Dinâmica de colunas de destilação de película descendente assistidas por termossifão

Abstract

A recente evolução no campo dos equipamentos de destilação levou ao desenvolvimento de novas tecnologias termodinamicamente mais eficientes. Destaca-se as colunas de destilação de filme descendente energeticamente intensificadas da Tecnologia Destubcal, que combinam as funcionalidades de uma coluna de destilação de filme descendente e um termossifão bifásico em uma única unidade compacta. Apesar do recente progresso tecnológico em busca da consolidação destas unidades na área de separação de misturas, a falta de conhecimento sobre o comportamento dinâmico destas colunas de destilação limita a progressão industrial desta tecnologia. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é investigar experimentalmente o comportamento dinâmico do processo de separação de uma mistura binária de etanol e água nas duas unidades de destilação Destubcal (Unitubular e Multitubular), confrontando-se as duas configurações de aquecimento possíveis (isotérmico e com perfil axial de temperatura). Primeiramente, identificou-se as etapas do procedimento de partida das unidades piloto de destilação de película descendente aquecidas por termossifão bifásico, que foi caracterizada como tendo três fases distintas: (1) etapa descontínua; (2) etapa semicontínua; e (3) etapa contínua. Confrontando-se as unidades de destilação Unitubular e Multitubular frente à operação da partida, não se mostraram diferenças relevantes entre estas quanto ao tempo requerido para estabelecimento de cada etapa. Comparando-se as configurações de aquecimento isotérmico e com perfil axial de temperatura, foi evidenciado uma ligeira tendência a se obter dinâmicas de inicialização mais rápidas para a configuração de aquecimento isotérmico. Do ponto de vista energético, o procedimento de partida com a câmara de vapor operando sob a configuração de aquecimento com perfil axial de temperatura, quando comparada com a configuração de aquecimento isotérmico, propiciou uma redução na demanda energética em 30,3% para a unidade de destilação Unitubular e de 17,0% para a unidade de destilação Multitubular. Quando comparada com uma coluna de destilação convencional (dados da literatura), a destilação de filme descendente intensificada se apresenta como uma opção promissora para o enriquecimento de etanol, em que obteve-se uma economia de energia de 15,06% e redução de 62,96% na altura do equipamento de destilação. Além disso, o uso desta nova proposta tecnológica favoreceu uma dinâmica de inicialização mais rápida em relação a coluna de destilação convencional. Em segunda instância, as respostas dinâmicas das duas unidades de destilação Destubcal frente a perturbações nas principais variáveis de entrada do processo também foram investigadas. As respostas transientes obtidas permitem concluir que a câmara de vapor operando sob a configuração de aquecimento isotérmico apresentou dinâmicas mais rápidas, em ambas as unidades de destilação Destubcal. Quando se compara a mesma configuração de aquecimento, ambas as unidades de destilação Destubcal apresentaram respostas relativamente próximas. Por fim, o comportamento transiente da unidade de destilação Multitubular frente às perturbações, quando comparada com o comportamento de uma unidade de destilação convencional (dados da literatura), apresentou tendência positiva à obtenção de respostas mais rápidas frente a possíveis perturbações, evidenciando o grande potencial da tecnologia de destilação por filme descendente intensificada energeticamente para substituir as colunas de destilação convencionais.

Abstract: Recent developments in equipment for the distillation field have led to the creation of new energy-efficient distillation technologies, with emphasis on thermosyphon-assisted falling film distillation columns (Destubcal Technology), which combine the functionality of a falling film distillation column and a biphasic thermosiphon device in a single apparatus. Despite the recent technological progress in the search for the consolidation of falling film distillation columns coupled to a biphasic thermosiphon device in the area of separation of mixtures, the lack of knowledge about the dynamic behavior of thermosyphon-assisted falling film distillation columns limits the industrial progression of this emerging technology. In this sense, the objective of this work is to experimentally investigate the dynamic behavior of the two Destubcal distillation columns (Single-tube and Multi-tube), applied to ethanol-water separation, confronting the two possible heating configurations (isothermal and with axial temperature profile). Firstly, the stages from the starting procedure of the falling film distillation columns heated by a two-phase thermosiphon were identified, which was characterized as having three distinct phases: (1) discontinuous step; (2) semi-continuous step; and (3) continuous step. Comparing the Single-tube and Multi-tube distillation columns with respect to the startup procedure, there were no relevant differences between them in terms of the time required to establish each stage. There is a slight tendency to obtain faster initialization dynamics for the isothermal heating configuration when compared to the heating configuration with the axial temperature profile. From the energetic point of view, the startup procedure with the steam chamber operating under the heating configuration with the axial temperature profile, when compared with the isothermal heating configuration, providing a reduction in energy demand by 30.3% for the Single-tube distillation column and 17.0% for the Multi-tube distillation column. When compared to a conventional distillation column (data from the literature), energy-intensified falling film distillation can be regarded as a promising option for ethanol enrichment, resulting in an energy saving of 15.06% and a reduction of 62.96% in distillation column height. Also, the use of this new technological proposal favored a faster startup concerning the conventional distillation column. In the second place, open-loop transient response was evaluated from the effects of disturbances on operating parameters. From obtained transient responses it was concluded that that the steam chamber operating under the isothermal heating configuration presented faster dynamics, in both Destubcal distillation columns. When comparing the same heating configuration, both Destubcal distillation columns showed relatively close responses. Finally, the transient behavior of the Multi-tube falling film distillation column in the face of disturbances, when compared to the behavior of a conventional distillation column (data from the literature), showed a positive tendency to obtain faster responses in the face of possible disturbances, showing the great potential of energy-intensified falling film distillation technology to replace conventional distillation columns.