O aumento da pressão operacional geralmente melhora a capacidade hidráulica da coluna, mas torna a separação mais exigente. Uma pressão mais alta aumenta a densidade do vapor, reduzindo a velocidade do vapor e a tendência de inundação (flooding) para uma determinada vazão mássica e razão de refluxo. Ao mesmo tempo, geralmente reduz a volatilidade relativa, portanto, alcançar as mesmas purezas de produto requer mais refluxo interno, mais estágios teóricos ou ambos.
Uma pressão mais alta pode permitir uma maior vazão de vapor antes da inundação, mas essa vantagem hidráulica pode ser consumida pelo maior refluxo necessário para compensar o equilíbrio vapor-líquido mais difícil.
Como a pressão altera a capacidade hidráulica
Por que a densidade do vapor aumenta
Em uma pressão operacional mais alta, o vapor ocupa menos volume para a mesma vazão molar. Sua densidade, portanto, aumenta, o que reduz a vazão volumétrica de vapor e a velocidade superficial do vapor dentro da coluna.
Esse efeito é importante porque as correlações de inundação e a capacidade de pratos ou recheios são fortemente influenciadas pela velocidade do vapor.
Por que a tendência de inundação diminui
Com uma vazão mássica e razão de refluxo fixas, o vapor mais denso geralmente produz menos volume de vapor por unidade de tempo. A coluna pode, portanto, lidar com esse fluxo com uma velocidade superficial menor, reduzindo o arraste (entrainment), o acúmulo de líquido e a probabilidade de inundação.
Em termos práticos, a vazão de vapor permitida pode aumentar à medida que a pressão aumenta, potencialmente permitindo um diâmetro de coluna menor para a mesma vazão mássica.
A ressalva do refluxo
O benefício hidráulico aplica-se a uma condição de refluxo comparável. Uma pressão mais alta geralmente requer uma razão de refluxo maior para atingir as metas originais de pureza de topo e fundo.
Esse refluxo adicional aumenta o tráfego interno de líquido e vapor. Como resultado, o aumento da capacidade hidráulica pode ser parcial ou totalmente compensado pelo maior fluxo interno necessário para a separação.
Por que a separação se torna mais difícil
O efeito no equilíbrio vapor-líquido
Para muitas misturas, o aumento da pressão reduz a volatilidade relativa entre os componentes-chave. O relacionamento de equilíbrio consequentemente se aproxima da referência de operação diagonal, o que significa que as composições de vapor e líquido tornam-se menos diferentes no equilíbrio.
Cada estágio, então, fornece menos enriquecimento composicional.
A necessidade de mais refluxo
Quando cada estágio de equilíbrio realiza menos separação, a coluna deve compensar aumentando a razão de refluxo interno. Mais líquido é retornado do condensador, e as correntes de vapor e líquido entram em contato umas com as outras de forma mais intensa através da coluna.
Isso pode preservar as purezas de produto desejadas, mas aumenta as cargas do refervedor e do condensador e eleva as cargas hidráulicas internas.
A necessidade de mais estágios teóricos
Uma alternativa, ou complemento, ao aumento do refluxo é adicionar estágios teóricos. Mais pratos ou altura de recheio fornecem contatos de equilíbrio adicionais para alcançar a separação necessária, apesar da menor volatilidade relativa.
O número necessário de estágios depende da condição da alimentação, das recuperações desejadas, da razão de refluxo, da composição da alimentação e dos dados de equilíbrio dependentes da pressão.
Efeitos térmicos de uma pressão mais alta
Temperaturas mais altas no condensador
Uma pressão mais alta eleva a temperatura de saturação do vapor de topo. Isso permite que o condensador opere a uma temperatura mais alta, o que pode tornar viável o uso de água de resfriamento em casos onde a condensação em pressão mais baixa exigiria refrigeração.
No entanto, a força motriz de temperatura disponível e o serviço auxiliar de resfriamento ainda devem ser verificados em relação à composição real do topo e à pressão.
Temperaturas mais altas no refervedor
A temperatura de ebulição do fundo também aumenta com a pressão. O refervedor pode, portanto, exigir um serviço de aquecimento de maior qualidade, como vapor de média pressão em vez de vapor de baixa pressão.
A temperatura mais alta pode aumentar o custo do serviço auxiliar, afetar a seleção de materiais e impor restrições térmicas adicionais a produtos sensíveis à temperatura.
Consequências para energia e equipamentos
O refluxo mais alto geralmente aumenta as cargas tanto do condensador quanto do refervedor. Embora o calor latente do vapor e outras propriedades termodinâmicas também variem com a pressão, o projeto do processo deve avaliar a carga térmica total em vez de assumir que o benefício hidráulico produz um benefício energético.
Entendendo os compromissos (trade-offs)
Capacidade hidráulica versus capacidade de separação
Uma pressão mais alta tende a melhorar a capacidade hidráulica porque a densidade do vapor aumenta e a velocidade superficial do vapor cai. Ela tende a reduzir a capacidade de separação por estágio porque a volatilidade relativa geralmente diminui.
Esses efeitos movem-se em direções opostas. Um aumento de pressão pode tornar a coluna menos propensa a inundar, enquanto simultaneamente torna mais difícil atender às especificações do produto.
O refluxo pode reintroduzir o risco de inundação
Aumentar o refluxo eleva o fluxo de líquido por toda a coluna e, tipicamente, aumenta a geração de vapor no refervedor. O tráfego interno resultante pode aproximar a coluna da inundação, mesmo que o vapor seja mais denso na pressão mais alta.
A capacidade da coluna deve, portanto, ser avaliada na razão de refluxo operacional real, não apenas na vazão de alimentação.
Os efeitos da pressão são específicos da mistura
A afirmação de que uma pressão mais alta torna a separação mais difícil é uma tendência de projeto útil, não uma regra universal. A volatilidade relativa pode mudar de forma diferente dependendo da mistura, da faixa de pressão, do comportamento não ideal e da proximidade de condições azeotrópicas.
Um projeto confiável requer cálculos de equilíbrio vapor-líquido ou dados de equilíbrio medidos na pressão operacional proposta.
Mais pressão não é automaticamente melhor
Um projeto de pressão mais alta pode reduzir o diâmetro da coluna necessário enquanto aumenta a contagem de estágios, o refluxo, a carga térmica e os requisitos de serviços auxiliares. A melhor pressão é, portanto, um ótimo econômico e técnico, em vez de simplesmente a pressão máxima que o equipamento pode suportar.
Fazendo a escolha certa para o seu objetivo
Selecione a pressão operacional avaliando os limites hidráulicos, o desempenho de equilíbrio, os serviços térmicos e as especificações de produto necessárias em conjunto.
- Se o seu foco principal é a vazão hidráulica: Uma pressão mais alta pode aumentar a capacidade de vapor permitida ao aumentar a densidade do vapor e reduzir a tendência de inundação, mas verifique a capacidade no refluxo mais alto que provavelmente será necessário.
- Se o seu foco principal é a pureza do produto: Espere um refluxo mais alto e potencialmente mais estágios teóricos quando a pressão reduzir a volatilidade relativa para o sistema que está sendo separado.
- Se o seu foco principal é a seleção de serviços auxiliares: Considere as temperaturas mais altas do condensador e do refervedor, que podem permitir um serviço de resfriamento mais quente, mas exigem vapor de aquecimento de maior qualidade.
- Se o seu foco principal é o custo do equipamento: Compare a redução potencial no diâmetro da coluna com os estágios adicionais, altura de recheio, área de transferência de calor e requisitos do sistema de serviços auxiliares.
A pressão operacional correta é aquela que atende às metas de pureza e vazão com uma combinação aceitável de tamanho de coluna, refluxo, estágios, uso de energia e custo de serviços auxiliares.
Tabela de resumo:
| Fator de Projeto | Efeito de uma Pressão Operacional Mais Alta | Consideração Principal de Projeto |
|---|---|---|
| Densidade do vapor | Aumenta | Reduz o volume de vapor e a velocidade superficial |
| Capacidade hidráulica | Geralmente melhora | Pode reduzir o risco de inundação e o diâmetro da coluna |
| Volatilidade relativa | Frequentemente diminui | Torna a separação mais difícil por estágio teórico |
| Requisito de refluxo | Frequentemente aumenta | Eleva o tráfego interno de líquido e vapor |
| Estágios teóricos | Pode aumentar | Mais pratos ou recheio podem ser necessários para a pureza alvo |
| Temperatura do condensador | Aumenta | Pode permitir água de resfriamento em vez de refrigeração |
| Temperatura do refervedor | Aumenta | Pode exigir vapor de aquecimento de maior qualidade |
| Demanda de energia | Frequentemente aumenta | Refluxo mais alto pode elevar as cargas do condensador e refervedor |
| Pressão ótima | Específica da mistura | Avalie o equilíbrio, hidráulica, serviços auxiliares e economia em conjunto |
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