Alternativas (ainda) não convencionais para a destilação industrial

Olá, leitoras e leitores. Este é o primeiro texto da Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) para esta prestigiosa revista Química e Derivados.

A ABEQ foi fundada em 1975 para ser o fórum de debates de todos os engenheiros químicos deste nosso Brasil continental.

A ABEQ conta hoje com mais de 1200 associados ativos, e tem entre as suas atividades a organização de importantes congressos, como o Encontro Brasileiro sobre o Ensino de Engenharia Química (ENBEQ), que ocorre a cada dois anos para aperfeiçoar o ensino de engenharia química no país, reunindo docentes de todo Brasil em grupos de trabalho para analisar diferentes aspectos da formação do engenheiro químico; o Simpósio Nacional de Bioprocessos (Sinaferm), tradicional evento que reúne profissionais que atuam nas várias etapas dos bioprocessos; o Congresso Brasileiro de Engenharia Química (COBEQ), que se constitui no evento de maior relevância para a área de Engenharia Química realizado no país; e o Congresso Brasileiro em Iniciação Científica de Engenharia Química (COBEQ-IC), que ajuda a preparar os futuros profissionais na prática de expor e defender trabalhos técnicos, submetendo-os à apreciação de especialistas de renome.

A ABEQ oferece cursos de especialização em temas de relevância para o profissional que atua na indústria química, e edita três publicações de diferentes perfis, que buscam manter o profissional de engenharia química atualizado em sua profissão: o Brazilian Journal of Chemical Engineering (BJCE), periódico trimestral que publica artigos científicos em inglês; Revista Brasileira de Engenharia Química (REBEQ), publicação quadrimestral que promove o debate sobre questões relacionadas à engenharia química e suas relações com a sociedade, trazendo artigos técnicos e informações sobre eventos, cursos e mercado de trabalho; e o Boletim Informativo Mensal (BIM), boletim eletrônico distribuído gratuitamente para mais de 120 mil e-mails, com notícias rápidas sobre atualidades relevantes para o engenheiro químico, bem como notícias sobre eventos, cursos e empregos.

Neste espaço buscaremos ampliar o alcance na discussão de assuntos que possam interessar a engenheiros químicos e outros profissionais que atuam no cotidiano da indústria química. O conceito de engenharia química como profissão surgiu a partir da proposição do inspetor de álcalis inglês George E. Davis em uma famosa série de palestras proferidas em 1887. O Alcali Act de 1863, talvez a primeira lei ambiental do mundo, obrigava os fabricantes de barrilha, ou soda ash (Na2CO3), que utilizavam o processo Leblanc, a minimizarem suas emissões de ácido clorídrico para a atmosfera. Os inspetores de álcalis percorriam a Inglaterra para garantir o cumprimento da lei. George E. Davis publicou em 1901 o primeiro Manual de Engenhria Química, e definiu o conceito de ‘operações unitárias’, embora o termo tenha sido criado por Arthur D. Little, em 1916.

Operações Unitárias são etapas básicas de um processo que envolvem uma mudança física ou uma transformação química da matéria. Tradicionalmente, são divididas em três categorias: operações envolvendo mecânica dos fluidos, transferência de calor, e transferência de massa (ou de separação e purificação).

A operação unitária de separação ou purificação mais utilizada na indústria química é a destilação. Nos Estados Unidos, há mais de 40 mil colunas de destilação, consumindo cerca de 40% de toda energia usada nas indústrias química e petroquímica. Para se ter ideia do que isso significa, o setor industrial dos EUA foi responsável por 32% do consumo total de energia daquele país, e as indústria químca e de refino foram juntas responsáveis por 46% do consumo da indústria norte-americana. Portanto, podemos considerar que as colunas de destilação consomem quase 6% de toda energia dos EUA.

Química e Derivados - Alternativas (ainda) não convencionais para a destilação industrial

Costuma-se dizer que a destilação é uma operação tecnologicamente madura, sobre a qual há muito pouco para se estudar ou desenvolver. Contudo, nos últimos anos, novas configurações foram apresentadas, todas com alto potencial de economia de energia. Entre essas, podem-se destacar a coluna com parede divisória, a parastilação/metastilação, e a microstilação.

Para separação de misturas multicomponentes, são necessárias várias colunas de destilação operando em sequência. Por exemplo, para separar uma mistura de três componentes, são necessárias pelo menos duas colunas operando sequencialmente (Figura 1).

Química e Derivados - Figura 1: Sequencia de destilação para separar mistura de três componentes (Yildirim et al., 2011).

Se as duas colunas forem integradas em um único equipamento, são possíveis economias em custo de capital e em até 30% no consumo de energia. A Figura 2 mostra como seria a coluna com parede divisória (DWC, do inglês dividing wall column) para a separação de uma mistura de três componentes.

Química e Derivados - Figura 2: Coluna de parede divisória (DWC, adaptado de Yildirim et al., 2011)

A primeira aplicação de DWC foi da BASF em 1985, mas até 2010 só existiam 100 aplicações similares no mundo. Alguns autores estimam que em algumas décadas será uma aplicação padrão de destilação. A BASF contava, em 2011, com cerca de 70 dessas colunas em diversos sites pelo mundo, e a Sulzer e a Koch instalaram 20 e 10 colunas, respectivamente, em diversas indústrias.

O Departamento de Energia dos EUA apontou em 2005 as colunas com parede divisória como uma das principais alternativas para diminuir o consumo de energia em função do uso de destilação pela indústria. Contudo, eram apontados diversos obstáculos para a implantação maciça das DWC, entre os quais: a falta de metodologia de cálculo e de avaliação econômica, dificuldades operacionais percebidas e falta de informações sobre o controle dos processos, e poucas alternativas comercialmente disponíveis. As demandas para P&D passariam por revisões da tecnologia e guias independentes de quando aplicar a tecnologia, demonstrações do controle de processos que incluíssem modelagem dinâmica e validação experimental, e determinação da economia efetivamente alcançada.

Yildirim et al. (2011) concluíram a partir de uma revisão de literatura que o controle de processos para as colunas DWC não seria difícil, desde que se usasse a estrutura adequada – controle MIMO em vez de PID multi-loop. Os autores ressaltaram que os equipamentos são consideravelmente maiores – os diâmetros das colunas chegam a 5 metros – e que todas as aplicações industriais existentes são todas de destilações extrativas. Contudo, quando comparados com sistemas de destilação baseados em colunas simples, os ganhos com os custos de capital e de consumo energético seriam bastante compensatórios.

A diferenciação entre os conceitos de parastilação ou metastilação e colunas DWC é sutil. Nas colunas DWC, as vazões internas são divididas em parte da coluna de modo que o resultado se assemelhe a uma segunda coluna embutida na primeira. Na parastilação, a fase de vapor se divide na parte inferior da coluna entrando em contato, em bandejas alternadas, com toda a vazão da fase líquida. Já na metastilação corresponde ao oposto: a fase líquida se divide e entra em contato com toda a vazão da fase vapor em bandejas alternadas. A figura 3 mostra a representação esquemática da parastilação e da metastilação.

A parastilação é capaz de reduzir o consumo de energia ou o custo do equipamento, em relação à destilação convencional, pois um número maior de estágios pode ser acomodado mantendo a mesma altura de coluna e espaçamento de pratos de uma coluna convencional. Ainda, a parastilação permite uma perda de carga menor. Como consequência, a parastilação permite a separação de misturas de baixa volatividade relativa, ou de misturas que exigem a destilação em baixas pressões, como é o caso de substâncias termossensíveis. Essas características são especialmente interessantes para a destilação de misturas contendo ácidos graxos e ésteres.

A metastilação exige áreas de pratos menores, o que permitiria a redução do peso (e do custo do equipamento). A metastilação impõe um número de pratos teóricos 50% maior, mas com eficiência de prato também maior. Contudo, sua principal atratividade advém da necessidade de vazões internas muito menores que exigem colunas com diâmetros muito menores – se comparados à destilação convencional ou à parastilação – que implicam custos de capital menores.

Também a chamada microdestilação tem ganhado atenção crescente, mas é, comparada às alternativas anteriores, a que está ainda confinada no campo das possibilidades científicas. Sua atratividade advém do fato de que miniaturizar um processo de separação tem a vantagem de melhorar o desempenho da transferência de massa pela produção de grandes gradientes e altas relações superfície-volume. No entanto, muitos processos de separação, incluindo a destilação, dependem da transferência de massa através de uma interface gás-líquido, e estabelecer tal interface em microcanais representa um desafio significativo. Em escalas micrométricas, a importância da força de gravidade é reduzida pelas forças de superfície. Portanto, a destilação em microescalas requer o uso de novos projetos de coluna e materiais de enchimento. Entretanto, à medida que o tamanho característico diminui, a perda de calor aumenta em importância, e a operação eficiente de sistemas de microdestilação depende do balanço de energia avaliado adequadamente e da estratégia de compensação de temperatura corretamente planejada.

Química e Derivados - Figura 3: Esquema das colunas de (a) parastilação e (b) metastilação (adaptado de Meirelles et al., 2017)

As aplicações mais usuais de microdestilação estão em química analítica. Analisar teor de cianeto em amostras de solo, ou caracterizar completamente os componentes de aroma de uma variedade de uva. Mas há outro tipo de aplicação em microplantas químicas. A literatura descreve microplanta para produção 80 a 120 mg de diferentes tipo de carbamato por dia. A planta inclui evidentemente uma etapa de microdestilação.

Outro exemplo é a produção offshore de metanol a partir da reforma de gás natural em uma miniplanta (Tonkovich et al., 2008), na qual o metanol obtido depois da microdestilação em 20 estágios tinha 95% de pureza. Neste caso, a altura equivalente a um estágio de equilíbrio (HETP) foi 0,83 cm (Figura 4). A capacidade da coluna era de 43 kg de metanol por hora. Utilizando este sistema, os autores projetaram uma planta offshore para produção de mil toneladas diárias que ocuparia uma área total de 15 por 18 metros. A seção de destilação requereria uma área de 3,9 por 12 metros, com 1 m de altura.

É importante ressaltar mais uma vez para o leitor que, em 2019, a coluna com parede divisória, a parastilação e a metastilação são alternativas disponíveis às indústrias químicas. A modelagem de colunas DWC utilizando simuladores comerciais está fartamente documentada a uma googlada de distância. A modelagem da parastilação e da metastilação no trabalho de Meirelles et al. (2017) citado aqui foi feita utilizando o tradicionalíssimo método de McCabe-Thiele. No momento em que se fala em diminuir o custo do gás natural para reindustrializar o Brasil, vale a pena pensar fora da caixa para, no próximo ciclo de investimento, utilizar tecnologia que garanta reduções adicionais no custo de energia.

Química e Derivados - Figura 4: Esquema de microdestilação de metanol (adaptado de Tonkovich et al., 2008). O filme líquido tem 0,178 mm e a seção de vapor uma largura de 1,35 mm.


Eventos ABEQ

PSE-BR 2019:

Ocorreu entre os dias 20 e 22 de maio deste ano na COPPE no Rio de Janeiro o I Congresso Brasileiro em Engenharia de Sistemas em Processos (PSE-BR 2019). Organizado pela Seção Temática em Engenharia de Sistemas em Processos (PSE) da Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) congresso bianual PSE-BR visa congregar estudantes e profissionais da área de PSE no Brasil.

O PSE-BR2019 dividiu-se em dez áreas temáticas: Modelagem e Simulação de Processos; Otimização de Processos; Síntese e Projeto de Processos; Integração e Intensificação de Processos; Controle e Instrumentação de Processos; Tratamento de Dados e Aprendizado de Máquina; Planejamento e Programação da Produção; Modelagem Molecular e Projeto de Produto; Detecção e diagnostico de falhas; Aplicações Industriais de Ferramentas de PSE.

Foram ministrados minicursos de diversas ferramentas – EMSO, IISE (simulador de processos online disponível aos associados ABEQ), GAMS, Aspen Plus, e Python. As palestras plenárias trataram dos rumos da aplicação de inteligência artificial em PSE, e aplicações para a Indústria 4.0 de Otimização Robusta Adaptativa baseada em Dados. Outras palestras varreram uma ampla gama de temas, da utilização de PSE para preencher as lacunas da economia de baixo carbono à modelagem molecular, passando por controle, síntese e otimização de processos.

XXII SINAFERM – XIII SHEB

De 28 a 31/07, a UFU em Uberlândia/MG sediará o XXII SINAFERM e o XIII SHEB. O SINAFERM – Simpósio Nacional de Bioprocessos–reúne esses profissionais que atuam nas várias etapas dos Bioprocessos. O mesmo ocorre com o SHEB – Simpósio de Hidrólise Enzimática de Biomassas – embora o enfoque seja mais concentrado na utilização de biomassas.

Nesta edição, serão abordados temas como: Biologia molecular e biologia de sistemas aplicada a bioprocessos; Biotecnologia na produção de fármacos, alimentos, bebidas e cosméticos; Modelagem, instrumentação e controle de bioprocessos; Processos microbiológicos, enzimáticos, e com células de organismos superiores; Recuperação e purificação de bioprodutos; Biorrefinaria: biomoléculas e biocombustíveis.


Referências:

Química e Derivados - André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP ©QD
André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP

EIA (2019). Disponível em: https://www.eia.gov/energyexplained/index.php?page=us_energy_industry#tab1, acessada em 14 de junho de 2019.

Hybrid Separations/Distillation Technology:Research Opportunities for Energy and Emissions Reduction (2005). Disponível em: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2013/11/f4/hybrid_separation.pdf, acessada em 14 de junho de 2019.

Yildirim Ö, Kiss AA, Kenig EY.Dividing wall columns in chemical process industry: A review on current activities. Separation and Purification Technology 80 (2011) 403–417.

Meirelles AJM, Biasi LCK, Batista FRM, Batista EAC. A simplified and general approach to distillation with parallel streams: The cases of para- and metastillation. Separation and Purification Technology 177 (2017) 313–326.

Mizsey P, Meszaros I, Fonyo Z. Computer evaluation of distillation processes with parallel streams. Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Volume 21, Issue 1, 1993, Pages 51-58.

Tonkovich AL, Jarosch K, Arora R, Silva L, Perry S, McDaniel J, Daly F, Litt B. Methanol production FPSO plant concept using multiple microchannel unit operations. Chemical Engineering Journal, Volume 135, Supplement 1, 2008, Pages S2-S8.

Yang RJ, Liu CC, Wang YN, Hou HH, Fu LM. A comprehensive review of micro-distillation methods. Chemical Engineering Journal 313 (2017) 1509–1520.


O AUTOR

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do Departamento de Engenharia Química da UFSCar. E-mail de contato: [email protected]

Química e Derivados - ABEQ Cristalização: separação, purificação e complexidade

ABEQ

A Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) é uma entidade sem fins lucrativos que congrega profissionais e empresas interessadas no desenvolvimento da Engenharia Química no Brasil. É filiada à Confederação Interamericana de Engenharia Química. Seu Conselho Superior, Diretoria e Diretoria das Seções Regionais são eleitos pelos associados a cada dois anos.
Mais informações: https://www.abeq.org.br/

Leia Mais:

Deixe um comentário

O seu endereço de e-mail não será publicado.