simples nestes casos, pois a massa de qualquer elemento químico alimentado ao sistema durante um certo tempo terá que ser forçosamente igual à massa total desse elemento que deixa o sistema no mesmo intervalo de tempo.

Assim, por exemplo, todo o carbono alimentado a uma caldeira (como lenha, carvão ou óleo combustível) durante uma hora de operação terá forçosamente que sair da caldeira como carvão não-queimado na cinza ou como CO2, CO, fuligem e alcatrão nos gases. As relações entre as massas dos diversos participantes do processo são obtidas pela aplicação das demais leis das reações químicas, o que permitirá finalmente ao engenheiro fazer a contabilização de tudo o que entra e sai do sistema.

Embora simples em princípio, a realização de balanços materiais torna-se por vezes bastante complexa, exigindo muito treino da parte do técnico para se desvencilhar das muitas complicações que podem surgir. Isto ocorre, por exemplo, quando o número de correntes que entram e saem do processo em estudo é muito grande ou quando muitas reações podem ocorrer entre os participantes. Como estas, muitas outras complicações poderão surgir em problemas reais e nestas ocasiões o objetivo final poderá ou não, ser atingido, dependendo da habilidade do técnico encarregado do estudo.

É aconselhável, por este motivo, que o técnico não se limite apenas a entender os exemplos apresentados a seguir, mas que consiga de fato assimilar integralmente a técnica empregada, através de repetidos exercícios numéricos de casos práticos complexos.

A rigor, balanços materiais e de energia deveriam ser realizados em conjunto, pois há a possibilidade de interconversão de matéria e energia. No entanto, essas transformações não ocorrem durante os processos tratados nesta apostila, de modo que a lei da conservação da massa será considerada rigorosamente válida em todos eles. Nestas condições, a qualidade dos resultados de balanços materiais só poderá ser limitada pela qualidade dos dados experimentais ou das hipóteses formuladas. Por este motivo, as amostras recolhidas para análise deverão ser representativas do material processado e os métodos analíticos adotados têm que ser seguros.

Da mesma forma, as hipóteses feitas quanto ao funcionamento do processo deverão corresponder tanto quanto possível à realidade física da situação considerada.

7.5.2 GENERALIDADES

Unidades molares

Do exposto pode-se concluir que um balanço material realizado num sistema terá que ser satisfeito independentemente das unidades escolhidas para caracterizar as massas, desde que todas sejam expressas nas mesmas unidades. Assim, será indiferente trabalhar com massas em quilos, ou em toneladas, em mol ou em libramol, sob o aspecto do balanço em si.

Contudo, determinadas unidades são mais vantajosas em situações específicas. É o caso das unidades molares. Quando ocorrem reações químicas durante o processo estudado, o emprego das massas em mol, quilomol (kmol) ou libramol (lbmol)(*) é quase sempre mais vantajoso, pois as massas dos diversos participantes do processo são calculados, umas em função das outras, por proporções simples. Torna-se mesmo dispensável até escrever a reação química na maioria dos casos em que se trabalha com base molar.

A técnica dos balanços materiais

Um balanço material poderá ser realizado de maneira informal, intuitiva, sempre que as relações entre as diversas correntes do processo forem óbvias. No entanto, um tratamento sistemático do problema é em geral desejável, quando não imperioso. A seqüência de etapas de maior eficiência parece-nos ser a seguinte:

1º) Procurar fazer a idéia mais precisa possível do processo considerado, tendo em vista, naturalmente, as limitações dos dados disponíveis. Isto significa que, mesmo sem conhecer o processo em suas minúcias, deve-se imaginar o que está ocorrendo no sistema. Muitos pretendem resolver bem um problema de balanço material sem ao menos saberem de que processo se trata. Para estes, as possibilidades de sucesso começam a diminuir logo de início.

2º) Esquematizar o processo num fluxograma (flowsheet) simplificado, onde figurem apenas as correntes que intervêm no caso específico considerado. Todos os dados importantes disponíveis poderão ser colocados diretamente no fluxograma, onde deverão estar identificados, individual e devidamente, todas as correntes do processo. Entre os dados importantes para balanços materiais citam-se vazões, composições e demais propriedades necessárias para caracterizar cada uma das correntes (por ex., pressão e temperatura para gases, leituras em medidores de vazão, etc.).

3º) Estudar o fluxograma e os dados de modo a relacionar mentalmente as diversas correntes do processo e as quantidades das diversas substâncias que compõem estas correntes. Muitas vezes o problema fica resolvido com um estudo cuidadoso deste tipo.

4º) Escolher uma base de cálculo apropriada e indicá-la com clareza e destaque. A base de cálculo, como o nome indica, é uma quantidade arbitrária de reagentes ou produtos em relação à qual se referem todos os cálculos efetuados. A base de cálculo pode também ser a massa de um determinado reagente ou de um único produto, podendo igualmente ser escolhido um intervalo de tempo de operação. Embora arbitrária, a escolha da base de cálculo é um passo necessário para a resolução do problema e muitas vezes a simplicidade da solução depende da seleção adequada da base. Em certos casos a base conveniente é bastante óbvia e muitas vezes decorre imediatamente do enunciado do problema. Em outros casos, porém, a seleção adequada requer grande prática.

Desde que não haja reações químicas no processo estudado, a base de cálculo poderá ser 1kg ou 1t de um dado material participante, conforme a conveniência do caso específico. Ocorrendo reações químicas, a base molar é quase sempre mais vantajosa pelas razões já expostas. Quando as composições são dadas em porcentagem molar, a base conveniente poderá ser 100 mol (ou kmol) de reagente ou de produtos, dependendo de verificar qual das composições é a mais completa ou virá a ser mais útil para obter a solução.

É recomendável indicar claramente a base de cálculo adotada logo no início da resolução do problema e, sempre que a mesma for mudada, deve-se deixar bem claro que isto foi feito. A importância do emprego da base de cálculo apropriada somente poderá ser bem esclarecida com exemplos práticos.

5º) Selecionar o sistema (ou os sistemas) em torno do qual serão feitos os balanços. Esta seleção, embora arbitrária, obedece a certos critérios ditados pela conveniência. Por exemplo, quando o objetivo visado é a determinação de uma dada quantidade de produto numa corrente que vai de um equipamento para outro no processo, isto é, numa corrente que não sai do processo, é conveniente cortar o processo global de tal forma que a corrente que nos interessa entre ou saia do sistema escolhido.

6º) Realizar os balanços, obtendo em resultado um número suficiente de equações que permita resolver o problema. A técnica de cálculo a adotar é uma questão de preferência pessoal, mas há práticas mais ou menos consagradas pelo uso e cuja utilização normalmente facilita o trabalho do técnico.

Em linhas gerais, o encaminhamento da solução pode seguir duas técnicas distintas. Pela primeira, estabelecem-se balanços materiais em número suficiente para que o número de equações seja igual ao número de incógnitas. Este trabalho requer cuidados especiais para que não sejam estabelecidas equações dependentes. Se o número de equações independentes que podem ser obtidas for maior do que o número de incógnitas, a escolha das equações a utilizar é indiferente sob o ponto de vista algébrico. Porém, uma dada equação pode ser preferível em relação a outras que poderiam ser igualmente utilizadas no caso de um ou mais dados serem mais precisos do que outros, ou merecerem maior confiança por parte do técnico.

A outra técnica evita o emprego de equações e consiste em relacionar as quantidades das diversas correntes de reagentes e produtos do processo, através das quantidades de um ou mais compostos (ou elementos) cuja a quantidade nessas correntes permaneça em proporção fixa durante o processo. Qualquer que seja a linha adotada, num dado caso prático, uma norma geral deve ser observada sem restrições: é a de que o fim visado é obter um número que vai servir para orientar o técnico encarregado do estudo e não o estabelecimento de equações algébricas e sua manipulação elegante. Convém lembrar que, interrompido neste ponto, o problema não estaria resolvido. É por este motivo que equações que possam ser omitidas durante o estudo do problema, deverão sê-lo, por conveniência.

Um exemplo esclarecerá este ponto. Suponhamos que uma solução a 50 mol por cento de etanol em água esteja sendo alimentada em vazão constante a uma coluna de destilação para produzir destilado com 70 mol por cento de álcool e produto de fundo com um mol por cento de álcool. Sendo F o número de mol alimentados à coluna num dado intervalo de tempo e D e W os números de mol de destilado e de produto de fundo nesse mesmo intervalo de tempo, duas equações poderiam ser estabelecidas para resolver o problema da determinação de D e W em função de F:

Figura 22 - Balanço material

Balanço material total em torno da coluna conforme figura acima:

F = D + W

Balanço material de etanol em torno da coluna:

FxF = DxD + WxW

ondexF = 0,5; xD = 0,7 e xW = 0,01

Resolvendo este sistema tira-se finalmente

D = F . ({xF - xW} / {xD - xW})W = F . {xD - xF} / {xD - xW}

Será bastante substituir as letras pelos seus valores numéricos e o problema estará solucionado.

Este processo é absolutamente válido, elegante e, além do mais, fornece expressões gerais para problemas "deste tipo". Contudo, não percamos de vista que o objetivo real de nosso trabalho não é atingir o que está expresso nas diferentes equações acima. É, mais objetivamente, calcular os valores numéricos de D e W. Com isto em mente podemos sugerir um encaminhamento do problema como segue:

Base de cálculo: F = 100 mol

Balanço material do etanol em torno da coluna

50 = 0,7D + 0,01 (100-D)D = 71 mol e W = 29 mol

Observe-se que este último processo é muito mais objetivo do que o primeiro e suas vantagens na economia de tempo são óbvias. A regra geral implícita neste modo de proceder resume-se em não escrever aquilo que pode ser evitado, como, por exemplo, as indicações de FxF ou 100(0,5) em lugar de um número que poderá ser colocado diretamente, 50. Esta prática justifica-se amplamente, pois alivia o trabalho de quem calcula.

Ilustrações da técnica empregada serão apresentadas a seguir. Os exemplos escolhidos são variados, servindo, por esse motivo, para ressaltar o fato de que o princípio empregado é absolutamente geral, aplicando-se igualmente a outros tipos de processos. Algumas particularidades de processos são consideradas neste ponto como conhecidas. Não nos deteremos em procurar esclarecê-las a fim de não perdermos de vista o objetivo visado que é tão somente a apresentação da técnica do balanço material.

Objetivos gerais dos balanços materiais

Não julgamos conveniente a separação dos problemas por tipos aos quais estão associados métodos padronizados de solução ou artifícios de cálculo, pois quem adquire este hábito é tentado a desviar os esforços do ponto mais importante que é a interpretação do problema e sua realização prática mental, para despender reforços inúteis, sob o aspecto "treinamento", procurando rememorar regras práticas a aplicar ao caso proposto.

Por este motivo é que uma série de ilustrações será apresentada a seguir, sem que tenhamos procurado fazer qualquer classificação, seja pelo tipo de processo, pelo ramo da técnica processual em que elas são úteis, pelo tipo de solução ou mesmo pela dificuldade que apresentam. Um problema de balanço material não é fácil ou difícil: o encaminhamento da solução é que o torna fácil, difícil ou insolúvel. Contudo, parece-

nos interessante observar que, de um modo geral os diversos problemas que se nos apresentam na prática pertencem a duas categorias gerais, quanto ao objetivo visado:

Problemas que visam obter como resposta um número que representa uma grandeza de determinação direta impossível, trabalhosa ou menos precisa do que a assim calculada. São exemplos as determinações de perdas não localizadas ou múltiplas, de vazamentos pelo equipamento, de um rendimento ou de uma vazão em condutos de difícil acesso.

Problemas cuja resposta é a aceitação ou rejeição de um conjunto completo de dados experimentais, isto é, o objetivo visado nestes casos é o controle dos dados experimentais que se têm em mãos. O resultados do estudo poderá ser, ao invés da rejeição pura e simples dos dados, sua correção adequada de modo a que o princípio da conservação da massa seja respeitado. Os dados corrigidos através de ponderações válidas, são na verdade os que mais se aproximam da realidade, pois satisfazem aos balanços materiais cujo princípio é absolutamente geral.

Problemas deste tipo requerem muitas vezes grande dose de julgamento profissional por parte do técnico encarregado do estudo e conduzem, em geral, a um melhor conhecimento do processo após a investigação das causas da discrepância observada. Muitas conclusões importantes têm sua origem numa simples verificação de dados experimentais e na tentativa de sua correção e adaptação para o uso.

Exemplo destilação - 1

Um iniciante no preparo de álcool para uso como combustível está tendo bastante dificuldade com sua caldeira. A operação é ilustrada pela figura. Ele percebe que está perdendo muito álcool na cauda de destilação (refugo). Calcule a composição do produto de fundo e o peso de álcool perdido no produto de fundo de destilação.

Solução

Etapas 1, 2 e 3:

Figura 23 - Destilação em etapas 1

Etapa 4. As quantidades desconhecidas são a cauda e sua composição, além da quantidade de destilado.

1000 kg de alimentação10% EtOH90% H2O

Aquecimento

Água de refrigeração

Destilado, P = ?

60 % EtOH40% de H2O

resíduo, B = ?

EtOH = ?H2O = ?

Vapor

Resíduo

W1 = 1/10 alimentação

Limite do sistema

Etapa 6. Selecione a carga dada como base de cálculo.

Base de cálculo: 1.000 kg de carga

Etapa 3 continuação. É dado que P é 1/10 de F, e, portanto,

P = 0,1 (1 000) = 100 kg

Etapas 5, 7, 8 e 9. Podemos escrever dois balanços materiais e um somatório de balanços de frações de massa para o sistema, de tal modo que o problema terá uma solução única. A solução pode ser obtida diretamente por subtração

kg alimentação entrada - kg destilado saída = kg produto de fundo saída percentual

Balanço de EtOH: 0,10(1 000) - 0,60 (100) = 40 4,4Balanço de H2O: 0,90(1 000) - 0,40(100) = 860 95,6

900 100,0

Etapa 10. 900 kg B + 100 kg P = 1 000 kg F.

Exemplo destilação - 2

A Figura seguir apresenta uma coluna de destilação típica, juntamente com informações para cada corrente. Calcule os quilogramas de destilado por quilograma de carga e por quilograma de produto de fundo.

Figura 24 – Destilação em etapas 2Solução:

Etapas 1,2 e 3: A Figura acima já cobre estas etapas em suas informações.

Etapa 4: As quantidades desconhecidas são F, D e W.

Etapa 5: Somente podem ser escritos dois balanços materiais independentes. São necessários dados adicionais.

(fundo ou resíduo)5% EtOH95% H2O

Alimentação F

35% EtOH65% H2O

85 % EtOH

15% de H2O

W

D

F

D

Condensador

Limite do sistema

Etapa 6: Selecione uma base de cálculo.

Base de cálculo: 1,00 kg de carga

Etapa 5: (continuação) Agora apenas D e W são valores desconhecidos, e pode ser obtida uma solução única.

Etapa 7:

Tipo de balanço Entrada = Saída Total 1,00 = D + W EtOH 1,00 (0,35) = D (0,85) + W (0,05) H2O 1,00 (0,65) = D (0,15) + W (0,95)

Etapa 8. É necessária uma solução algébrica.

Etapa 9. Obtenha D fazendo W = (1,00 - D),

1,00 (0,35) = D (0,85) + (1,00 - D)(0,05)

D = 0,375 kg/kg de carga

Como W = 1 - 0,375 = 0,625 lb,

D/ W = 0,375 / 0,625 = (0,60Kg) / kg

Etapa 10. Confira sua resposta usando o balanço de H2O.

7.5.3 EQUILÍBRIO DE FASES

7.5.3.1 Métodos de destilação de sistemas binários

O projeto de colunas de vários estágios pode ser realizado mediante técnicas gráficas quando a mistura de alimentação contém somente dois componentes. O diagrama xy (McCabe e Thiele, Ind. Eng. Chem., 17, 605 (1925)) utiliza apenas as relações de equilíbrio e de balanços de massa e se aproxima da exatidão somente naqueles poucos sistemas em que são desprezíveis os efeitos de energia. O diagrama de entalpia concentração (Ponchon, Tech. Moderne, 13, 20, 55 (1921). Savarit, Arts et Métiers, 1922, p. 65, 142, 178, 241, 266, 307) utiliza o balanço de energia e é rigoroso quando se dispõem de dados calorimétricos suficientes para construir o diagrama, sem hipóteses auxiliares.

A disponibilidade de computadores diminui a nossa dependência frente aos métodos gráficos. Os diagramas, não obstante, são úteis para aproximações rápidas e para demonstrar o efeito das diversas variáveis de projeto. O diagrama xy é o mais conveniente para estes objetivos e é o que se escolheu para uma análise limitada neste parágrafo. O leitor poderá encontrar uma discussão completa de ambos os diagramas em Smith (Design of Equilibrium Stage Processes, McGraw-Hill, New York, 1963).

Os dados básicos de qualquer problema de destilação são os de equilíbrio entre as fases líquida e gasosa do sistema submetido a destilação.

7.6 EQUILÍBRIO LÍQUIDO - VAPOR

As operações de equilíbrio realizam-se em estágios. De um modo geral, o vapor que sai de um estágio acha-se enriquecido dos componentes mais voláteis. Nas operações ideais, os diversos estágios são teóricos ou de equilíbrio (as duas correntes que deixam o estágio estão em equilíbrio). As composições das duas correntes são relacionadas entre si através da relação de equilíbrio físico correspondente.

Figura 25 - Estágios de equilíbrio de uma coluna fracionadora

7.6.1 DEFINIÇÃO DE EQUILÍBRIO LÍQUIDO VAPOR

Se for colocado em um recipiente sob vácuo uma determinada quantidade de um líquido puro a uma temperatura constante o líquido tenderá a vaporizar-se. A vaporização continua até que o número de moléculas que abandonam o líquido seja igual ao número de moléculas que deixam o vapor. Diz-se então que o líquido e seu vapor estão em equilíbrio termodinâmico.

Figura 26 - Líquido e vapor em equilíbrio termodinâmico

Para uma mistura, quando as fases líquida e vapor coexistem em um mesmo sistema, elas tendem a trocar seus constituintes até que no equilíbrio a composição de cada fase atinja um valor constante e não mais se alteram por maior que seja o tempo.

P

T

Da mesma maneira que para substâncias puras, quando a mistura atinge o equilíbrio o número de moléculas que abandonam o líquido é igual ao número de moléculas que deixam o vapor.

Figura 27 - Sistema líquido e vapor

7.6.2 CONSTANTE DE EQUILÍBRIO E VOLATILIDADE RELATIVA

A Constante de Equilíbrio é a relação entre a fração molar do composto na fase vapor pela fração molar do composto na fase líquida. Mede a tendência do componente em vaporizar.

Se: Ki alto i se concentra na fase vapor

Ki baixo i se concentra na fase líquida

Ki = 1 i se divide igualmente entre as fases líquida e vapor.

A Volatilidade Relativa aij é a relação entre as constantes de equilíbrio de dois compostos i e j presentes na mistura. Indica a facilidade de separação entre os compostos por destilação. Quanto maior ij maior a facilidade em separar os compostos.

Se:

ij = 1 os compostos não podem ser separados por destilação.ij < 1,15 a separação por destilação é antieconômica

P

T

Os três tipos de curvas de equilíbrio binário aparecem nas figuras a seguir. O diagrama xy, quando é possível, é sempre representado para o componente mais volátil. A curva A mostra o caso mais usual em que o componente 1 permanece o mais volátil na faixa completa de composição. A curva B é típica de muitos sistemas (etanol-água, por exemplo) em que o componente que é mais volátil nos pequenos valores de x1, torna-se menos volátil nos valores elevados de x1. As composições do vapor e do líquido são idênticas no ponto em que a curva B corta a diagonal y=x.

Este sistema é designado pelo nome azeótropo. Quando apenas uma fase líquida está presente (como é o caso da curva B) na composição do azeótropo, ele é um azeótropo homogêneo. Quando uma segunda fase líquida aparece no azeótropo (duas fases líquidas em equilíbrio com a mesma fase vapor), o azeótropo é heterogêneo e a curva de equilíbrio tem a forma geral da curva C. O sistema butanol normal e água é um exemplo de azeótropo heterogêneo.

Independentemente de um azeótropo ser homogêneo ou heterogêneo, a sua presença num sistema limita a separação que pode ser obtida, numa destilação simples, entre os componentes. Para o sistema descrito pela curva B, a concentração máxima do produto de topo que poderia ser obtida de uma alimentação com x1 = 0,25 é a concentração do azeótropo. Analogamente, com uma alimentação em que X1 = 0,9, a composição do produto de calda não poderia ser menor que a do azeótropo.

É conveniente recordar que a regra das fases permite que apenas duas variáveis sejam especificadas arbitrariamente num sistema binário, com duas fases em equilíbrio. Por isso, as curvas na Fig. 28, a seguir, podem ser traçadas seja a temperatura constante, seja a pressão constante, mas não com os dois parâmetros constantes.

F= C + 2 – P

Onde:

F= número de variáveis intensivas (independe da massa)C= número de componentes do sistemaP= número de fases no sistema

O diagrama pode ser traçado em frações molares, frações ponderais ou frações volumétricas. As unidades que forem adotadas, para medir as taxas das fases devem concordar com as que forem utilizadas para exprimir os dados de equilíbrio.

Em alguns casos é possível admitir que seja constante a volatilidade relativa para se ter uma aproximação rápida da curva de equilíbrio. A volatilidade relativa do componente 1 para o componente 2 é definida por:

K1 y1.x2

1-2 = ----------- = ------------

K2 x1.y2

Que escrita de outra forma fica:

x1.y1 = -----------------------------

1 + (-1).x1

Para se calcular os pontos na curva de equilíbrio.

Figura 28 - Curvas de equilíbrio térmico Figura 29 - Esquema de balanço de massa

7.6.3 PRESSÃO DE VAPOR

As moléculas que, no equilíbrio, passaram da fase líquida para a fase vapor a uma dada temperatura, aumentam a pressão do recipiente. A pressão assim desenvolvida é denominada Pressão de Vapor.

A pressão de vapor é uma importante variável na determinação dos estágios de equilíbrio de uma coluna de destilação uma vez que entra no cálculo das composições das fases no equilíbrio e está relacionada com a ebulição e a volatilidade dos compostos.

A uma dada temperatura, um líquido puro entra em ebulição quando sua pressão de vapor se iguala a pressão da vizinhança.

Líquidos com altas pressões de vapor (líquidos voláteis) irão entrar em ebulição à temperaturas mais baixas

A uma dada pressão externa, quanto menor o ponto de ebulição maior a pressão de vapor.

A facilidade com a qual o líquido entra em ebulição depende de sua volatilidade. Então quanto maior a volatilidade maior a pressão de vapor.

A destilação ocorre devido às diferenças na volatilidade dos componentes na mistura líquida.

Para uma substância pura, a pressão de vapor depende exclusivamente da temperatura. Quando não se dispõe de dados experimentais, a pressão de vapor pode ser calculada por equações empíricas dentre as quais a Equação de Antoine

Onde:

Pv = pressão de vapor da substânciaT = temperatura de equilíbrio (em K)A, B e C = constantes individuais para cada substância

No caso de misturas líquidas, além da temperatura a pressão de vapor depende das quantidades relativas dos componentes na mistura, ou seja, Pv = f(T, x).

Exercícios II

Calcule a pressão de vapor dos compostos abaixo utilizando a equação de Antoine nas temperaturas de 10, 20 e 30 °C.

Dados:

acetona A = 14,5463 n-hexano A = 13,8216 B = 2940,46 B = 2697,55

C = 237,22 C = 224,37

n-heptano A = 13,8587 B = 2911,32 ; C = 216,64

Gás Ideal, Mistura Gasosa Ideal e Lei De Dalton:

Diz-se que um gás ou vapor tem comportamento ideal quando obedece a LEI DOS GASES IDEAIS, ou seja:

Onde:

P = pressão do gásn = número de molesR = constante universal dos gases = 8,314 J/mol KT = temperatura do gásV = volume ocupado pelo gás

Para que um gás se comporte idealmente as moléculas devem estar infinitamente separadas de modo que uma não interfira no comportamento da outra, ou seja, não deve existir forças intermoleculares.

Em geral, quando uma mistura gasosa está submetida a uma baixas pressões e for constituída por moléculas não polares (cujas cargas elétricas são bem distribuídas), a mistura gasosa atende as condições descritas acima e se comporta idealmente.

Se admitirmos que o vapor em equilíbrio com um líquido a uma dada T se comporta idealmente, a LEI DE DALTON DAS PRESSÕES PARCIAIS pode ser aplicada, ou seja,

Pi = yi P

Onde:

Pi = pressão parcial do componente iyi = fração molar de i na fase vaporP = pressão total da mistura

A Pressão parcial é a pressão que um componente i de uma mistura gasosa exerceria se estivesse sozinho no recipiente. Pode ser vista como a contribuição de i para a pressão total. A pressão total é assim calculada como sendo a soma das pressões parciais, ou

seja:

A solução líquida ideal é definida como sendo aquela que obedece a LEI DE RAOULT em todo o intervalo de concentração.

A Lei de Raoult relaciona a pressão parcial de um componente com a sua concentração molar no líquido e com a sua pressão de vapor, ou seja:

Pi = xi Piv

Onde:

Pi = pressão parcial de ixi = fração molar de i no líquidoPi

v = pressão de vapor de i puro

A rigor, a Lei de Raoult só é verdadeira para soluções diluídas, ou para misturas de substâncias que são quimicamente similares. Mas, nas soluções ideais, seu comportamento é estendido para toda a faixa de composição.Em geral, mistura de isótipos e de moléculas não polares são soluções que se comportam idealmente. Exemplo, Benzeno:Tolueno, Isopentano:n-pentano, o-xileno:m-xileno:p- xileno

A Lei de Raoult é a equação de uma reta passando pela origem. A maioria da soluções reais apresentam desvios, positivos ou negativos da Lei de Raoult

Figura 30 - Gráfico Pi xi

Exemplo:

Figura 31 - Gráfico de pressões

Pi

xi

solução real

lei de Raoult

Figura 32 - Diagrama do ponto de ebulição a 1 atm

Combinando a Lei de Dalton com a Lei de Raoult, obtém-se para uma mistura que se

comporta idealmente onde:

yi = fração molar de i na fase vaporxi = fração molar de i na fase líquidaPi

v = pressão de vapor de i puroP = pressão total do sistema

A equação acima relaciona a fração molar do componente na fase vapor e líquida para soluções ideais no equilíbrio. Esta expressão é utilizada para calcular as composições dos componentes que deixam cada prato nas colunas de destilação para misturas ideais.

Exemplo: Uma mistura de benzeno e tolueno com 40% molar de benzeno na fase líquida, está em equilíbrio a 90 °C. Calcule a composição da fase vapor, sabendo que a pressão de vapor do benzeno e do tolueno a 90 °C são respectivamente 1016 e 405 mmHg.

SOLUÇÃO

P = PBZ + PTOL PBZ = xBZ PvBZ = 0,4 x 1016 = 406,4 mmHg

PTOL = xTOL PvTOL = 0,6 x 405 = 243 mmHg

P = 406,4 + 243 = 649,4 mmHg

yBZ = xBZ PvBZ /P yBZ = 406,4/649,4 = 0,63

yTOL = 1 - yBZ = 1 - 0,63 = 0,37

Para misturas binárias ideais pode-se escrever as equações que relacionam a pressão total com as composições das fases líquida e vapor a partir das Leis de Dalton e de Raoult. Sabendo-se que:

p = p2 + p2

Onde:

p1 = x1 p1v e p2 = x2 p2

v. Mas x2 = (1 - x1), então tem-se que, p2 = (1 - x1 ) p2v

Substituindo em p1 e p2 em p encontra-se:

p= p2v + (p1

v + p2v ) x1

Que é a equação de uma reta e relaciona a pressão total com a composição da fase líquida no equilíbrio.

Pela lei de Raoult tem-se que y1 = p1 / p . Substituindo p e p1 dada pela lei de Dalton,

obtém-Se:

Isolando x1, tem-se:

Substituindo em p encontra-se:

Que relaciona a pressão total com a composição da fase vapor no equilíbrio.

Diagramas de equilíbrio líquido/vapor

São a forma gráfica de representar a interdependência entre temperatura, pressão e composição no equilíbrio para sistemas binários. São bastante utilizados por sua simplicidade e facilidade para visualização dessa relação entre as variáveis de equilíbrio.

Os diagramas de equilíbrio podem ser construídos a partir das equações apresentadas até aqui. Os principais tipos de diagramas são Pressão vs Composição a T constante

Temperatura vs Composição a P constante

Composição fase líquida vs composição fase vapor a T ou P constante.

Diagrama Pressão vs Composição a T constante mostra como as composições das fases líquida e vapor que estão no equilíbrio variam com a pressão mantida a temperatura constante.

X1 é a composição do componente mais volátil. Os pontos que estão acima da curva do líquido representam a mistura

inteiramente na fase líquida. Os pontos que estão abaixo da curva de vapor estão inteiramente na fase vapor.

Figura 33 - Curvas de líquido e vapor

A região entre as duas curvas contém os sistemas onde estão presentes as duas fases. p10

e p20 representam as pressões de vapor de 1 e 2 puros.

Diagrama Temperatura vs Composição a P constante mostra como as composições das fases líquida e vapor que estão no equilíbrio variam com a temperatura mantida a pressão constante. Este diagrama é denominado Diagrama de Ponto de Ebulição.

As relações T = f(x1) e T = f(y1) não são tão simples como entre pressão-composição pois, a uma dada pressão, p1

v e p2v dependem de T e estas relações são por vezes

complicadas.

1121

21

yppppp

p vvv

vv

vapor

L + V

X1

pp= p2

v + (p1v + p2

v ) x1

líquido

p´2

0

p10

0 1

Em vista disso, os pontos geralmente são determinados experimentalmente.

Figura 34 - Gráfico: Líquido subresfriado e vapor superaquecido

OBSERVAÇÕES SOBRE O GRÁFICO:

O ponto de ebulição do componente 1 à pressão considerada, T10, é aquele no qual a sua

fração molar é 1. O ponto de ebulição de 2, T20 , é aquele na qual a fração molar de 1 é

zero. O componente que apresentar menor ponto de ebulição é o mais volátil.

A curva superior do diagrama é chamada curva de ponto de orvalho (dew-point) enquanto que a inferior é chamada curva de ponto de bolha (bubble-point)

O ponto de orvalho é a temperatura na qual o vapor saturado começa a condensar;O ponto de bolha é a temperatura na qual o líquida começa a entrar em ebulição;

Figura 35 - Curvas do ponto de orvalho e do ponto de bolha

Seja um líquido sub-resfriado com fração molar de 40% de A e a T1.

T20

X1

T

líquido subresfriado

vapor superaquecido

L + V

T10

0 1

p

T10

p

T

T20

0 1

Curva do ponto de bolha

Curva do ponto de orvalho

A

0,4

T1

C

0,8

Tb

B

Quando é aquecido, sua concentração permanece constante até que se atingir o ponto de bolha B quando começa a entrar em ebulição.

Os vapores liberados durante a ebulição tem sua composição de equilíbrio dada pelo ponto C, cerca de 80% de A, o dobro da composição original do líquido.

Esta diferença entre as composições de líquido e do vapor é a base para a operação de destilação.

Continuando o aquecimento até uma temperatura intermediária T2 o vapor formado vai se empobrecendo no componente mais volátil pois o componente 2 também vai passando à fase vapor.

No ponto de orvalho To, resta apenas uma última gota de líquido, muito mais rico no componente 2 que a mistura original (cerca de 80% de 2).

Figura 36 - Ponto de bolha e ponto de orvalho

Acima desta temperatura todo o líquido está na fase vapor (ponto G, T = T2).

O gráfico anterior mostra uma mistura binária que apresenta um equilíbrio líquido-vapor (ELV) uniforme, sendo relativamente fácil separar. Existem porém misturas de difícil separação.

0 10,8

B

A

T

T20

T10

p

0,4

C

T1

Tb

0,60,3

D

ET2

F

GT2’

To

O exemplo mais importante de misturas de separação difícil são as misturas azeotrópicas, que é uma mistura líquida que quando vaporizada produz a mesma composição do líquido no vapor formado. Os azeótropos comportam-se como uma substância pura, possuindo ponto de ebulição constante.

No diagrama do ponto de ebulição destas misturas, a curva do ponto de bolha e do ponto de orvalho coincidem num ponto extremo que pode ser máximo (azeótropo de máximo) ou de mínimo (azeótropo de mínimo).

Nos Azeótropos de Máximo, a mistura azeotrópica possui ponto de ebulição maior que os componentes que os compõe puros.

Nos Azeótropos de Mínimo, a mistura azeotrópica possui ponto de ebulição menor que os componentes que os compõe puros.

Azeótropo de Máximo

Figura 37 - Gráfico da fração molar do clorofórmio

Mistura Benzeno – Clorofórmio

Figura 38 - Gráfico da fração molar do benzeno

Diagrama Composição vs Composição a P ou T constante mostra como as composições das fases líquida e vapor que estão no equilíbrio se relacionam entre si. O diagrama é apresentado conforme abaixo:A curva de equilíbrio expressa as composições no líquido e no vapor do composto mais volátil de uma mistura binária. Geralmente as composições são medidas em diversas temperaturas mantida a pressão constante.

Figura 39 - Curva de equilíbrio de uma mistura binária

Quando a mistura é não ideal, o diagrama do ELV não é simétrico em relação à perpendicular que passa ao meio da diagonal, conforme abaixo.

Figura 40 - Curvas de equilíbrio de mistura não ideal

Nas misturas azeotrópicas, o ponto onde a curva de equilíbrio intercepta a diagonal (x = y) são os pontos azeotrópicos.

x1

y1

x = y

Curva de equilíbrio

0 1

PP

yv

ii

x1

y1

0 1

x1

y1

0

1

Figura 41 - Curvas de equilíbrio de misturas azeotrópicas

Sistemas como os azeotrópicos ou de difícil separação só podem ser separados por destilação azeotrópicas ou destilação extrativa, como já descrito.

Alternativamente pode-se promover a Destilação à Vácuo para separar azeótropos uma vez que a variação na pressão varia o ponto do azeótropo para uma posição mais favorável.

Gráficos/dados de equilíbrio líquido/vapor são usados para PROJETAR COLUNAS DE DESTILAÇÃO.

7.7 FATORES IMPORTANTES NO PROJETO E OPERAÇÃO DE COLUNAS DE PRATOS

Número de pratos requerido para obter uma separação desejada. O diâmetro da coluna. O calor fornecido pelo refervedor. O calor retirado pelo condensador. O espaçamento entre os pratos.

7.8 MÉTODO DE MC CABE-THIELE

Seções de uma coluna

Seção de absorção

Na parte da torre compreendida entre o ponto de alimentação e o topo, os componentes mais pesados do vapor que sobem são absorvidos pelo refluxo líquido que desce. Está é a seção de absorção, onde é efetuada a concentração dos componentes mais voláteis. Em todos os pratos acima do prato de alimentação, a percentagem dos compostos leves é maior que na carga.

vap

or

(y1)

líquido (x1)

va po r (y1 )

líquido (x1)

x = yx = y

Seção de esgotamento

Entre o prato de alimentação e o fundo da torre, os componentes mais leves existentes no líquido são removidos (ou esgotados) pelo vapor que sobe, vindo do refervedor. Está é a seção de esgotamento. Em qualquer prato desta seção, a percentagem de compostos pesados, é maior que na carga.

A figura mostra uma representação esquemática das seções de uma torre de destilação.

A simbologia utilizada para identificar cada corrente na é a seguinte:

Quadro 4 - Significados e siglas

Figura 42 - Gráfico da fração molar do clorofórmio

V Vapor do topo (kg / h)D Destilado (kg / h)L Refluxo externo (kg / h)F Carga ou alimentação (kg / h)B Produto de fundo (kg / h)Vm ,n Vapor subindo na torre (kg / h)Lm ,n Refluxo interno (kg / h)n Seção de absorção

(acima da alimentação)m Seção de esgotamento

(abaixo da alimentação)Qc Qc - calor retirado pelo

condensador (kcal/h)Qr Qr - calor introduzido pelo

refervedor (kcal/h)qB,D,F qB, D, F conteúdo de calor

dasdiversas correntes (kcal/kg)

7.9 TIPOS DE REFLUXO

Podemos identificar dois tipos de refluxos:

Refluxo de topo ou externo. Refluxo interno.

Refluxo de topo ou externo

É aquele alimentado no topo da torre.

Refluxo interno

É aquele que desce de prato a prato no interior da torre, absorvendo calor e condensando uma parte dos vapores que nela sobem. O refluxo interno apenas remove o calor latente. É originado pelo refluxo externo ou de topo.

7.9.1 FATORES QUE INFLUEM NA OPERAÇÃO DA TORRE

O grau de separação atingido numa torre de destilação depende de uma série de fatores, alguns dos quais são fixados pelo projeto da torre, enquanto que outros, são condições que podem ser alteradas durante a operação do equipamento, de modo a modificar a qualidade dos produtos finais. A influência desses fatores será analisada a seguir.

Razão de refluxo

Chama-se razão de refluxo às relações entre as vazões de líquido e vapor de uma torre. Podem ser:

Razão de refluxo interna.Razão de refluxo externa.

Razão de refluxo externa

A razão de refluxo externa (Re), é a relação entre as vazões de líquido que retorna à

torre como refluxo de topo ou externo e o destilado que sai pelo topo da torre. Ou seja:

Esta razão de refluxo externa é uma variável importante na operação de destilação, visto que o refluxo interno é gerado pelo refluxo externo.Razão de refluxo interna

A razão de refluxo interna (Ri), é a relação entre as vazões de líquido e vapor que se

cruzam em cada prato da coluna.

Ou seja:

na seção de absorção:

na seção de esgotamento:

Para uma coluna existente, operando a uma determinada carga, as razões de refluxo internas‚ é que determinam o grau de fracionamento.

Número de pratos (estágios)

Já foi visto que, quanto menor o número de pratos (estágios), pior será o grau de fracionamento alcançado; e que, quanto maior o refluxo, melhor o fracionamento. Na realidade, esses dois fatores estão intimamente ligados. As torres podem ter um grande número de pratos para operarem com pequena razão de refluxo ou pequeno número de pratos para operarem com grande razão de refluxo, para obter o mesmo grau de fracionamento de uma determinada carga.

Refluxo mínimo

Pelo que foi exposto anteriormente, pode-se ver que, a medida que se reduz a razão de refluxo, maior será o número de estágios necessários para obter uma mesma separação. Assim, se reduz continuamente a razão de refluxo, chega-se a um ponto em que é necessário um número infinito de estágios para que se obtenha a separação desejada.

Desse modo, define-se:

Razão de refluxo mínima é aquela para a qual é necessário um numero infinito de pratos na coluna.

Refluxo total

A condição de refluxo total existe quando todo o vapor que sai do topo da coluna (V) é condensado e retorna a coluna, como refluxo (L). Ou seja, não há retirada de produto de topo (D=0).

Com este refluxo é que ocorre o melhor fracionamento de uma determinada carga, e é claro que:

Na condição de refluxo total o numero de estágios (pratos) requeridos para uma dada separação é o mínimo possível.

Refluxo de operação

As duas situações apresentadas anteriormente, são situações limite: é impossível construir uma torre com um número infinito de pratos para operar com razão de refluxo mínima; da mesma forma, é impossível operar continuamente uma torre com refluxo total, porque não há alimentação nem retirada de produtos.

Portanto, é necessário definir um valor intermediário da razão de refluxo.

Geralmente, as torres de destilação são construídas prevendo um refluxo de operação de 1,5 a 3 vezes o refluxo mínimo.

A relação entre o número de pratos (estágios) e a razão de refluxo está mostrada na figura abaixo.

É claro que não se pode modificar o número de pratos de uma torre existente. Assim, a variação da razão de refluxo vai influir na qualidade dos produtos obtidos. Para uma torre real:

Quanto maior o refluxo, maior a pureza dos produtos obtidos, e vice-versa.

Figura 43 - Gráfico: nº de pratos refluxo

7.9.2 EFICIÊNCIA DE CONTATO

Já foi visto que sempre que as fases líquido e vapor de uma mistura estão em contato, há uma tendência para o equilíbrio, com a passagem dos componentes mais voláteis da mistura para a fase vapor.

Para ser atingido o equilíbrio, é necessário que haja uma boa dispersão das fases e também um certo tempo de contato entre elas. No prato de uma torre de destilação, esses dois fatores dependem da construção do prato: tipo do dispositivo de contato e do fluxo de líquido pelo mesmo.

Um prato em que o equilíbrio líquido-vapor é atingido, é conhecido como prato ideal (ou estágio ideal). Num prato real, o equilíbrio não é atingido. A eficiência (E) de um prato real mede o quanto seu desempenho se aproxima do prato ideal (a eficiência do prato ideal é 100%). A eficiência se situa normalmente entre 50 e 80%, sendo tanto maior quanto mais perfeito for o projeto do prato, para as condições de operação que se deseja.

Assim, o número de pratos reais necessários para se obter um dado fracionamento em uma torre, depende de sua eficiência ou, o fracionamento alcançado numa torre existente depende da eficiência dos seus pratos.

7.9.3 EQUAÇÕES DO BALANÇO DE MASSA

O método de McCabe-Thiele está baseado na representação das equações de balanço de massa como linhas retas no diagrama xy. A solução de um problema de separação binária torna-se então um exercício em geometria analítica elementar, com as equações representáveis por segmentos de retas.

As curvas se tornam retas (e por isso fica inútil o balanço de energia) com a hipótese de uma taxa constante de fluxo molar. Por hipótese a taxa da fase líquida é constante de bandeja para bandeja em cada seção da coluna entre o ponto de adição (alimentação) e o da retirada (produto). Se a taxa de líquido for constante, a taxa de vapor também o será.

A hipótese da taxa constante do fluxo molar inclui diversas outras. A mais importante é a da igualdade entre os calores latentes de vaporização molar dos dois componentes. As outras hipóteses são a do processo adiabático (inexistência de fugas térmicas) e inexistência de calor de solução ou de efeitos de calor sensível.

O efeito da hipótese sobre o método de cálculo pode ser ilustrado com a Fig.44, que mostra duas superfícies de controle para o balanço de material envolvendo seções do topo (acima da alimentação de topo ou de correntes laterais). Admitindo que Ln+1 seja idêntica a Ln-1, em termos de taxa, então Vn=Vn-2 e o balanço de massa para um componente, em ambas as superfícies, pode ser representado por,

Figura 44 - Balanço de massa no topo de uma coluna de destilação L . Xn+1 D . XD (3)yn = ----------- + ---------- V V

Onde y e x têm o índice do estágio mas L e V devem ser identificados somente com a seção da coluna a que são pertinentes. A Eq. (3) tem a forma analítica de uma linha reta; L/V é o coeficiente angular e D xD /V é a ordenada à origem.

A Fig.45, a seguir, ilustra-se o efeito de um ponto de sangria. A equação do balanço de massa para a seção da coluna abaixo da corrente lateral é,

yn = L’ . Xn+1 + D . XD + S . Xs (4)

V’ V’

Onde as linhas distinguem os L e os V dos referentes à seção do topo (Eq.(3)). Uma vez que a corrente lateral deve ser uma fase saturada, V = V' quando se sangra um líquido e L = L' quando se retira um vapor.

Fosse a corrente lateral na Fig. 45 uma entrada, o balanço de massa para a seção dela seria,

L’ . Xn+1 D . XD.- F. XF (5)yn = ------------- + ---------------------

V’ V’

Equações semelhantes podem ser escritas para a seção da base da coluna. No caso da superfície de controle da Fig. 46,

L’’ . Xm+1 B . XB (6)ym = ------------- - --------------

V’’ V

Onde o índice inferior m é usado para identificar o número do estágio na seção da base. As equações de (3) a (6) fornecem, no diagrama xy, retas que são denominadas retas ou linhas de operação. Um ponto sobre uma reta de operação representa duas correntes

escoando, e a linha de operação é o lugar geométrico de todos os pares possíveis de correntes dentro da seção da coluna a que correspondem.

Figura 45 - Balanço de massa com Figura 46 - Balanço de massa na base da correntes externas coluna

Uma linha de operação pode ser localizada no diagrama xy quando são conhecidos (1) dois pontos da linha ou (2) um ponto e o coeficiente angular. Os pontos conhecidos são, usualmente, a interseção com a diagonal x = y e/ou a interseção com outra linha de operação. O coeficiente angular L/V da linha de operação é a razão de refluxo interno. Esta razão na equação da reta de operação da seção de topo da coluna (ver a Eq. (3)) está relacionada com a razão de refluxo externo R = LN+1/D por

L LN+1 R.D R (7)-- = ------ = -------- = ------------V VN (1+R).D (1 + R)

quando a corrente líquida de refluxo LNn+1 é o líquido saturado.

A inclinação da reta de operação será modificada sempre que se passar por uma alimentação ou por uma corrente lateral. Para calcular esta modificação é conveniente introduzir a grandeza q, definida pelas seguintes equações para uma corrente de alimentação F:

L’ = L + qF (8)

V = V’ + (1 - q) F (9)

As linhas indicam correntes abaixo do estágio de alimentação. O parâmetro q é uma medida da condição térmica da alimentação e representa os moles de líquido saturado, formados no estágio de alimentação, por mol da alimentação. Os seus valores possíveis, para as diversas condições térmicas da alimentação, são os seguintes:

Alimentação com líquido sub-resfriado: q >1Alimentação com líquido saturado: q = 1Alimentação com líquido parcialmente vaporizado: 1 > q > 0Alimentação com vapor saturado: q = 0Alimentação com vapor superaquecido: q < 0

O valor de q para uma alimentação particular pode ser estimado por,

Calor necessário para converter um mol da alimentação a vapor q = ------------------------------------------------------------------------------------

Calor latente de vaporização molar da alimentação

Podem-se escrever equações análogas à (8) e (9) para uma corrente lateral, mas q será sempre 1 ou 0, dependendo da sangria ser feita na corrente de líquido ou na de vapor.

O parâmetro q pode ser usado para deduzir a equação da linha q, com uma dada alimentação ou uma, determinada corrente lateral. A linha q é o lugar geométrico de todas as interseções de duas retas de operação que se encontram no estágio de alimentação ou no estágio da sangria. Esta interseção deve ocorrer no segmento da linha q situado entre a curva de equilíbrio e a diagonal x = y.

No ponto de interseção, o ponto x,y de encontro deve satisfazer à equação da reta de operação acima da alimentação (ou da sangria) e à equação da reta de operação abaixo da alimentação (ou da sangria). Achando-se a diferença entre as duas equações no estágio da alimentação,

(V - V’). y = (L - L'). x + FxF

Que em combinação com as Eqs.( 8) e (9) dá a equação da linha q,

q . x XF (10) y = -------- - --------- (q - 1) (q - 1)

Na Fig. 47 aparece uma construção típica da linha q no estágio da alimentação. É fácil de mostrar que a linha q intercepta a diagonal em XF. O seu coeficiente angular é q/(q - 1).Na dedução da Eq.(10) admitiu-se que a coluna tem uma só alimentação e nenhuma corrente lateral. O mesmo resultado seria obtido, contudo, com outras configurações da coluna.

Na Fig.48 mostram-se construções típicas da linha q em estágios com sangria. Observe que a linha q de uma corrente lateral sempre intercepta a diagonal na composição (ys ou xs) da sangria.

A Fig. (48) mostra também as interseções das retas de operação com a reta diagonal. A reta de operação do topo deve interceptar a diagonal no ponto correspondente à composição do produto de topo xD . O que se pode ver fazendo y = x na Eq.( 3) e usando V - L = D para reduzir a equação resultante a x = xD . Analogamente (exceto em colunas

onde se introduz vapor pelo fundo), a linha de operação do fundo deve sempre interceptar a diagonal na composição do produto de fundo xB .Construção dos estágios de equilíbrio

Na Fig.49 está ilustrado o método de utilização alternada da curva de equilíbrio e da reta de operação para "escalonar" os estágios de equilíbrio. Os dois segmentos da curva de equilíbrio (com curvatura) e da linha de operação (retilíneo) cobrem a faixa de composição que existe na seção da coluna que aparece no canto inferior direito. Caso yn e xn representem as composições (em termos do componente mais volátil) do vapor e líquido em equilíbrio que deixam o estágio n, então o ponto (yn, xn) na curva de equilíbrio deve representar o estágio de equilíbrio n. A linha de operação é o lugar geométrico das composições de todos os pares possíveis de correntes dentro da seção e, por isso, uma reta horizontal (pontilhada) em yn deve passar pelo ponto (yn, xn+1) sobre a reta de operação, de vez que yn e xn+1 são correntes que estão fluindo. Da mesma forma, uma reta vertical (pontilhada) por xn deve interceptar a linha de operação no ponto (yn-1, xn).

Figura 47 - Intersecção típica de retas de operação Figura 48 - Construção de retas de operação

Figura 49 - Estágios de equilíbrio num diagrama xyOs estágios de equilíbrio acima e abaixo do estágio n podem ser localizados por uma reta vertical por (yn, xn+1) para, determinar (yn+1,xn+1) e uma outra horizontal por (yn-1,xn) para determinar (yn-1,xn-1). Conforme se vê, é possível subir ou descer na coluna mediante o uso alternado da curva de equilíbrio e das retas de operação.

Construção para a coluna inteira

Na Fig.50 representa-se a construção gráfica para a coluna toda. O processo pertinente está esquematizado no canto inferior direito. A coluna é uma coluna real, com um número de pratos equivalente a oito pratos teóricos. Um refervedor parcial (equivalente a um estágio de equilíbrio) (prato teórico) e um condensador total completam a coluna. Esta configuração foi analisada anteriormente (ver a Fig.46) e mostrou-se então que o número de variáveis de projeto (número de graus de liberdade) era C+2N+9, que devem ser especificadas para definir uma operação única. Na solução gráfica usaremos estas variáveis da seguinte forma:

Especificações ......................................................................................... Niu

Pressões nos pratos teóricos..................................................................... NPressão no condensador .......................................................................... 1Trocas térmicas nos pratos teóricos (exclusive o refervedor) ...................... N- 1Pressão e troca térmica no divisor de fluxo ............................................... 2Corrente de alimentação .......................................................................... C+ 2Localização do estágio da alimentação ...................................................... 1Número total de estágios N ....................................................................... 1Uma concentração no topo ........................................................................ 1Temperatura de refluxo ........................................................................... 1Razão de refluxo externo ......................................................................... 1--------------------------------------------------------------------------------------------------------

C+2N +9

Figura 50 - Construção alimentada por líquido em ponto de bolha

As pressões podem ser especificadas em qualquer nível abaixo da pressão máxima de segurança da coluna. A pressão do condensador será, por hipótese, 40lb/in2 e todas as quedas de pressão dentro da coluna serão desprezadas. A curva de equilíbrio na Fig.50 representa os dados a 40lb/in2 absolutas.

Todas as fugas térmicas serão, por hipótese, nulas, pois estamos usando o método de McCabe-Thiele.

A composição da alimentação é 40%, e a carga horária é de 1.000 moles. Por hipótese também a temperatura e a pressão da alimentação fazem q = 1,0.

A localização do estágio de alimentação é no prato número 4, e o número total de pratos teóricos é oito.

A composição do produto de topo será especificada em 0,95 = xD. A temperatura do refluxo será a temperatura do ponto de bolha (refluxo saturado) e a razão de refluxo externo será igual a R = 4,5.

Obteremos, na solução do problema, duas respostas. Primeiro, qual a composição do produto de cauda xB que sairá da coluna com estas especificações? Segundo, qual será a taxa de vapor no topo VN na operação? Excederá esta taxa a capacidade máxima da bandeja do topo que é de 2.000 mol/h?

A resolução principia pela Eq.(7) para converter a razão de refluxo externo de 4,5 à razão de refluxo interno L/V = 0,818. O valor de xD = 0,95 é então localizado na diagonal e se traça a reta de operação superior, conforme está na Fig.50.

Fosse conhecido o valor de xB, a reta de operação inferior poderia ser imediatamente traçada, passando por xB sobre a diagonal e pelo ponto de interseção da reta de operação superior com a linha q da alimentação. Neste problema, porém, o número de estágios é fixo, e o valor de xB que dá a reta de operação inferior deve levar a exatamente oito pratos teóricos e deverá ser encontrado pelo método das tentativas e erros. Admite-se um valor de xB e com ele se traça a reta de operação inferior. O escalonamento dos pratos teóricos pode começar de xB ou de xD; na figura, foi iniciado no primeiro.

Observe que a reta de operação inferior é utilizada até ser ultrapassado o quarto prato teórico, quando o método passa a se basear na reta de operação superior. Esta transferência é necessária, pois as correntes de vapor e de líquido que passam uma pela outra entre o quarto e o quinto prato devem situar-se sobre a reta de operação superior.

O valor de xB que requer exatamente oito estágios de equilíbrio (pratos teóricos) é x1

=0,026. Um balanço global dos componentes dá D=405 mol/h quando F = 1.000.

VN = V8 = LN+1 + D = D(R+1) = 405(4,5+1,0) = 2.230

que excede a capacidade da coluna, igual a 2.000 mol/h. Isto significa que a coluna não pode dar um produto com 95% de pureza com um rendimento de 40,5%. Ou a exigência da pureza deve ser reduzida ou será preciso ficar limitado o rendimento a um nível mais baixo. Mantendo a especificação xD = 0,95, a taxa de refluxo deve ser diminuída. Isto fará com que a reta de operação superior gire para cima, em torno do ponto fixo de abscissa xD na diagonal. A nova interseção da reta de operação com a linha q estará mais próxima da curva de equilíbrio. O xB então deve deslocar-se para a direita, subindo o ponto respectivo na diagonal, pois os oito estágios não terão o "passo" tão grande quanto antes. O valor mais elevado de xB diminuirá a recuperação do componente 1 nos 95% do produto de topo.

Na Fig.51 está representada uma outra coluna completa, com uma alimentação parcialmente vaporizada, uma sangria líquida com a mesma taxa que D, retirada no segundo prato teórico a partir do topo, e um condensador total. As concentrações especificadas são xF=0,40, xB = 0,05 e xD = 0,95. A razão L/V na seção do topo é 0,818.

Figura 51 - Coluna com alimentação parcialmente vaporizada

Figura 52 - Diagrama de coluna sem alimentação e refluxo total

Estas especificações permitem que a reta de operação do topo seja localizada e que se escalonem os dois pratos teóricos do topo, determinando assim a composição da corrente líquida de sangria xS = 0,746. A reta de operação abaixo da sangria deve interceptar a diagonal na mistura da sangria com a corrente descendente do topo. Uma vez que se admitiu S igual a D, quanto à taxa, o ponto de interseção é:

x = {(1,0) . (0,746) + (1,0) . (0,95)} / {1,0 +1,0} = 0,848

Este ponto mais o ponto de interseção das duas retas de operação com a linha q da corrente lateral (vertical em xS = 0,746) permitem a localização da reta de operação intermediária. (Também teria sido viável usar o coeficiente angular desta reta para localizá-la.) A reta de operação inferior deve ir do valor especificado de xB sobre a diagonal até a interseção com a linha q da alimentação. Neste caso os pratos teóricos são escalonados a partir do topo. A localização da alimentação é a ótima (sexto prato teórico) e são necessários cerca de 11,4 pratos teóricos para atingir a composição do produto de cauda xB = 0,05.

Os estágios de equilíbrio fracionários têm um sentido. O valor 11,4 será dividido pela eficiência da bandeja (real), e o arredondamento para o número inteiro de bandejas deverá ser feito sobre o resultado da divisão. Por exemplo, se a eficiência média da bandeja no processo esquematizado na Fig.51 for 80%, o número de bandejas reais necessárias seria de 11,4/0,80 = 14,3, que se arredonda para 15.

7.10 LOCALIZAÇÃO DA ALIMENTAÇÃO

A localização da alimentação ótima é aquela que, com um dado conjunto de especificações da operação, dará a separação mais ampla entre xD e xB, com um número fixo de pratos teóricos. Ou então, no caso de o número de pratos teóricos não ser especificado, é a localização da alimentação que exigirá o menor número de estágios para ser realizada uma separação determinada entre xD e xB. . Qualquer destes critérios será sempre satisfeito quando se usar a linha de operação mais afastada possível da curva de equilíbrio, em cada etapa.

Pode-se ver na Fig. 50 que a localização ótima de alimentação seria no quinto prato teórico. Estivesse sendo projetada uma nova coluna, e esta seria a escolha do projeto. Porém quando se está analisando uma coluna já existente, o estágio de alimentação no diagrama deverá corresponder tanto quanto possível à bandeja real que recebe a alimentação na coluna real. pode-se ver que uma alimentação mal localizada (que obriga a se ter uma reta de operação com partes muito próximas da curva de equilíbrio) pode provocar um desperdício quanto à eficiência dos estágios.

Figura 53 - Condição de refluxo mínimo e razão de refluxo sobre os custos fixos

Refluxo total

Na Fig.52 está esquematizada uma coluna operando o refluxo total. A carga inicial da coluna foi suficiente para encher o refervedor, as bandejas e o tambor de condensado do topo até os níveis de operação. Esta coluna é então operada sem alimentação e toda a corrente de topo condensada retorna como refluxo (LN+1 = VN e D=0). Por seu turno, todo líquido que chega ao refervedor é vaporizado e retorna à coluna como vapor. Uma vez que F, D e B são todos nulos, Ln+1 = Vn em todos os pontos da coluna. Com a inclinação unitária (L/V = 1,0), a reta de operação deve coincidir com a diagonal (x=y) ao longo de toda a coluna. A operação a refluxo total é a que dá o menor número de estágios necessários para efetuar uma separação específica entre xB e xD .

Refluxo mínimo

A razão de refluxo mínimo é definida como a razão que, se for diminuída de uma grandeza infinitesimal, exigirá um número infinito de estágios para efetivar uma dada separação entre os dois componentes. O conceito só tem significado quando se fixa a separação entre os dois componentes e não se fixa o número de estágios.

Na Fig. 53 está a condição de refluxo mínimo. Quando se diminui a razão de refluxo, as duas linhas de operação giram para cima, com centro de rotação nos valores dados de xB

e xD sobre a diagonal, até que uma delas, ou ambas, encontre a curva de equilíbrio. Quando a curva de equilíbrio tem a forma da figura, o contato ocorre sobre a linha q da alimentação. Muitas vezes a curva de equilíbrio aproxima-se mais estreitamente da diagonal nas concentrações altas. Nestes casos, a reta de operação superior pode encontrá-la antes de a sua interseção com a linha q chegar a ela. Sempre que o contato aparecer, a interseção da reta de operação com a curva de equilíbrio provoca um gargalo que inclui um número muito grande de estágios e onde se forma uma zona de composição constante.

Razão de refluxo ótima

O efeito geral da razão de refluxo sobre os custos fixos, os custos operacionais e a soma destes dois dispêndios está representado na figura 53. Na situação usual, o mínimo na curva do custo total cairá numa razão de refluxo da ordem de 1,25 a 1,3 vezes a razão de refluxo mínima R=LN+1/D

Separações difíceis

Algumas separações binárias podem apresentar problemas especiais, seja pelas exigências de pureza muito grande num ou em ambos produtos, seja por ser muito pequena a volatilidade relativa.

O diagrama xy é conveniente para o escalonamento dos estágios em pureza muito grande quando é traçado em papel log-log. A curva de equilíbrio, num papel de gráfico com escalas lineares, no intervalo de valores muito pequenos de x1 , pode ser aproximado por uma linha reta com ordenada à origem igual a zero e que se pode escrever,

y = (y / x) . x + 0,0

Onde o coeficiente angular y/x é uma constante. A necessidade de se conhecer esta constante é eliminada tornando-se o logaritmo de ambos os membros.

log y = log x + log (y/x)

e fazendo o gráfico de y contra x com escalas logarítmicas, na forma de uma reta com o coeficiente angular igual à unidade. A razão y/x aparece agora como uma ordenada à origem que não precisa ser conhecida. Um só ponto da curva de equilíbrio, portanto, é suficiente para localizá-lo no plano log-log. A reta de operação assumirá, neste plano, uma forma curva e é localizada mediante a equação conveniente do balanço de massa. As duas curvas, a de equilíbrio e a de operação, podem ser extrapoladas para qualquer grau de pureza desejável.

Um sistema com volatilidade relativa muito baixa (de 1,005 a 1,05) não pode ser analisado convenientemente no diagrama xy. A equação de Smoker (Trans. Am. Inst. Chem. Engrs. 34, 165 (1938)) leva a um método algébrico análogo ao de McCabe-Thiele e que deve ser adotado nestes casos. A dedução da equação aparece, juntamente com exemplo de aplicação, em Smith (Design of Equilibrium Stage Processes, McGraw-Hill, New York, 1963).

Eficiência dos estágios

O uso da eficiência Murphree é particularmente conveniente nos diagramas xy. A eficiência Murphree é definida para a fase vapor como

yn - yn-1 (11)--------y*

n - yn-1

onde y*n é a composição do vapor que estaria em equilíbrio com o líquido que deixa o estágio n e é o valor dado pela curva de equilíbrio. Os valores yn-1 e yn são os valores reais (correspondentes ao não-equilíbrio) para as correntes de vapor que deixam os estágios n-1 e n, respectivamente. Observe que yn-1 e yn são valores que decorrem da hipótese de as correntes de vapor estarem completamente misturadas e terem composição uniforme. Uma eficiência análoga pode ser definida para a fase líquida.

A aplicação da hipótese de uma eficiência Murphree de 50% na fase vapor está ilustrada no diagrama xy pela Fig.54. Aparece uma curva de "pseudo-equilíbrio" que passa pelos pontos intermediários, na direção vertical, dos segmentos limitados pelas retas de operação e pela curva de equilíbrio. Para o primeiro estágio (o refervedor parcial é, por hipótese, um estágio de equilíbrio) usa-se a curva de equilíbrio, mas em todos os outros admite-se que o vapor só se aproxima 50% do valor de yn*. Conseqüentemente os estágios escalonados na Fig. 54 representam bandejas reais da coluna.

A hipótese de uma eficiência constante em cada prato teórico utilizada conforme está na Fig. 54 não dará, em geral, a mesma resposta que a obtida quando se divide o número de pratos teóricos (determinado mediante a verdadeira curva de equilíbrio) pelo mesmo fator de eficiência.

Operações diversas

Os diagramas xy pertinentes a diversas outras configurações da coluna não foram apresentados em vista das limitações de espaço. Os itens omitidos incluem os condensadores parciais, as colunas retificadoras (alimentação introduzida no estágio do fundo), as colunas de retificação a vapor (alimentação introduzida no estágio do topo), as colunas com refluxo total no topo mas não no fundo, e a introdução de vapor no estágio do fundo, para eliminar o refervedor. Estas configurações estão discutidas em Smith (Design of Equilibrium Stage Processes, McGraw-Hill, New York, 1963)

Figura 54 - Eficiência Murphree em cada estágio de uma coluna

Figura 55 - Correspondência entre o diagrama dos pontos de equilíbrio de uma coluna

Correspondência entre o diagrama dos pontos de equilíbrio e uma coluna

7.11 PRATO DE ALIMENTAÇÃO

No prato onde a alimentação é admitida, a taxa de líquido ou a taxa de vapor, ou ambas, podem mudar dependendo da condição térmica da alimentação como mostra a figura a seguir:

Figura 56 - Prato e condição térmica de alimentação

Fluxo através do prato de alimentação em várias condições de carga.:

(a) Líquido frio,(b) Líquido saturado,(c) Alimentação parcialmente vaporizada,(d) Vapor saturado, (e) vapor superaquecido.

Reta de alimentação (efeito da condição térmica da alimentação)

Figura 57 - Prato de alimentação

F + L + V' = L' + VF = (L' - L) + (V - V')

Definindo q - fração da alimentação que se incorpora ao líquido que vem da seção de enriquecimento, temos:

L' - L = qFV - V' = (1 - q).F

ALIMENTAÇÃO CONDIÇÃO VALOR DE f

Líquido saturado hF = hf q= 1

Vapor saturado hF = Hf q= 0

Parcialmente vaporizada hf < hF < Hf 0 < q < 1

Líquido frio hF < hf q > 1

Vapor superaquecido hF > Hf q < 0

Quadro 5 - Prato de alimentação

Reta de alimentação:

q . x xF

xf = --------- - --------- q-1 q-1

Figura 58 - Reta de alimentação

Efeito da condição de alimentação na linha de alimentação: a, líquido frio; b, líquido saturado; c, parcialmente vaporizado; e, vapor superaquecido.

7.11.1 CONSTRUÇÃO DAS LINHAS DE OPERAÇÃO

O método mais simples de traçar as linhas de operação é:

(1) Traçar a reta de alimentação.(2) Calcular o ponto y = xD/(RD + 1) da linha de absorção e traçar a linha entre este

ponto e a coordenada (xD , xD).

(3) Desenhar a linha de esgotamento através do ponto (xB , xB) e a interseção da linha

de enriquecimento com a linha de alimentação.

7.11.2 LOCALIZAÇÃO DO PRATO DE ALIMENTAÇÃO

Após as linhas de operação terem sido traçadas, o número de pratos ideais é encontrado pela usual construção passo a passo. A construção pode iniciar tanto pelo topo quanto pelo fundo. Na figura a seguir, foi definida que a construção começaria pelo topo e que o condensador era total. Quando a interseção das retas está próxima, deve-se decidir quando os passos devem sair da linha de absorção e passar para a de esgotamento. A troca deve ser feita de tal maneira que o número de pratos resultantes seja mínima. O prato de alimentação é representado pelo triângulo que tem um lado na reta de absorção e o outro na reta de esgotamento. A posição ótima ocorre na interseção das retas de operação.

Figura 59 - A posição ótima

7.11.3 CÁLCULO DO BALANÇO DE MASSA

Figura 60 - Diagrama para balanço material de uma coluna de fracionamento.

Balanço material em torno da coluna: F = D + BBalanço material por produto na coluna: F.xF = D.xD + B.xB

Resolvendo o sistema, temos:

D = F.(xF - xB)/(xD - xB)

B = F.(xD - xF)/(xD - xB)

Refervedor

Condensador

D

F

W

7.11.4 CÁLCULO DO BALANÇO DE ENERGIA

Figura 61 - Diagrama para balanço de energia em uma coluna de fracionamento.

F.HF + QR = Qc + B.HB + D.HD

F.cF.(TF - TR) + QR = Qc + B.cB.(TB - TR) + D.cD.(TD - TR)

Onde:

QR = Carga térmica do refervedorQc = Carga térmica do condensadorTR = Temperatura de referênciac = Calor específico de cada corrente

Considerando TR = TF:

QR - Qc = B.cB.(TB - TF) + D.cD.(TD - TF)

Aplicação:

Uma mistura com 40% em massa de benzeno e 60% em massa de tolueno deve ser fracionada em um sistema contínuo. A coluna tem 22 pratos, sendo a alimentação feita

continuamente numa vazão de 13,6 t/h como líquido saturado (T = 95 oC a 1 atm). A vazão do produto de topo é de 5,45 t/h. Um condensador total é utilizado e 19,1 t/h de condensado retorna para o topo da coluna. A coluna produz um destilado com 97% em massa de benzeno. Pede-se:

a) A vazão no fundo da colunab) A composição no fundo da colunac) O número de estágios teóricosd) A eficiência da coluna

Refervedor

Condensador

D

F

W

Solução:

a) Vazão no fundo por balanço:

F = D + B => B = F - D

B = 13,6 - 5,45 = 8,15 t/h

b) Composição no fundo por balanço de benzeno:

F.xF = D.xD + B.xB

xB = (F.xF - D.xD)/B = (13,6.0,4 - 5,45.0,97)/8,15 = 1,9%

c) Número de estágios teóricos determinado graficamente pelo método de McCabe-Thiele segundo os seguintes passos:

De posse da curva de equilíbrio, traçar a reta vertical saindo de xD, xF e xB.

Desenhar a reta de alimentação. Aqui, f = 1 e a linha de alimentação é vertical (continuação da linha x = xF).

Construir as curvas de operação. O ponto onde a linha de absorção corta o eixo dos y é: y = xD/ (RD = 1)

xD = 97/78/(97/78 + 3/92) = 0,974

Onde:

78 = peso molecular do benzeno92 = peso molecular do tolueno

RD = R/D = 19,1/5,45 = 3,5

y = 0,974/(3,5 + 1) = 0,216

A reta de esgotamento é obtida unindo o ponto (xB , xB) e o ponto onde as linhas de carga e absorção se encontram.

Partindo de qualquer das extremidades, traçar os degraus até a outra extremidade. Para o nosso caso, o número de degraus encontrado = 12.

O número de estágios teóricos é igual ao número de degraus menos um (que corresponde ao refervedor).

Número de estágios teóricos = 12 - 1 = 11

d) Eficiência da coluna:

Ef = (no de estágios teóricos/no de estágios físicos) x 100= (11/22) x 100 = 50%

Figura 62 - Gráfico de Mc Cabe-Thiele para o sistema benzeno-tolueno a 1 atm

7.12 ECONOMIA DE ENERGIA EM DESTILAÇÃO

A energia é normalmente fornecida através do refervedor e removida no condensador no topo da mesma. Para a otimização energética, três áreas devem ser consideradas:

Melhorias operacionais. Integração de calor entre equipamentos Utilização de outra alternativa de separação

7.12.1 MELHORIAS OPERACIONAIS

Taxa de refluxo

Uma diminuição no refluxo diminui o consumo de energia mas reduz a qualidade e a recuperação dos produtos.

Objetivo

Operar a custos mínimos garantindo que os produtos ainda estejam de acordo com as especificações mínimas.

Ferramentas

a) Bom controle analítico: boa instrumentação e instruções precisas de operação.

b) Isolamento térmico: Para minimizar as perdas de calor deve-se procurar uma espessura ótima de isolamento através dos seguintes fatores:

Condutividade térmica do isolamento; Superfície de transferência de calor; Temperatura do fluido circulante; Custo de isolamento, etc.

c) Prato de alimentação: O ideal é que a carga seja alimentada num prato cuja concentração seja a mesma que a da carga, sob pena de se perder a eficiência de separação necessitando-se aumentar a taxa de refluxo e, indiretamente, o consumo de energia.

d) Incrustações em refervedores e condensadores: Aumentam o calor cedido ao refervedor ou a vazão de fluido de resfriamento no condensador.

e) Efeito da pressão de operação: Normalmente a volatilidade relativa aumenta à medida que a pressão é reduzida, tornando mais fáceis as separações, com consequente redução da taxa de refluxo (menor consumo de energia). Este benefício é contrabalançado por uma leve redução na eficiência dos pratos. O consumo de energia pode ser minimizado operando-se nas pressões mais baixas cujas possibilidades práticas permitam.

f) Pré-aquecimento da carga:

Quando nada restringe o pré-aquecimento, o máximo deve ser usado para reduzir a carga no pré-aquecedor;

Quando o custo para pré-aquecer a carga é o mesmo que para ceder calor ao refervedor, o mínimo de pré-aquecimento deve ser utilizado (melhor separação nos pratos abaixo da alimentação);

Quando o custo de pré-aquecimento é menor que o custo de calor fornecido no refervedor, há uma quantidade ótima de pré-aquecimento (cálculo prato a prato).

g) Auxiliares:

Sistema de vácuo. Inertes arrastados através de cargas ou por juntas com má vedação. Purgadores e eliminadores de incondensáveis em refervedores.

h) Controle do processo: Um sistema avançado de controle poderá otimizar a operação, minimizando seus custos. Porém atitudes simples podem otimizar os controles das colunas assim como o seu acompanhamento na operação.

Um estudo qualitativo sobre sistemas de controle de torres de destilação com pequenas retiradas de topo ou de fundo foi desenvolvido e será apresentado a seguir:

1) Uma coluna de destilação convencional é definida como aquela que tem uma alimentação F, e duas retiradas, o destilado D e a retirada de fundo B:

Figura 63 - Coluna de destilação convencional

2) O sistema de controle de um equipamento ou processo deve mantê-lo em condições de operação definidas e, para tal, se utiliza de variáveis controladas e variáveis manipuladas.

Numa torre de destilação, são variáveis controladas comuns os níveis do vaso de refluxo e fundo de torre, temperatura em algum ou alguns estágios, pressão da torre; entre as variáveis manipuladas comuns se encontram calor retirado no condensador ou cedido no refervedor ou eventualmente em algum estágio intermediário (por manipulação indireta), vazões de retirada, vazão de refluxo.

V

D

F

B

L

L’”

V’

V L

V’L’

A depender de características particulares do processo, se pode usar algumas combinações entre essas variáveis.

Este estudo pretende analisar apenas os níveis do vaso de refluxo e fundo de torre como variáveis controladas, e vazões de retirada, de refluxo e quantidade de calor cedido ao refervedor como variáveis manipuladas, em dois casos específicos: torres com pequenas retiradas de topo (caso A) e com pequenas retiradas de fundo (caso B).

O caso A se dá quando se deseja separar de uma carga impurezas leves presentes em baixas concentrações. A retirada de topo dessa operação será pequena, quando comparada com a carga F ou com o refluxo L. Essa torre operará com L/D grande.

O caso B ocorre em situação contrária, quando se tem uma carga com impurezas pesadas em baixas concentrações, e se deseja separá-las. A retirada de fundo dessa torre será relativamente pequena, e a torre vai operar com valores altos de V’/B (a vazão de refluxo de vapor V’no fundo da torre não é usualmente medida).

A) Análise do caso L/D grande

Sendo L/D grande, tem-se que L é significativamente maior que D e o controle de nível do vaso de refluxo deve ser feito pelo refluxo L, e não pela retirada D, porque a variação relativa de L, ABS((L-L1)/L), é menor que a variação relativa de D, ABS((D-D1)/D. Desta forma, pode-se controlar a torre sem se afastar muito das condições normais de operação. A vazão de retirada deve, dessa forma, ser mantida constante.

O controle do topo fica:

Figura 64 - Caso L/D grandeSendo:

L1 = vazão de ajusteL = vazão em condições normais de operaçãoD1 = vazão de ajuste de nívelD = vazão de retirada em condições normais de operação

Fazendo-se um balanço de massa global e um na zona de retificação para o estado estacionário, tem-se:

F= B + D (1)

V

L

LC

V L

D

vaso

Condensador total

FC

V= L + D (2)

No caso limite de L/D tendendo a infinito,

da equação (2), L/D = V/D - 1

Se L/D ======> =====>V/D ======>

Pela equação (1), V/(F-B) => , então (F-B)/V => 0 ==>(F-B) ==>0Ou seja, FB (3)

Se a carga é aproximadamente igual a retirada de fundo, é razoável supor que uma variação na carga deva provocar uma variação na retirada de fundo, isto é, torres com grande L/D grandes devem ter sua retirada de fundo controlada pelo de líquido de fundo.

Eis, então, a torre:

Figura 65 - Torre com grande L/D grandes

B) Análise do caso V’/B grande

Sendo V’/B grande, tem-se que V’ é significativamente maior que B e o controle de nível de líquido no fundo deve ser feito pela vazão de refluxo de vapor do processo (V’), e não pela retirada de fundo B, porque da mesma forma que no caso anterior, a variação relativa de V’, ABS((V’-V’1)/V’), é menor que a variação relativa de B,

L’”

V

V L

V’ L’

B

V’LC

FC

LC

Condensador total

Dvaso

FC

ABS((B-B1)/B. Controla-se a vazão de refluxo do vapor de processo de maneira indireta, pela vaporização, controlando-se a vazão do fluido aquecedor do refervedor (comumente água).

O controle de fundo fica:

Figura 66 - Caso V’/B grande

Sendo:

V’1 e B1 = vazões de ajuste de nível

Levando-se em conta o balanço global na torre, equação (1), e o balanço de massa na zona de esgotamento:

L’= V’+ B (4)

Se pode estudar o limite de V’/B tendendo a infinito:

Da equação (4), V’/B = L’/B - 1

Se V’/B======> =====>L’/B ======>

Pela equação (1), L’/(F-B) => , então (F-B)/L’ => 0 ==>(F-D) ==>0Ou seja, FD (5)

Se a carga é aproximadamente igual a retirada de topo, pode-se fazer suposição análoga a feita no caso anterior: uma variação na carga deve provocar uma variação no destilado D, por isso D deve ser controlado pelo nível do vaso de refluxo, para torres com V’/B grandes.

O controle da torre fica:

FC

V’ L’

Fluido quenteLC

B

FC

Figura 67 - Controle da torre com V´/B grande

7.12.2 INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

Integração de calor numa mesma coluna: Por exemplo, o pré-aquecimento da carga com a corrente de fundo.

Integração com outras correntes de processo: Qualquer corrente de topo e fundo de uma coluna que cede seu calor para o ambiente deve, na medida do possível, ser utilizada para aquecer correntes do processo como forma de reduzir o consumo de energia.

7.12.3 OUTRAS ALTERNATIVAS À DESTILAÇÃO

A estratégia é usar a destilação como primeira opção e, em caso de inviabilidade econômica, explorar as alternativas de menor consumo energético. No caso da maioria das empresas são utilizados outros processos de separação: absorção, destilação azeotrópica, etc.

V

FC V L

V’ L’

Fluido quente

LC

B

FC

F

Condensador total

D

vaso

LC

L

7.12.4 TÓPICOS ESPECIAIS

7.12.4.1 Condensadores

Figura 68 - Condensadores

Esquema para balanço de massa e energia de um condensador onde:

m1 = Vazão de fluido frio

m2 = Vazão de carga do trocador

m3 = Vazão de condensado

m4 = Vazão de gás

Cálculos:

Q = m1.c1.(T1 - T2) = m3. + m3.c3.(T3 - T4) + m4.c4.(T3 - T4) = U.A.Tln

Figura 69 - Condensador em uma coluna de fracionamento

T3, P m2

T4, P m4

T1

m1

T2

T3 , P

m3

As vazões m2, m3 e m4 podem ser calculadas por balanço de massa:

m3 = R + D

m4 = F - B - D

m2 = F + R - B

m1 = m3. + m

3.c

3.(T

3 - T

4) + m

4.c

4.(T

3 - T

4)

c1.(T

1 - T

2)

Para condensadores totais, pode-se usar a mesma fórmula acima, considerando m4 = 0 e

m2 = m3. Quando não há sub-resfriamento (troca de calor sensível), T3 é o ponto de

orvalho e T4 o ponto de bolha da mistura.

7.12.4.2 Refervedores

Figura 70 - Diagrama para balanço de massa e energia em um refervedor.

Neste tipo de trocador, não se conhece a vazão do fluido de processo e a temperatura de retorno nem sempre é conhecida. A temperatura de fundo da torre (T1), a pressão (P) e a

temperatura do vapor (T) são variáveis conhecidas, a vazão de vapor nem sempre é conhecida. Caso não haja medição de vapor, as condições do refervedor só podem ser avaliadas pelo balanço de energia da torre.

Aplicação:

Vamos supor que se queira pré-aquecer a carga da splitter de xilenos (DA-562) da A-

550 II, que tem T = 36 oC, com a corrente de fundo da torre de pesados (DA-559), que

tem T = 208 oC, com o objetivo de diminuir o consumo de energia no reboiler da DA-562. Para isso dispomos de um trocador com as especificações descritas abaixo. Supondo que a corrente quente saia do trocador após a realização deste serviço com T =

40 oC, qual a temperatura que a carga da splitter iria alcançar?

Dados:

Corrente quente:

c = 0,5 kcal/kg oCVazão = 2700 kg/h

Especificações do trocador: Trocador casco-tubo com 1 passe no casco e 2 nos tubos.

A = 115 m2

U = 48,24 kcal/h m2 oC

Solução:

Q = m.c.T = 2700.0,5.(208 - 40) = 226800 kcal/h

Tln = T2- T1 / ln(T2/T1)

Tln = [(40 - 36) - (208 - T)] / ln [(40 - 36) / (208 - T)]

Q = U.A. Tln

Substituindo, temos:

226800 = 48, 24.115. [(40 - 36) - (208 - T)] / ln [(40 - 36) / (208 - T)]

Como só temos uma incógnita (T), resolvemos esta equação por tentativa, chutando valores para T e comparando o valor encontrado no segundo termo da equação com o valor do primeiro termo (226800).

Para T = 55 oC, os termos se igualam, então esta seria a temperatura que a carga da DA-562 iria alcançar.

8.0 ADSORÇÃO

8.1 O FENÔMENO DE ADSORÇÃO

A adsorção física é um fenômeno pelo qual as moléculas de um fluido (gás, vapor ou líquido) são atraídas para uma superfície sólida, em função de uma força resultante decorrente da descontinuidade existente nas moléculas desta mesma superfície. A Figura 32, adaptada a partir de Cardoso (1987), mostra que uma partícula situada em regiões internas de um sistema condensado (sólido) encontra-se em equilíbrio, pois a resultante das forças que atuam sobre ela é zero; já uma partícula da superfície está em desequilíbrio, pois existe uma resultante de forças (R) atuando sobre a mesma. Esta resultante é a responsável pela interação entre as moléculas de um fluido e a superfície de um sólido, gerando uma força de atração que pode se propagar por múltiplas camadas. Um fenômeno observado cotidianamente e que envolve forças de atração semelhantes a essas é a condensação de vapor d'água na superfície de um espelho. Estas forças são tipicamente forças de van der Waals, de acordo com Ruthven (1984).

Figura 32 - Adsorção física: atração entre as moléculas de uma superfície sólida e de um fluido

Fonte: CARDOSO, 1987.

A partir deste princípio é possível o desenvolvimento de materiais sólidos específicos para a separação de componentes de uma mistura, combinando o fenômeno da adsorção física com outros, como o de peneira molecular e a utilização de sítios iônicos, para obter um sólido altamente seletivo a determinadas espécies moleculares. Neste último caso estão as interações eletrostáticas tipo polarização, dipolos e quadripolos (RUTHVEN, 1984). O fenômeno de adsorção física é, pois, geral, pois mesmo na ausência de interações específicas existem sempre as forças de Van der Waals para atraírem as moléculas da fase fluida para a interface.

A adsorção diminui a energia livre superficial do sistema pelo que o processo é espontâneo, ∆G < o. Por outro lado, há uma diminuição do número de graus de liberdade, pois as moléculas adsorvidas só podem deslocar-se sobre a superfície, enquanto que as moléculas da fase fluida podem deslocar-se por todo o volume da fase,

estando em um estado de maior desordem. Isso significa que há uma diminuição na entropia do sistema ao passar do estado não adsorvido para o adsorvido, isto é ∆S < 0 . Como ∆G = ∆H - T ∆S, conclui-se que ∆H < O, ou seja, a adsorção é um processo exotérmico. Portanto de acordo com os princípios de le Chatelier - van't HoiI, a quantidade de gás adsorvido diminui quando a temperatura aumenta.

8.2 TIPOS DE ADSORÇÃO

Quando o processo de adsorção envolve força de Van der Waals, mas não há alteração química das moléculas adsorvidas, e o calor de adsorção é pequeno (da mesma ordem de grandeza do calor da condensação), temos uma adsorção física Eventualmente podem estabelecer-se ligações químicas, conduzindo a formação de um composto químico de superfície , ou complexo de adsorção; neste caso o calor de adsorção é da mesma ordem de grandeza dos calores de reação e temos uma adsorção química No primeiro caso podem formar-se camadas moleculares sobrepostas, enquanto que na adsorção química se forma uma única camada molecular adsorvida (monocamada). Algumas propriedades da adsorção física e química estão listadas a seguir:

Adsorção física

É não específica, e semelhante ao fenômeno da condensação. Ocorre sempre que um gás é posto em contato com um sólido;

As forças envolvidas são fracas e o calor liberado é da ordem do calor de condensação (de 0,5 a 5 kcal/gmol);

Equilíbrio entre a superfície sólida e as moléculas do gás é rapidamente alcançado e é reversível;

A energia de ativação do processo não ultrapassa 1 kcal/gmol e as forças envolvidas são fracas;

A adsorção física não explica atividades catalíticas de sólidos. Se a adsorção física fosse responsável pela catálise, todos os sólidos seriam catalisadores;

A adsorção física cai com o aumento da temperatura e é muito pequena na temperatura crítica;

Não depende das irregularidades da superfície, embora seja proporcional à quantidade de superfície. Obs.: Superfícies microporosas influem na adsorção física;

Não se limita a uma monocamada sobre a superfície, principalmente à temperatura de condensação;

Seu estudo é importante na determinação da textura de um catalisador (forma microscópica da superfície).

Adsorção química

É específica, e envolve forças muito maiores; Ligações entre moléculas e a superfície são da mesma ordem de força das

ligações entre os átomos da superfície; Calor de reação de 5 a 100 kcal/gmol; Como o calor de adsorção é muito alto, as moléculas adsorvidas podem reagir

com energia de ativação menor; Há dois tipos de quimissorção: a ativada, onde a taxa de adsorção varia com a

temperatura, e a não ativada, que é mais rápida que a ativada.No Quadro 3 comparam-se abreviadamente os dois tipos de adsorção.

8.3 MECANISMOS DE ADSORÇÃO SELETIVA

Um adsorvente efetivo deve concentrar seletivamente um ou mais componentes, chamados adsorbatos, a partir de uma concentração inicial, mediante um dos seguintes mecanismos:

Ligação seletiva de um ou mais componentes à superfície do adsorvente (interações eletrostáticas);

Exclusão seletiva de certos componentes com base em incompatibilidades geométricas (peneira molecular);

Tomando vantagem da diferença de difusão intrapartícula entre os componentes (seletividade cinética).

O primeiro destes mecanismos é o mais importante para a maioria dos processos de adsorção. O efeito de peneira molecular é fundamental para alguns processos, como a separação de xilenos em adsorvente zeolítico, enquanto que o último mecanismo tem apenas um único processo comercial, que é a separação de ar por peneira molecular de carvão.

Parâmetro Adsorção Física Adsorção Química Adsorvente Todos os sólidos Alguns sólidos Adsorvido Todos os gases (abaixo da Todos os gases

temperatura crítica) Temperatura Baixa Alta Calor de adsorção Baixo (= Δ H cond) Alto ( = ΔH reação) Taxa de adsorção Muito rápida Mais lenta Cobertura Várias camadas Monocamada Reversibilidade Altamente reversível Irreversível Importância Determinação da área Área de centros ativos e para

superficial e tamanho do poro a elucidação da cinética da

reação

Quadro 3 - Adsorção física e adsorção química.

8.4 PROPRIEDADES E TIPOS DE ADSORVENTES

8.4.1 HISTÓRICO DO PROCESSO DE ADSORÇÃO

Desde o século XVIII, Fontana (McBain, 1932) já havia observado que uma espécie de carvão ativado retinha em seus poros grandes quantidades de vapor d'água, o qual era liberado com o simples emprego de altas temperaturas. Em 1756 Cronstedt descobriu o primeiro zeolito mineral, e deu o nome de "zeo" - ferver; "lithos" - pedra; ou seja, pedra que ferve. Entretanto, foi só nos últimos 40 anos que a adsorção passou a ser utilizada como operação unitária relevante dentro da indústria química, acompanhando o acentuado desenvolvimento registrado na petroquímica. A partir de então, a adsorção somou-se aos vários processos de separação existentes, especialmente como uma alternativa em situações onde a destilação convencional se revela ineficiente e/ou onerosa.

O processo de adsorção desenvolveu-se juntamente com o de catálise devido ao fato deste último requerer uma adsorção inicial para se processar. Por este motivo um breve histórico da catálise também pode ser elucidativo da evolução do processo de adsorção.

Há milênios conhece-se que a velocidade das reações pode ser alterada com a presença de certas substâncias. A pedra filosofal, por exemplo, teria a propriedade de transformar metais em ouro.

Em 1835, Berzelius, cientista russo, usou pela primeira vez a palavra "Catálise" para definir a "decomposição dos corpos" devido à força catalítica atribuída a materiais capazes de promover transformações químicas entre espécies que normalmente não seriam reativas a uma determinada temperatura. Mas, antes de Berze1ius, já eram conhecidos e usados processos catalíticos. Os alquimistas já preparavam éter sulfúrico de álcool mais ácido sulfiírico obtido por combustão de enxofre com nitrato de sódio (catalisador).

No início do século XVII, o químico inglês Sir Humphrey Davy, descobriu que um fio de platina quante ficava "ao rubro" quando introduzido numa mistura de ar e hidrogênio e percebeu que a presença de platina provocava uma rápida reação apesar da temperatura inicial da platina e dos gases ser mais baixa que a requerida para ignição na ausência da platina. Observou ainda que a platina não sofria nenhuma alteração irreversível, uma vez que o mesmo fenômeno ocorria ao repetir a experiência com o mesmo fio de platina, concluindo que esta induzia a reação, mas não era consumida.

Ainda nesse século, Roebuck e outros introduziram o processo para oxidar SO2 a S03 com ar para obtenção de ácido sulfúrico, usando óxidos de nitrogênio como catalisador: processo de câmaras de chumbo.

Após Davy, outro inglês, Michel Faraday (1834) estudou a reação de ar com hidrogênio na presença de Pt e verificou que a superfície de platina devia estar limpa para que a reação ocorresse efetivamente. Concluiu então, que ocorria um fenômeno de superfície. Nesse mesmo ano surgiu a primeira patente de catalisadores empregando platina na oxidação de enxofre a SO2.

Nessa época ainda pouco se sabia sobre estruturas de moléculas, natureza das ligações químicas ou mecanismo das reações químicas, tomando difícil a compreensão científica para certos fenômenos, com a ação de um catalisador numa determinada reação.

Atentando para a série de transformações cuja ocorrência dependia da presença de um agente que não era consumido no processo, Berzelius resolveu dar o nome de catálise (palavra grega significando "afrouxamento") a esse fenômeno porque tinha idéia de que um catalisador aumentava a reatividade pelo "afrouxamento"da ligação entre os átomos das espécies químicas.

Na mesma ocasião, Mitscherlich introduziu o termo "ação de contato" para definir fenômenos semelhantes, ao estudar reações de exterificação utilizando ácido sulfúrico como catalisador. Estudos sobre exterificação utilizando catalisadores foram apresentados por Williamson em 1850. Em 1860, Pasteur mostrou a ação dos microorganismos, introduzindo a catálise enzimática.

A partir daí, o interesse em catálise cresceu e isso refletiu na tecnologia com o desenvolvimento de vários processos catalíticos industriais e levou a um estudo mais científico do mecanismo da ação catalítica. O primeiro processo heterogêneo industrial apareceu em 1868: Processo Deacon - Hinter para produzir cloro partindo de cloridreto e ar, utilizando um catalisador de cloreto de cobre. Em seguida uma série de processos foram sendo desenvolvidos. Por exemplo, a oxidação de SO2 a S03 com ar na presença de platina para produção de H2S04, processo que havia sido desenvolvido utilizando catalisador homogêneo no século XVII, melhorando o desempenho. Mostrando a evolução de catálise, mais tarde a platina também foi substituída por outro catalisador heterogêneo: óxido de vanádio e sulfato de potássio suportados em sílica que era menos suscetível ao envenenamento (1875).

8.4.2 PROPRIEDADES-CHAVE DE UM ADSORVENTE

Os atributos importantes na escolha de um adsorvente são: capacidade, seletividade, regenerabilidade, cinética, compatibilidade e custo. Raramente um adsorvente atenderá a todos esses aspectos simultaneamente.

Capacidade

Capacidade é a quantidade de adsorbato que fica no adsorvente por unidade de massa ou de volume do adsorvente. Este é, usualmente, o mais importante dos atributos, pois incide diretamente sobre o custo do investimento, uma vez que a quantidade de adsorvente e o tamanho do equipamento de adsorção são ditados por esse fator.

Para um dado adsorvente, a capacidade depende principalmente da concentração na fase fluida, temperatura e condições iniciais do adsorvente. Na prática, as informações sobre a capacidade de adsorção são freqüentemente apresentadas em temperaturas fixas, por gráficos conhecidos como isotermas.

Seletividade

A seletividade é a razão da capacidade do adsorvente para um componente por sua capacidade para outro componente a uma dada concentração da fase fluida. Essa razão geralmente se aproxima de um valor constante para baixas concentrações na fase fluida.

A seletividade na adsorção é similar à volatilidade relativa na destilação: quanto menor seu valor, maior o equipamento necessário. A situação ideal é atingida quando o componente principal de uma alimentação binária não é adsorvido (inerte) o que conduz a uma excelente seletividade.

Regeneração do adsorvente

A regenerabilidade é essencial para todas as unidades de adsorção cíclicas, de modo que os adsorventes possam operar em ciclos sequenciais com desempenho uniforme. Isto significa que cada componente deve ser adsorvido de maneira relativamente fraca, ou seja, o fenômeno deve ser de fisissorção e não de quimissorção. O calor de adsorção dá uma medida da energia necessária para a regeneração, assim, do ponto de vista da regeneração, baixos valores são desejados.

A regenerabilidade de um adsorvente determina a fração de capacidade que é recuperada durante a regeneração (algumas vezes chamada de capacidade de trabalho), assim como o tempo e a energia necessários para a mesma Em muitas unidades, uma pequena perda de capacidade de trabalho ocorre nos primeiros ciclos. Esta perda é freqüentemente seguida por uma queda gradual de capacidade ao longo dos ciclos. Isto ocorre devido a diversos fatores como operação indevida, envenenamentos ou outras causas não relacionadas à regeneração que governam a vida de um adsorvente.

Cinética da Adsorção

A cinética de transferência de massa relaciona-se com a resistência à transferência de massa dentro da partícula. Este fator é importante porque controla o tempo de ciclo do leito fixo de um processo de adsorção.

Compatibilidade e custo

A compatibilidade cobre vários modos possíveis de ataque químico e físico que pode reduzir a expectativa de vida do adsorvente. As partículas de adsorvente, incluindo qualquer componente como ligantes ou grupos superficiais, devem ser todos inertes com relação aos componentes da alimentação e das correntes regenerantes. Além disso, condições operacionais, como velocidade, temperatura, pressão e vibração do equipamento não devem causar danos (desintegração) às partículas do adsorvente.

Estar alerta para problemas de compatibilidade não é tão óbvio. Por exemplo, as correntes de alimentação contendo cetonas têm causado incêndio em leitos de adsorventes de carvão ativado.

O preço de adsorventes varia, obviamente, com o tempo e de fornecedor para fornecedor. Mesmo para adsorventes padrões, os preços podem variar entre U$ 0,50 até U$ 50/1b.

8.4.3 PRINCIPAIS FAMILIAS DE ADSORVENTES

8.4.3.1 Materiais inorgânicos

A maioria dos minerais e alguns materiais inorgânicos sintéticos têm sido testados como adsorventes. Alguns mostraram-se excelentes adsorventes. Outros, a despeito de serem adsorventes pobres, têm encontrado uso simplesmente por serem baratos.

Alguns sólidos inorgânicos, embora sejam freqüentemente considerados adsorventes, podem agir mais como absorventes: O fluido penetra dentro dos poros do material em vez de ficar aderido à superfície dos poros. Entre eles estão o cloreto de cálcio, os óxidos de cálcio, magnésio e zinco, sulfato de cálcio, silicato de magnésio, terras diatomáceas e bicarbonato de sódio. Tais substâncias têm uma larga faixa de aplicação, da secagem à recuperação de policloro-bifenil. Alguns são usados anidros, outros são hidratados.

Por outro lado, os materiais inorgânicos mais interessantes como adsorventes são a alumina ativada, a silica e as zeólitas, que serão estudadas a seguir.

Alumina ativada

É feita a partir da alumina hidratada (bauxita). É um material branco ou escurecido, de aparência similar à do calcáreo.

Diversos tipos são produzidos por diversos fabricantes. A diferença entre eles está na estrutura cristalina da alumina. Formas cristalinas estáveis não se prestam como adsorventes porque apresentam área superficial baixa Por outro lado, formas de transição como a gama e a beta alumina apresentam altas concentrações de sítios ácidos na sua superfície.

A área superficial específica varia de 200 a 400 m2/g. As formas de apresentação são esferas de 1 a 8 mm de diâmetro, grãos, "pellets" de 2 a 4 mm de diâmetro e pó.

A alumina ativada é um adsorvente hidrofílico. Assim pode ser usada como dessecante na remoção de água de hidrocarbonetos, aplicação em que possui menor capacidade que a silica-gel a baixas temperaturas, mas conduz a menores teores de água na saída, atingindo ponto de orvalho de -90°F. Por outro lado sua capacidade é maior que a das zeólitas. Entre os outros usos da alumina ativada como adsorvente encontramos a remoção de oxigenados e mercaptans de correntes de hidrocarbonetos, de íons flúor da água e remoção de HCL de H2z em unidades de reforma catalítica Aplicações na fase gás em geral exigem o aquecimento do adsorvente a temperaturas de cerca de 250°C.

Sílica

Adsorventes de sílica (SiOz) são disponíveis em diversas formas, que contêm diversos tipos de sílica gel, vidro borossilicato poroso ou aerogel. O gel é uma estrutura rígida, mas não cristalina de micropartículas esféricas de sílica coloidal; o vidro é poroso. A área superficial específica varia de 300 a 900 m2/g, dependendo da densidade. Densidades maiores implicam em poros menores e, logo, maior área específica.

Sílicas são em geral claras ou levemente coloridas, transparentes ou translúcidas.

Algumas vezes, no entanto, são manufaturadas em mistura com alumina, quando torna-se então opaca e branca, com a aparência da alumina. Apresentam-se como esferas de 1 a 3 mm de diâmetro, grânulos, "pellets" de 2 a 4 mm de diâmetro e pó.

A sílica é um adsorvente hidrofilico. Usos de sílica como adsorvente inclui a separação de hidrocarbonetos, redução do ponto de orvalho do gás natural e secagem de hidrocarbonetos líquidos, aplicação em que apresenta a mais alta capacidade de adsorção a baixas temperaturas. É usada em casos de alta concentração de água na corrente de entrada, e a especificação do ponto de orvalho na saída não é inferior a -60°F. Aplicações na fase gás em geral exigem o aquecimento do adsorvente a temperaturas de cerca de 200°C.

Zeólitas

Zeólitas são aluminossilicatos, isto é, compostos estequiométricos de sílica e alumina cuja estrutura será discutida a seguir. Sua aparência é branca, opaca, de aspecto similar ao do calcáreo. As que têm teor significante de alumina são hidrofilicas, enquanto que quando são Predominantemente de sílica têm caráter hidrofóbico. Internamente são cristalinas e exibem microporos de dimensões uniformes dentro dos cristais. Os microporos são tão pequenos e uniformes que normalmente podem distinguir moléculas de tamanhos muito próximos, daí serem também chamadas de peneiras moleculares. Uma representação deste efeito de peneira molecular é mostrada na Figura 33.

Figura 33 - Efeito de peneira molecular distinguindo composto linear de não-linear

Comercialmente todos os adsorventes zeolíticos são compostos de cristais de zeólita muito finos mantidos unidos por um ligante amorfo como a alumina, na forma de um "pellet" esférico ou cilíndrico. O uso direto dos cristais é virtualmente inviável pois formariam uma massa compacta no leito, difícil de ser atravessada por uma corrente fluida, logo com perda de carga do leito muito alta. Além disso, as partículas muito finas dos cristais são difíceis de ser retidas em um leito. O próprio ligante, por sua vez, pode apresentar características adsorventes também.

Aplicações comerciais de adsorvente zeolíticos incluem a separação de oxigênio do ar, de normais-parafmas da nafta e de p-xileno de outros isômeros de xilenos. Também usada para secagem de correntes de hidrocarbonetos, quando apresenta capacidade de adsorção menor que a sílica gel e a alumina ativada, mas conduz a uma remoção quase que total da água, atingindo valores menores que 0,1 ppm (ponto de orvalho menor que -150ºF).

8.4.3.2 Materiais orgânicos

Carvão ativado

Carvões ativados apresentam-se de diversas formas. A matéria-prima básica pode ser o coque de petróleo, madeira, carvão, casca de coco, copolímeros vinílicos e mesmo pneus reciclados. A ativação consiste na remoção de hidrocarbonetos por pirólise, o que produz uma distribuição de poros interna e aumenta a capacidade de adsorção da superfície carbônica.

A área superficial é especialmente importante porque ela determina a capacidade de adsorção, estando geralmente entre 300 e 1.500 m2/g, embora alguns feitos a partir de coque de petróleo excedam 3.000 m2/g.

Outro fator importante é o teor de cinzas, cujos valores típicos estão entre 2 e 25%, com valor médio em tomo de 7%. Em situações em que as cinzas são indesejáveis, pode-se fazer a remoção da cinza alcalina por lavagem ácida.

Apresentam-se como esferas de 1 a 3 mm de diâmetro, grânulos, "pellets" de 2 a 4 mm de diâmetro e pó.

Algumas aplicações típicas são o tratamento de água para remoção de produtos orgânicos perigosos, ou que conferem sabor e cheiro à água; remoção de compostos orgânicos voláteis de gases, descoloração de alimentos e purificação de produtos farmacêuticos.

Um tipo relativamente novo de adsorvente é a peneira molecular de carvão, que tem ação análoga à peneira molecular zeolítica. Enquanto os poros na peneira molecular zeolítica têm aberturas de formas arredondadas, na peneira molecular de carvão estes tendem à forma de fendas, como nas camadas de grafite. Esta forma melhora a seletividade em certas situações de processo, levando em conta as diferenças de difusividades entre os componentes. Até o momento, o único processo comercial que usa este adsorvente é a separação de nitrogênio do ar, que permite purezas da ordem de 99,9%.

Outros adsorventes orgânicos

O uso de adsorventes poliméricos, como o copolímero de estireno e divinil-benzeno, de forma esférica e alto volume de poros, tem sido aplicado em situações como a separação e purificação de antibióticos e vitaminas, descolorização, descafeinização, purificação de sangue e separação de compostos orgânicos halogenados ou compostos fenólicos da água. Seu preço, no entanto, até dez vezes o de adsorventes mais comuns, limitam este uso a situações que requerem alta performance, ou aquelas em que adsorventes comuns não são adequados.

Outros compostos orgânicos usados como adsorventes são a celulose, lã, gels de amido-poliacrilamida, derivados polissacarídeos do milho e diversas formas de biomassa. Alguns deles têm aplicações muito específicas mas nenhum pode ser considerado um adsorvente de uso geral.

Uma outra classe de adsorventes que têm sido usados recentemente são os adsorventes irreversíveis, onde a regeneração é feita fora das instalações ou mesmo não é feita. No primeiro caso estão os adsorventes baseados em metais, para a remoção de compostos de enxofre, no segundo estão os chamados bio-adsorventes, onde uma lama ativada é colocada em um substrato poroso, tendo aplicação na remoção de traços de orgânicos do ar ou nitrogênio.

A Tabela 3 mostra uma estimativa das vendas no mundo dos quatro principais adsorventes. O Quadro 4 trás um resumo dos principais tipos de adsorventes, suas vantagens e desvantagens.

Tabela 3 - Vendas anuais no mundo dos principais adsorventes

Carvão Ativado US$ 380 milhões Peneira Molecular Zeolítica US$ 100 milhões SílicaGeI US$ 27 milhões Alumina Ativada US$ 26 milhões

ADSORVENTE CARACTERISTICAS

USOS COMERCIAIS VANTAGENS DESVANTAGENSCarvão ativado Superfície Remoção de poluentes Adsorvente Dificuldade de

adsorve orgânicos em orgânicos em efluentes hidrofóbico regeneração em casos água e ar. gasosos e aquosos. mais barato, de correntes sujas;

carro-chefe do algumas vezes pode controle de incendiar-se durante a poluição. regeneração.

Peneira molecular Separa com base na Produção de Nz a partir Único Nenhuma outra carvão diferença de doar. adsorvente que utilização exceto a

difusividade intra- favorece a produção de Nz a

partícula. adsorção de O2 partir do ar. sobre o Nz.

Sílica gel Adsorvente hidrofilico Primariamente, Alta Não é tão efetiva na de alta capacidade. de correntes gasosas. capacidade, remoção de traços de

Algumas vezes usada maior que a da água de correntes para a remoção de penetra gasosas. hidrocarbonetos de molecular ~ases. zeolítica.

Alumina ativada Adsorvente hidrofilico Secagem de correntes Alta Não é tão efetiva na de alta capacidade. gasosas. capacidade, remoção de traços de

maior que a da água de correntes peneira gasosas. molecular zeolítica.

Peneira molecular Superfície hidrofilica, Desidratação, Pode fazer Capacidade de zeolítica polar, com canais de ar, separações separações adsorção menor que a

regulares. baseadas em diferenças baseadas em de outros adsorventes. geométricas e muitas polaridade e outras. geometria

Silícalita Superfície Remoção de orgânicos Pode ser Mais caro que o características de de correntes gasosas. regenerado carvão ativado. adsorção similares ao mais facilmente do carvão ativado. que o carvão

ativado. Adsorventes Usualmente Remoção de orgânicos Não tão sujeito Muito mais caro que o poliméricos copolímeros de de correntes gasosas. a entupimento carvão ativado.

e de vinilbenzeno. quanto o carvão ativado.

Adsorventes Superfície que reage Remoção de baixas Excelente para Só é economicamente irreversíveis seletivamente com concentrações de HzS, a remoção de viável para a remoção

alguns componentes SOz, etc. de gases. traços de de pequenas das correntes gasosas. contaminantes. quantidades (menor

que 100 kgldia). Bioadsorventes Lama ativada em um Remoção de orgânicos Não é Quantidade removida

suporte poroso. de correntes gasosas. necessária a menor que a de outros regeneração. adsorventes.

Quadro 4 - Principais tipos de adsorventes

8.5 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR ADSORÇÃO

A adsorção tem por base um sólido, o adsorvente, como agente de separação de massas (MSA), para promover a separação. Outros MSA's incluem os solventes de absorção, solventes de extração, agentes para destilação azeotrópica e extrativa e membranas. Em todos os outros exemplos, exceto o das membranas, o MSA se move de uma zona para a outra, sendo assim relativamente fácil, submetê-los a uma série de condições diferentes. Portanto, embora a adição de um MSA signifique uma complexidade adicional e custo para o processo, essa complexidade é com freqüência, economicamente viável.

No caso do processo de adsorção é muito difícil mover sólidos de uma localização para outra, enquanto o processo está em operação. Tipicamente é necessário que haja duas zonas separadas, ou leitos fixos de adsorventes, para o processo ser conduzido, e as condições devem ser modificadas periodicamente em cada leito. Esta complexidade conduz a altos investimentos em alguns casos. Como resultado, o processo de adsorção é muito menos comum em unidades de processos do que a destilação, por exemplo.

O processo de adsorção tem que lidar com mais um problema: o calor liberado durante a adsorção e o calor recebido durante a dessorção. Em casos em que a fração de carga adsorvida seja significante, o calor liberado e recebido pode ser suficientemente grande para causar grandes elevações ou diminuições de temperatura no leito de adsorvente. Logo o processo deve ser concebido, adequadamente, de modo a lidar com esta liberação de calor.

Apesar destes dois problemas - maior complexidade do processo e efeitos de liberação de calor - processos de adsorção são usados economicamente em diversas separações na indústria de processos químicos. O Quadro 5 lista algumas destas aplicações. Na tabela, o termo "separação quantitativa" é usado quando a concentração de adsorbato na carga é superior a 10% em peso, e o termo "purificação" quando esta concentração situa-se em torno de alguns percentuais.

SEPARAÇÃO

ADSORVENTESEPARAÇÃO QUANTITATIVA - FASE GAS

Normal-parafinas / iso-parafinas, aromáticos

Zeólita Nz

/ Zeólita

O2

Peneira molecular de carvão

CO, CH4, N2z, Argônio, NH3 / H2

Zeólita, carvão ativado Hidrocarbonetos / correntes leves

Carvão ativado Agua / etanol Zeólita

PURIFICAÇÃO - FASE GAS H2O / correntes contendo olefinas

Sílica, alumina, zeólita CO2z / C2H4 , gás natural, etc. Zeólita Hidrocarbonetos, comp. Halogenados, solventes / correntes

Carvão ativado leves

Compostos de enxofre / gás natural, Hz, GLP, etc. Zeólita SO2 / correntes leves

Zeólita Mercúrio / gases efluentes de célula cloro-soda

Zeólita Compostos orgânicos voláteis (VOC) / ar Carvão ativado

SEPARAÇÃO QUANTITATIVA - FASE LIQUIDA Normal-parafinas / iso-parafinas,

aromáticos Zeólita

p-xileno / o-xileno, m-xileno Zeólita Olefinas para detergentes / parafinas

Zeólita Frutose / glucose

Zeólita PURIFICAÇÃO - FASE LÍQUIDA

HzO / Compostos orgânicos, orgânicos oxigena

dos, Sílica, alumina, zeólita,

halogenados, etc.

flocos de milho Compostos orgânicos,

orgânicos oxigenados, halogenados, Carvão ativado, Silicalite etc. Odor e gosto / H2O

Carvão ativado Compostos de enxofre / orgânicos

Zeólita Cor / frações de petróleo, xaropes, óleos vegetais, etc.

Carvão ativado

Quadro 5 - Exemplos de separações comerciais por adsorção (os componentes que aparecem primeiro são os adsorbatos)

Quanto ao modo de operação, os processos de adsorção podem ser: processos cromatográficos, processos em batelada cíclicos e processos em fluxo contínuo.

8.5.1 PROCESSOS CROMATOGRÁFICOS

Neste processo os componentes de uma mistura multicomponente são adsorvidos numa coluna contendo adsorventes, sofrendo posteriormente uma dessorção sob a ação de um efluente ou dessorvente. O resultado deste processo de dessorção é uma corrente de saída da coluna cuja concentração de cada componente varia no tempo, apresentando um pico de concentração para cada componente. Desta forma a separação é feita de maneira análoga à que ocorre na cromatografia analítica. São obtidos altos fatores de separação para colunas pequenas e logo estudos para aumento de escala deste processo tem atraído a atenção de muitos pesquisadores. Infelizmente este problema de aumento de escala tem se mostrado surpreendentemente difícil e, embora haja processos cromatográficos largamente usados na produção de farmacêuticos e produtos de química fina, a escala de produção é relativamente baixa « 1 ton/dia). Sendo o sistema um processo em batelada, é prática comum usar várias colunas operando em paralelo de modo a prover um fluxo de produto mais ou menos continuo. Um sistema temporizador automático controla as válvulas de injeção de modo que um pulso de carga é injetado em cada coluna por vez, de acordo com a seqüência pré-programada. O efluente da coluna é direcionado alternadamente para os vasos apropriados nos quais os produtos são separados e o dessorvente é então reciclado para a alimentação da coluna A eficiência de separação de uma coluna cromatográfica é de grande importância neste processo. Um exemplo de um processo comercial, a separação de xilenos, é apresentado na Figura 34.

Figura 34 - Processo comercial

8.5.2 PROCESSOS CÍCLICOS EM BATELADA

Processos de separação por adsorção em larga escala podem ser convenientemente divididos em duas grandes classes: sistemas cíclicos em batelada, nos quais o leito de adsorvente é alternadamente saturado e regenerado de uma forma cíclica, e sistemas de fluxo contínuo, geralmente envolvendo contato contínuo em contracorrente entre a alimentação e o adsorvente. A distinção entre estes dois modos básicos de operação é mostrada esquematicamente nas Figuras 35 e 36. Nestas figuras o componente A é o mais fortemente adsorvido.

Figura 35 - Sistema cíclico em batelada com dois leitos

Figura 36 - Sistema contínuo em contracorrente com recirculação de adsorvente

Neste item estudaremos exclusivamente os sistemas cíclicos em batelada. Processos de adsorção cíclicos em batelada diferem um do outro principalmente no modo como o adsorvente é regenerado durante o ciclo de dessorção. Quatro métodos básicos são comumente usados, embora uma combinação de dois ou mais destes métodos pode também ser usada com vantagem em situações particulares.

Regeneração por Variação da Temperatura (Thermal Swing Adsorption - TSA). Na operação do processo TSA o leito de adsorvente é regenerado por aquecimento, usualmente com uma corrente de gás quente (ou, menos comumente, um líquido quente) até uma temperatura na qual a espécie adsorvida é dessorvida e removida do leito na fase fluida.

Regeneração por Variação da Pressão (Pressure Swing Adsorption - PSA). Neste processo a dessorção é obtida pela redução da pressão à temperatura constante, seguida da purga do leito a baixa pressão. Este modo de operação é, obviamente, restrito a sistemas gasosos.

Regeneração por purga de gás. O leito é regenerado à pressão e temperatura constantes pela purga com um gás inerte não adsorvível, como na eluição cromatográfica. Este método é aplicável somente quando as espécies adsorvidas são fracamente retidas, de outro modo a quantidade de gás de purga requerida seria proibitiva.

Regeneração por deslocamento. A pressão e temperatura são mantidas constantes, como na regeneração por purga de gás, mas ao invés de um inerte, as espécies adsorvidas são deslocadas por uma corrente contendo uma outra espécie adsorvida competitiva (não inerte). Este método é aplicável para sistemas líquidos e gasosos.

O processo de "stripping" com vapor, largamente usado na regeneração de sistemas de recuperação de solventes por adsorção com carvão ativado, pode ser considerado uma combinação de TSA com dessorção por deslocamento.

A escolha entre os possíveis modos de regeneração depende de fatores econômicos e de considerações técnicas. O Quadro 6 dá um breve sumário das vantagens e desvantagens de cada método.

METODO VANTAGENS DESVANTAGENS

TSA Bom para espécies fortemente adsorvidas,

Envelhecimento térmico do adsorvente. pois pequenas mudanças na

implicam em grandes mudanças na Perda de calor, o que significa uso

concentração adsorvida. ineficiente da energia.

O componente adsorvido pode ser Inadequado para ciclos rápidos. recuperado em altas concentrações.

PSA Bom quando espécies fracamente Pressões muito baixas podem adsorvidas são requeridas em altas purezas.

necessárias.

Ciclo rápido, o que significa uso eficiente Utiliza energia mecânica, o que pode ser

do adsorvente. mais caro que calor.

O componente adsorvido é recuperado em

baixas concentrações.

Deslocamento Bom para espécies fortemente Necessária a separação e produtos (a escolha do

Evita riscos de reações de crucial). durante a regeneração. Evita riscos de envelhecimento térmico do adsorvente.

Quadro 6 - Escolha do método de regeneração em adsorção

8.5.3 PROCESSOS DE FLUXO CONTINUO EM CONTRA CORRENTE

Nos processos de separação por adsorção em fluxo contínuo, o contato em contracorrente maximiza o gradiente para transferência de massa e logo provê, em princípio, uma utilização mais eficiente da capacidade do adsorvente do que é possível em um sistema simples em batelada.

No entanto, para um contato contracorrente é necessário uma circulação do sólido ou então, através de um projeto apropriado do sistema de circulação do líquido, uma simulação da circulação do adsorvente. Isto torna mais complexo o projeto de uma unidade em contracorrente e reduz sua flexibilidade operacional. Fica claro que para separações relativamente fáceis (altos fatores de separação e taxas de transferência de massa adequadas) é mais vantajoso o uso de um processo em batelada. Para separações difíceis, no entanto, onde a seletividade é limitada ou a transferência de massa é lenta, a vantagem de um sistema contracorrente contínuo na redução do inventário requerido de adsorvente deve eventualmente superar as desvantagens de uma engenharia mais complexa Além deste princípio geral, nenhuma outra orientação segura pode ser dada sem se fazer referência ao sistema específico de interesse, uma vez que a avaliação econômica é fortemente influenciada por fatores como o custo e a durabilidade do adsorvente, assim como pelo equilíbrio e cinética do processo e sua escala. Processos de adsorção contínuos em contra corrente são, no entanto, largamente usados em escala industrial em muitas separações importantes e parece provável que tais processos se tomarão cada vez mais comuns.

Figura 37 - Suportação do leito e distribuição de fluxo em um leito fixo de adsorção

8.5.3.1 Princípio de operação do processo em leito móvel verdadeiro

De forma a compreender o processo de adsorção contínua contracorrente em leito móvel verdadeiro (LMV), no qual há uma vazão real de sólidos circulando no leito, a maneira mais simples é considerar o sistema de dessorção por deslocamento como mostrado na Figura 38.

Neste sistema há uma circulação real de urna corrente de sólidos, de vazão S e velocidade us, em contracorrente com a vazão de fluido (Z), que admitiremos ser um liquido. Consideremos a separação hipotética de uma carga de dois componentes A e B, sendo A a espécie mais fortemente adsorvida. O dessorvente C deve ter uma afinidade pelo adsorvente intermediária entre A e B. Este processo divide a mistura original em duas correntes, urna contendo A e C (o extrato) com muito pouco B e outra contendo B e C (o rafinado) com muito pouco A. Para recuperar A e B como produtos puros estas correntes devem então ser separadas por métodos convencionais, usualmente destilação, sendo o dessorvente (C) então reciclado de volta para os leitos de adsorção. Assim, é essencial que as propriedades do dessorvente sejam tais que esta separação posterior seja facilmente conduzida.

No processo em LMV há quatro seções distintas, numeradas de acordo com a Figura 38.

A melhor maneira de entender este processo é começar pela Seção III onde a espécie mais fortemente adsorvida A é adsorvida:

Figura 38 - Representação do leito móvel verdadeiro de quatro seções

Seção III - O sólido entrando nesta seção contém principalmente dessorvente C com algum B. O liquido na saída desta seção contém praticamente apenas B e C, com muito pouco de A. Uma porção deste líquido é então removida neste ponto como rafinado produto (R).

Seção II. - O sólido entrando nesta seção acaba de estar em contato com a carga e logo contém ambos os componentes A e B e também o dessorvente C. O componente B, mais fracamente adsorvido, é removido do sólido pelo componente A. Assim a concentração de B no sólido cai essencialmente a zero no fundo desta seção.

Seção I - O sólido deixando a Seção II contém apreciável quantidade de A, bem como C. O componente A é dessorvido na Seção I pelo contato em contracorrente com dessorvente puro C. O extrato contendo A e C, praticamente sem B, é removido entre as Seções II e I.

Seção IV. O líquido deixando a Seção III contém C e também B. De modo a possibilitar uma recirculação de dessorvente puro (C) para a Seção I o componente B deve ser adsorvido na Seção IV, o que ocorre às custas da dessorção de C do sólido.

De modo a especificar completamente uma condição de operação, quatro variáveis devem ser especificadas além da vazão de alimentação (F). Se especificarmos as vazões de sólido (S), dessorvente (D), rafinado (R) e a vazão de líquido em uma das seções, digamos na Seção I (Zl), podemos então calcular as demais vazões por um balanço material simples:

E=F+D-RZ2=Zl-EZ3=Z1-E+FZ4=Z1-E+F-R

8.5.3.2 Princípio de operação do processo em leito móvel simulado

Um diagrama esquemático de um processo em Leito Móvel Simulado (LMS) é apresentado na Figura 39. O processo opera com um conjunto de leitos fixos de adsorvente em lugar do leito móvel do processo anterior, sendo o processo em contracorrente simulado pela movimentação contínua, a intervalos regulares, dos pontos de alimentação, dessorvente, extrato e rafinado. Esta movimentação pode ser obtida por válvulas especiais instaladas entre cada par de leitos, as quais permitem fluxos de entrada e de saída direcionados adequadamente para a corrente de interesse no tempo e leito corretos. Industrialmente a solução adotada tem sido o uso de uma válvula rotativa (processo SORBEX) que substitui o conjunto de válvulas da função de promover a mudança dos leitos de alimentação e retirada de correntes.

Tomemos como exemplo o conjunto de 12 leitos apresentado na Figura 39. A movimentação do líquido dentro dos leitos está indicada na figura, sendo obtida por urna bomba instalada entre os leitos 12 e 1 (não representada). Na posição indicada pelas linhas cheias, a válvula de entrada de dessorvente encontra-se aberta antes do leito 1, e fechada para todos os demais leitos; do mesmo modo estão abertas apenas as válvulas de saída de extrato antes do leito 4, entrada de alimentação do leito 7 e saída de rafinado antes do leito 10. Após um certo tempo estas válvulas são fechadas e outras são abertas de acordo com a indicação das linhas tracejadas, correspondendo à movimentação do

conjunto para um leito à frente no sentido da circulação do,líquido. Isto tem o efeito de simular a movimentação do leito de adsorvente no sentido contrário, isto é, em contracorrente com a circulação de líquido, tornando este processo equivalente ao Leito Móvel Verdadeiro desde que tenhamos um número suficientemente grande de leitos fixos. Em geral 12 leitos tem tido suficientes na maioria dos estudos apresentados, sendo a distribuição dos mesmos por seção dependente do sistema em questão. Assim, a distribuição do número de leitos por seção (3-3-3-3) mostrada na Figura 39. serve como ilustração, sendo apenas uma das muitas possíveis.

Figura 39 - Diagrama esquemático de um leito móvel simulado de quatro seções

A tecnologia de LMS foi desenvolvida pela Universal Oil Products (UOP), (Broughton, 1961), e tem sido usada desde então em diversos Processos industriais de separação conhecidos como SORBEX, cujo diagrama esquemático encontra-se na Figura 40. Estes incluem o Processo Parex para a recuperação de p-xileno de uma mistura de C8 aromáticos, o Processo Molex para a extração de n-parafinas de uma mistura de hidrocarbonetos contendo iso e cic1oparafinas, o Processo Olex para separar olefinas de parafinas e o Processo Sarex para a recuperação de frutose de uma mistura de frutose/glucose (Broughton, 1968, 1970, 1984; de Rosset et alli, 1980, 1981). Mais de uma centena de unidades de LMS estão atualmente em Operação em todo o mundo.

Conforme discutido anteriormente, o coração da tecnologia de lMS é um sistema capaz de mudar Periodicamente, durante a operação da unidade, as posições das linhas de carga, dessorvente, extrato e rafinado ao longo do leito, simulando assim o movimento do sólido. Os Processos SORBEX usam uma válvula rotativa para este fim, enquanto que outras concepções de Projeto usam válvulas especiais instaladas entre cada par de leitos, as quais Permitem fluxos de entrada e de saída direcionados adequadamente para a corrente de interesse no tempo e leito corretos. Este Processo contínuo tem a vantagem de eliminar a diluição dos componentes e a baixa utilização do adsorvente, fenômenos que ocorrem nos Processos cromatográficos em batelada.

A separação de xilenos de uma mistura de aromáticos C8 foi estudada por adsorção em zeólitas, nas fases líquida e vapor, usando uma configuração de quatro leitos em LMS. Mais recentemente, no entanto, a tecnologia de LMS tem sido aplicada em áreas como biotecnologia, farmacêutica e química fina Unidades industriais e piloto para estes fins têm sido desenvolvidas pela UOP.

Figura 40 - Diagrama esquemático do processo SORBEX da UOP