BR102018077236B1 - Colunas e processos de destilaçâo com técnicas combinadas - Google Patents

Abstract

COLUNAS E PROCESSOS DE DESTILAÇÃO COM TÉCNICAS COMBINADAS. A presente invenção refere-se a colunas e processos de destilação realizados em colunas que combinam pelo menos duas técnicas, sendo ao menos uma delas composta pela técnica de correntes paralelas. Compreende a divisão das colunas na alimentação, com possibilidade de redução do custo da coluna e/ou da operação e a divisão em refervedores e condensadores intermediários, possibilitando uma solução para a formação de pontos de mínima força motriz. Está inserida no campo da engenharia química, engenharia de alimentos, química, farmácia, indústria de cosméticos e purificação de produtos biotecnológicos, com aplicação industrial voltada a bio-refinarias e outras indústrias que utilizam processos de destilação. Apresenta aplicação no projeto de novas colunas como também na modificação de colunas existentes.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a colunas e processos de destilação realizados em colunas que combinam pelo menos duas técnicas, sendo ao menos uma delas composta pela técnica de correntes paralelas. Refere-se ainda ao uso de múltiplos refervedores e/ou condensadores.

[002] A presente invenção se insere no campo da engenharia de alimentos, engenharia química, química, farmácia, indústria de cosméticos e purificação de produtos biotecnológicos, com aplicação industrial voltada a bio-refinarias e outras indústrias que utilizam processos de separação por destilação. Exemplos de interesse comercial englobam: o processo de purificação, via destilação, de álcool neutro, álcool hidratado, bebidas alcoólicas, separação de hidrocarbonetos via destilação e todos os demais processos industriais que envolvam a separação de misturas e purificação de compostos por destilação.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[003] A presente invenção faz referência aos processos de destilação realizados em colunas que combinam pelo menos duas técnicas, sendo ao menos uma delas composta por correntes paralelas. Dois tipos de coluna com correntesparalelas são evidenciados na literatura: (1) a coluna de paradestilação, na qual, o fluxo de vapor é dividido, na base da coluna, em duas ou mais correntesparalelas ascendentes, que entram em contato alternadamente com um únicofluxo descendente de líquido; (2) e a coluna de metadestilação, na qual o fluxode líquido é dividido, no topo da coluna, em duas ou mais correntesdescendentes, que entram em contato alternadamente com um único fluxoascendente de vapor.

[004] Naparadestilação convencional, a coluna é dividida em duas ou mais zonas paralelas no que se refere ao vapor, sendo esta divisão realizada em função do número de correntes de vapor (β). Dada uma coluna com β divisões de vapor, cada zona da coluna será composta por (1/β) segmentos de estágio, conforme descrito por JENKINS (1985) para β=2. A mesma distância entre pratos utilizada na coluna de destilação convencional é mantida entre os estágios consecutivos da mesma zona da coluna de paradestilação. No entanto, a distância entre pratos de zonas diferentes é a distância convencional dividida por β. Ou seja, como as bandejas na paradestilação ocupam somente (1/β) da área de seção da coluna, estas bandejas podem ser alocadas com espaçamento usual dividido por β (isto é, 1/βxespagamento) entre estágios subsequentes e um (1) espaçamento completo entre bandejas do mesmo lado da coluna, preservando o espaçamento igual ao da destilação convencional para aquelas bandejas que recebem a mesma corrente de vapor. Assim, se as duas colunas tiverem exatamente a mesma altura, a coluna de paradestilação poderá conter um número de bandejas pouco menor do que β vezes o número de bandejas da coluna de destilação. Desta forma, é possível aumentar o número de estágios teóricos por unidade de altura da coluna e promover uma perda de pressão menor ou no máximo igual, com possibilidade de redução do consumo de energia e/ou do custo de equipamento. Com este tipo alternativo de construção é possível alcançar um maior grau de separação utilizando uma coluna de paradestilação com a mesma altura de outra convencional, ou um grau de separação semelhante utilizando uma coluna de paradestilação de tamanho menor do que a convencional. Este efeito na separação é atribuído, por MESZAROS e FONYO (1990) e por CANFIELD (1984), ao efeito Jenkins. De acordo com este efeito, mantendo a mesma altura de coluna e distância entre os pratos, um número de bandejas igual a βxN estágios ideais de paradestilação produzem uma separação melhor que N estágios ideais da destilação. Os poucos estudos encontrados na literatura científica aberta relataram a possibilidade de reduzir a altura da coluna de paradestilação em até 30% ou a razão de refluxo em até 70%, quando comparadas com a destilação convencional (CANFIELD, 1984; CANFIELD; JENKINS, 1986; GOUVÊA, 1999; MEIRELLES et al., 2017). Em um trabalho recente, MEIRELLES et al. (2017) confirmaram o efeito Jenkins, demonstrando que o arranjo dos estágios na paradestilação aumenta a força motriz de transferência de massa, sendo essa intensificação elucidada pelo maior gradiente de concentração associado às correntes de líquido e vapor que entram em determinado estágio da coluna de paradestilação. Este efeito ocorre, pois, para um dado estágio n qualquer, com o estágio N correspondendo ao condensador, ambas as configurações recebem a corrente de líquido proveniente do estágio (n+1). No entanto, o vapor que entra no estágio n é proveniente de (n-1) para a coluna convencional e de (n-2) para a paradestilação com duas correntes de vapor. Como a fração molar do componente mais volátil no vapor é maior em (n—1) do que em (n-2), a maior diferença de concentração gerada no último caso permite uma maior força motriz para a transferência de massa em uma coluna de paradestilação, justificando a intensificação da separação neste tipo de coluna.

[005] Nametadestilação convencional, a divisão das β correntes de líquido ocorre no topo da coluna (estágio N, correspondente ao condensador). Cada corrente é então alimentada aos estágios (n-1) a N-β, sendo mantidas separadas até a base da coluna. Este tipo de coluna se diferencia da convencional pela disposição interna de líquido, segundo a qual um dado estágio genérico n recebe a corrente de líquido proveniente do estágio (n+β), e não de (n+1) como ocorre na destilação convencional. Desta forma, assim como na paradestilação, essa configuração apresenta um maior gradiente de concentração entre as correntes de líquido e vapor de um determinado estágio. Adicionalmente, a divisão da vazão de líquido é responsável por uma diminuição no diâmetro total da coluna de metadestilação em relação à convencional. Isto ocorre, pois cada estágio irá receber aproximadamente apenas (L/β) da vazão total L de líquido. Esta redução na área dos estágios da coluna pode chegar a 30%, conforme relatado por MIZSEY, MÉSZÉROS e FONYÓ (1993), para β=2. Outra vantagem desse tipo de coluna é um potencial aumento na eficiência de Murphree, a qual, segundo GOUVÊA (1999), pode ser de 2 a 20% maior na metadestilação do que na destilação convencional.

[006] São poucos os trabalhos que relatam os processos de para- e metadestilação e inexistentes os que exploram o efeito sinergético do uso destas técnicas combinadas entre si ou com colunas convencionais.

[007] Os relatos, encontrados na literatura científica, sobre a utilização de colunas com correntes paralelas abordam os processos de paradestilação e metadestilação separadamente, não explorando o efeito sinergético das duas técnicas, salva uma exceção: o trabalho realizado por CANFIELD e JENKINS (1986).

[008] No trabalho apresentado por CANFIELD e JENKINS (1986) há relato da construção de uma coluna mista, composta por estágios de paradestilação acima da alimentação e coluna de recheio abaixo da alimentação. O documento ainda relata a construção de uma coluna composta inteiramente por estágios de paradestilação, exceto na alimentação, na qual é utilizado um prato de destilação convencional. Entretanto, não são discutidas nem especificadas quantitativamente as vantagens obtidas com o uso dessas técnicas.

[009] A patente requerida em 29/01/1985 por JENKINS (1985), sob o número US 4.582.569, apresenta detalhes construtivos dos estágios das colunas de para- e meta-destilação com duas correntes divididas, ou de vapor ou líquido (β=2). As patentes de inovação e utilidade CN 101905088B e CN 201775974U, registradas por ZHANG e SUN (2012) e ZHANG (2011a), respectivamente, relatam a construção de colunas com duas correntes internas de líquido e duas de vapor; e as patentes de inovação e utilidade CN 101905089B e CN 201799131U, registradas por ZHANG (2012, 2011b), relatam a construção de colunas com duas ou mais divisões internas de líquido, sem mencionar a corrente de vapor. Vale ressaltar que as cinco patentes aqui referenciadas não consideram, nem mencionam, a sinergia entre as técnicas de destilação convencional, paradestilação e metadestilação.

[0010] O documento CN 201791392U descreve a construção de uma coluna com um vertedor central. Não prevê a divisão interna de líquido ou de vapor em mais de uma corrente, não podendo ser tratado como “correntes paralelas”. O documento apenas prevê que o fluído escoe na mesma direção. O documento é focado na construção do equipamento, não fornecendo detalhes de sua eficácia em processos de separação. A presente invenção prevê o aumento na eficiência de separação, que é confirmado por simulações computacionais. No estado da técnica em questão os resultados fornecidos são de outras colunas, com configurações diferentes.

[0011] O documento CN 201775973U descreve a construção de uma coluna na qual o líquido sempre fluí no mesmo sentido. Não prevê a divisão interna do líquido nem do vapor, em mais de uma corrente. A presente invenção difere deste documento por não focar no tipo de escoamento que ocorre na coluna. A presente invenção foca na sinergia entre as técnicas de destilação convencional, paradestilação e metadestilação.

[0012] O documento de MEIRELLES et al (2017) apresenta uma nova metodologia simplificada de cálculo para simulação e representação das colunas com correntes paralelas (para- e metadestilação). O foco do artigo é explorar esta metodologia simplificada, a qual é ilustrada com alguns exemplos. Estes exemplos, por sua vez, apontam vantagens das colunas com correntes paralelas que já haviam sido destacadas nas referências acima mencionadas, portanto os benefícios associados aos resultados deste artigo, em termos de tecnologia, já eram de domínio público. Este artigo reporta, ainda, a vantagem da utilização de mais de duas correntes. Esta modalidade foi mencionada nos artigos anteriores, mas ainda não havia sido explorada com exemplos numéricos.A presente invenção não utiliza os processos de paradestilação ou metadestilação isolados, mas sim uma combinação dessas duas para então gerar uma terceira técnica: as colunas mistas. Colunas mistas são compostas por pelo menos duas das técnicas já conhecidas cientificamente: paradestilação, metadestilação e/ou destilação convencional.

[0013] O documento BR 10 2017 018998 8 refere-se aos processos de absorção e dessorção sendo conduzidos em colunas compostas por uma única técnica de correntes paralelas. Apesar de mencionar os processos convencionais de para- e metadestilação, não menciona nenhum das tecnologias da presente invenção, sendo elas: (i) colunas com duas ou mais técnicas, incluindo as técnicas de correntes paralelas e a de destilação convencional; (ii) prato único sendo empregado para facilitar a junção das técnicas; (iii) introdução de pratos de paradestilação que viabilizem o retrofit de colunas, (iv) utilização de dois ou mais condensadores na paradestilação (v) utilização de dois ou mais refervedores na metadestilação.

[0014] A dissertação de mestrado intitulada “Modelagem e simulação da destilação com correntes paralelas aplicada à produção de bioetanol” trata das colunas de para- e metadestilação sem sugerir qualquer alteração estrutural. Considera que as colunas sejam construídas inteiramente por um único processo e sem nenhuma diferença com o que já havia sido publicado. De forma geral, a dissertação de mestrado emprega as técnicas de para- ou metadestilação a processos conhecidos de destilação, com a finalidade de entender o comportamento dessas técnicas. Nenhuma forma alternativa de configuração das colunas de para- e meta- foi mencionada enenhum dispositivo, alteração de configuração de processo ou arranjo dessa invenção foi mencionado.

[0015] Percebe-se que há literatura sobre paradestilação e metadestilação. Entretanto, tal literatura aborda esses temas sempre de modo isolado, no máximo comparado com outra técnica. Não há nada que revele ou sequer sugira a um técnico no assunto que tais técnicas podem ser combinadas tanto entre si, quanto com destilação convencional.

[0016] Além disso, todas as colunas encontradas no mercado utilizam apenas uma técnica isoladamente, e juntar mais de uma técnica na mesma coluna não é nada trivial. Além do mais, a presente invenção não apenas combina duas técnicas, mas combina de forma a trazer vantagens e resolver problemas antigos existentes no meio industrial. Problemas esses que não poderiam ser resolvidos pelas técnicas de destilação, paradestilação ou metadestilação aplicadas isoladamente.

[0017] Neste contexto, dois exemplos práticos ilustram as vantagens obtidas com a combinação destas técnicas. O primeiro refere-se à junção das técnicas no estágio da alimentação, e o segundo logo abaixo de refervedor intermediário e/ou acima de condensador intermediário, utilizados com o objetivo de economizar no custo ou na vazão de utilidades.

[0018] Sabe-se das vantagens da coluna de paradestilação em relação à separação de componentes com baixa volatilidade relativa, e das vantagens da metadestilação no que se refere a processos com alta razão líquido/vapor (MEIRELLLES et al., 2017). Dadas as possíveis características de operação de uma coluna convencional, como na destilação alcoólica, por exemplo, com baixa volatilidade relativa acima da alimentação e alta vazão de líquido abaixo da mesma, a junção das técnicas de para- e meta-destilação neste ponto pode se mostrar vantajosa. Em processos nos quais a vazão de líquido logo abaixo da alimentação não é muito elevada, pode-se ainda utilizar estágios convencionais, ao invés de estágios de metadestilação, havendo uma junção desta técnica com a de para- ou meta-destilação. Outra possibilidade é a combinação de estágios de meta- e para- com coluna de recheio.

[0019] O segundo exemplo diz respeito à introdução de refervedores e condensadores intermediários em coluna convencional de destilação. A adição dos mesmos gera um ponto de mínima força motriz logo abaixo do estágio que recebeu o refervedor intermediário ou acima do que recebeu o condensador intermediário, conforme demonstrado por Soares Pinto et al. (2011). Devido a este efeito, há a necessidade de aumentar o número de estágios, nestas regiões, para que a porcentagem de recuperação de componente volátil no produto de topo seja mantida. Muitas vezes a introdução de refervedores intermediários ocorre em colunas já instaladas industrialmente, o que inviabiliza a introdução de mais estágios, uma vez que o casco da coluna possuí uma altura fixa. Neste caso, a alternativa é aumentar a razão de refluxo da coluna, o que acarreta em um aumento do gasto energético e de utilidades, devendo ser avaliado se este aumento é compensado com a economia obtida com o refervedor/condensador intermediários. A presente invenção propõe como alternativa a substituição dos estágios localizados imediatamente abaixo do refervedor intermediário e/ou dos estágios acima do condensador intermediário por estágios de paradestilação. Esta possibilidade mostra-se vantajosa, uma vez que é possível, mantendo a altura disponível, introduzir praticamente β vezes mais estágios de paradestilação. Como βxN estágios de para- ocupam a mesma área que N estágios convencionais e são responsáveis por uma separação maior que os N estágios, é possível alcançar a mesma separação anterior sem a necessidade de aumentar a altura da coluna e/ou a razão de refluxo.

[0020] A presente invenção prevê, ainda, alterações na configuração estrutural do topo ou da base das colunas convencionais de paradestilação e metadestilação, ou nas colunas combinadas que levam paradestilação no topo e/ou metadestilação na base. Esta proposta tem origem na observação de que as correntes internas de vapor (paradestilação) e de líquido (metadestilação) possuem concentrações diferentes entre si. Assim, se essas duas correntes não forem unidas nas saídas da coluna, é possível obter dois produtos com concentrações diferentes entre si no topo, nos casos em que o topo da coluna é composto por paradestilação, ou dois produtos de fundo, nos casos em que o fundo da coluna é composto por metadestilação. Essa característica possibilita, além da produção de produtos de diferentes concentrações em uma única coluna, sem a necessidade de retiradas laterais, um pré-fracionamento adicional do produto, se assim for desejado. Para a finalidade anteriormente descrita, a presente invenção propõe a utilização de 1 a β conjuntos de condensadores nas colunas de paradestilação convencionais ou colunas combinadas compostas pela técnica de paradestilação no topo da coluna; e de 1 a β conjuntos de refervedores nas colunas de metadestilação convencionais ou colunas mistas compostas pela técnica de metadestilação na base da coluna.

[0021] No caso da paradestilação com β = 2, o uso de dois conjuntos de condensadores permite a concentração dos componentes mais voláteis em um dos lados da coluna. A corrente, localizada do outro lado e com consequente redução de compostos voláteis, é majoritariamente retornada à coluna na forma de refluxo. Por outro lado, a corrente com menor concentração de contaminantes e, portanto, com maior concentração de compostos voláteis é majoritariamente retirada como destilado. De fato, o quanto será utilizado como refluxo do conjunto de condensadores com maior concentração de compostos pesados e o quanto será empregado como destilado do conjunto de condensadores com maior concentração de compostos leves dependerá da taxa de refluxo desejada, mas o refluxo será, de toda forma, obtido principalmente do conjunto de condensadores rico em compostos pesados. No caso de partição da fase vapor em um número maior de correntes (β o 2), o refluxo de cada conjunto de condensadores pode ser regulado, objetivando a recuperação de um produto de topo com as concentrações desejadas. Similarmente à paradestilação, a presença de dois refervedores em uma coluna de metadestilação possibilita a concentração dos produtos menos voláteis em uma das correntes, purificando a outra em termos desses compostos. Sendo assim, a corrente com menor concentração de compostos pesados pode ser totalmente evaporada e retornada à coluna. Essa operação pode viabilizar separações mais eficientes, com menor consumo de energia. Assim como os condensadores da paradestilação, os refervedores podem ter taxas diferenciadas de evaporação.

[0022] Os relatos, encontrados na literatura científica, sobre a utilização de múltiplos condensadores e refervedores para correntes distintas da coluna abordam apenas o processo em colunas de parede dividida (DWC), sem mencionar as técnicas de paradestilação e metadestilação. Nas colunas de parede dividida (DWC) tanto o vapor quanto o líquido são divididos em duas correntes. Desta forma, um único casco de coluna é composto por duas colunas individuais de destilação convencional.

[0023] As colunas e processos da presente invenção apresentam vantagens econômicas, tanto no investimento inicial, pois permitem a construção de colunas menores e de diâmetro reduzido, quanto no custo operacional, pois possibilitam menor consumo de utilidades. Também apresentam uma solução para o “retrofit” de colunas, em casos nos quais deseja-se aumentar o número de estágios sem aumentar a altura da coluna.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0024] A presente invenção se refere a colunas e processos de destilação, que combinam pelo menos duas técnicas de destilação, sendo uma delas escolhida dentre uma técnica de correntes paralelas. Especificamente, as técnicas de correntes paralelas compreendem a paradestilação e a metadestilação. Em uma modalidade preferencial, as colunas compreendem o uso de múltiplos refervedores e/ou condensadores.

[0025] É um objeto da presente invenção uma coluna de destilação compreendendo: a) Uma construção interna em estágios adaptados com meios que permitam a transferência de componentes entre um meio líquido e um meio vapor através de pelo menos duas técnicas de destilação, sendo pelo menos uma dessas técnicas de destilação escolhida dentre uma destilação por correntes paralelas; b) Pelo menos uma entrada intermediária de alimentação, localizada entre pelo menos um condensador e pelo menos um refervedor; c) Opcionalmente um estágio de prato único e/ou meios para retirada lateral do conteúdo da coluna sob a forma de vapor ou líquido.

[0026] A técnica de destilação ser selecionada do grupo que compreende destilação convencional e correntes paralelas.Especificamente as técnicas de destilação por correntes paralelas são escolhidas dentre metadestilação e paradestilação.

[0027] Em uma realização preferencial, a coluna de destilação compreende uma pluralidade de condensadores e/ou uma pluralidade de refervedores.

[0028] O emprego de refervedores intermediários permite reduzir o consumo de vapor de aquecimento e o de condensadores intermediários os custos de água de resfriamento. No entanto, o emprego destas técnicas em colunas já construídas costuma exigir um aumento grande da altura do equipamento, diminuindo em muito sua atratividade. O uso de paradestilação, substituindo a destilação convencional, nas regiões próximas à introdução do refervedor ou condensador intermediários viabiliza a economia no custo de vapor de aquecimento ou de água de resfriamento, mantendo-se intacta a altura do equipamento.

[0029] É um adicional objeto da presente invenção um processo de destilação contínua utilizando a coluna de destilação anteriormente descrita e compreendendo as etapas de: a1) Alimentação ao equipamento de pelo menos uma corrente externa da mistura a ser destilada, alimentada sob a forma líquida, ou de vapor ou combinação de ambas as formas, preferencialmente em um prato único de alimentação; a2) Retirada de pelo menos um produto de topo (destilado) do processo, como corrente de saída do conjunto de condensadores localizado no topo de equipamento; e a3) Retirada de pelo menos um produto de fundo do processo, como corrente líquida de saída do refervedor situado na base do equipamento; e a4) Operação da coluna em condições de pressão e temperatura adequadas à mistura a ser destilada; e a5) Opcionalmente, admitir a alimentação de outras correntes ao equipamento, alimentadas sob a forma líquida, ou de vapor ou combinação de ambas as formas, preferencialmente em pratos únicos de alimentação; e a6) Opcionalmente, admitir a retirada de outros produtos do processo como correntes de retirada lateral, preferencialmente a partir de pratos únicos; Sendo que na etapa (a1) a corrente de saída pode ser selecionada dentre líquida, vapor.

[0030] Opcionalmente,o processo pode empregar uma pluralidade de condensadores e assim admite que a vazão de refluxo que retorna à coluna de destilação possa ser obtida a partir daqueles conjuntos de condensadores localizados no topo do equipamento que condensam os vapores de menor concentração em produtos voláteis, enquanto a vazão de destilado deve ser obtida a partir dos conjuntos de condensadores que condensam os vapores com maior concentração em produtos voláteis.

[0031] Da mesma forma, também opcionalmente, o processo pode empregar uma pluralidade de refervedores admite que a vazão de vapor que retorna à coluna de destilação em sua base seja obtida a partir daqueles refervedores localizado na base do equipamento que recebe os líquidos de maior concentração em produtos voláteis, enquanto a vazão de produto de fundo deve ser obtida a partirdos refervedores que recebem os líquidos com menor concentração em produtos voláteis ou diretamente das bandejas junto ao fundo do equipamento que gerem os líquidos com menor concentração de produtos voláteis. As colunas e processos da presente invenção podem ainda ser adaptados em colunas de destilação convencional, nas quais deseja-se adicionar refervedores e condensadores intermediários (“Retrofit”). No caso de refervedores intermediários, os estágios abaixo deste são substituídos por estágios de paradestilação, e no caso de condensadores intermediários os estágios acima deste são substituídos por estágios de paradestilação.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0032] Figura 1: Representação esquemática do prato único em colunas convencionais de paradestilação(a) e metadestilação (b).

[0033] Figura 2: Representação esquemática das colunas mistas combinando as técnicas de para- e meta- acima e abaixo da alimentação (a), para- e destilação convencional acima e abaixo alimentação (b), e meta- e destilação convencional acima e abaixo do prato de retirada lateral (c).

[0034] Figura 3: Representação esquemática das colunas mistas em função do uso de refervedor intermediário (b) ou de condensador intermediário (b).

[0035] Figura 4: Representação esquemática das colunas mistas com múltiplos cortes; no condensador e refervedorintermediários (a), e no refervedor intermediário e alimentação (b).

[0036] Figura 5: Representação esquemática de β condensadores na paradestilação (a) e β refervedores na metadestilação (b), com β=2.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0037] Coluna de Destilação

[0038] A presente invenção se refere a colunas e processos de destilação, que combinam pelo menos duas técnicas de destilação, sendo uma delas escolhida dentre uma técnica de correntes paralelas. Especificamente, as técnicas de correntes paralelas compreendem a paradestilação e a metadestilação. Em uma modalidade preferencial, as colunas compreendem o uso de múltiplos refervedores e/ou condensadores.

[0039] É um objeto da presente invenção uma coluna com técnicas combinadas compreendendo d) Uma construção interna em estágios adaptados com meios que permitam a transferência de componentes entre um meio líquido e um meio vapor através de pelo menos duas técnicas de destilação, sendo pelo menos uma dessas técnicas de destilação escolhida dentre uma destilação por correntes paralelas; e) Pelo menos uma entrada intermediária de alimentação, localizada entre pelo menos um condensador e pelo menos um refervedor; e f) Opcionalmente, um estágio de prato único para alimentação da coluna e/ou meios, incluindo prato único, para retirada lateral de conteúdo da coluna sob a forma de vapor ou líquido.

[0040] A técnica de destilação pode ser selecionada do grupo que compreende destilação convencional e correntes paralelas. Especificamente a técnica de destilação por correntes paralelas pode ser selecionada dentre metadestilação e paradestilação.

[0041] A Coluna de destilação compreende pelo menos um condensador no topo, e pode compreender um conjunto de condensadores ou uma pluralidade de conjuntos de condensadores. Opcionalmente, a Coluna de destilação poder compreender condensadores intermediários.

[0042] Ainda a Coluna de destilação, compreende pelo menos um refervedor na base do equipamento, e pode compreender um conjunto de refervedores ou uma pluralidade de conjuntos de refervedores. Opcionalmente, pode compreender refervedores intermediários.

[0043] Adicionalmente a Coluna de destilação, pode compreender diferentes modalidades de configurações: — uma técnica de destilação selecionada dentre destilação convencional, acima do prato único de alimentação ou de retirada lateral, e uma técnica selecionada dentre metadestilação e paradestilação, ou a combinação destas, abaixo do prato único de alimentação ou de retirada lateral; — uma técnica de destilação selecionada dentre metadestilação, acima do prato único de alimentação ou de retirada lateral, e uma técnica selecionada dentre destilação convencional e paradestilação, ou a combinação destas, abaixo do prato único de alimentação ou de retirada lateral; — uma técnica de destilação selecionada dentre paradestilação, acima do prato único de alimentação ou de retirada lateral, e uma técnica selecionada dentre destilação convencional, metadestilação, ou a combinação destas, ou a combinação destas, abaixo do prato único de alimentação ou de retirada lateral; — uma técnica de destilação selecionada dentre paradestilação, abaixo de refervedor intermediário, e uma técnica selecionada dentre destilação convencional e metadestilação, ou a combinação destas, acima do refervedor intermediário; — uma técnica de paradestilação acima de condensador intermediário, e compreender uma técnica de destilação selecionada dentre destilação convencional ou metadestilação, ou a combinação destas, abaixo do condensador intermediário.

[0044] Adicionalmente é objeto da presente invenção um processo de destilação com técnicas combinadas compreendendoo uso de uma coluna definida conforme especificadoanteriormente e compreendendo as etapas de: a1) Alimentação ao equipamento de pelo menos uma corrente externa da mistura a ser destilada, alimentada sob a forma líquida, ou de vapor ou combinação de ambas as formas, preferencialmente em um prato único de alimentação; a2) Retirada de pelo menos um produto de topo (destilado) do processo, como corrente de saída do condensadorlocalizado no topo de equipamento; e a3) Retirada de pelo menos um produto de fundo do processo, como corrente líquida de saída do refervedor situado na base do equipamento; e a4) Operação da coluna em condições de pressão e temperatura adequadas à mistura a ser destilada; e a5) Opcionalmente, admitir a alimentação de outras correntes ao equipamento, alimentadas sob a forma líquida, ou de vapor ou combinação destas, preferencialmente em pratos únicos de alimentação; e a6) Opcionalmente, admitir a retirada de outros produtos do processo como correntes de retirada lateral, preferencialmente a partir de pratos únicos, Sendo que na etapa (a2) a corrente de saída pode ser selecionada dentre líquida, vapor. Ainda as referidas etapas do processo ocorrem simultaneamente e em modo contínuo.

[0045] Ainda é objeto da presente invenção um processo que prevê o uso de um conjunto de condensadores, sendo que neste processo, a vazão de refluxo que retorna à coluna de destilação ser obtida a partir dos conjuntos de condensadores localizados no topo do equipamento que condensam os vapores de menor concentração em produtos voláteis, enquanto a vazão de destilado deve ser obtida a partir dos conjuntos de condensadores que condensam os vapores com maior concentração em produtos voláteis.

[0046] É objeto da presente invenção um processo que emprega uma pluralidade de refervedores, sendo que neste processo, a vazão de vapor que retorna à coluna de destilação em sua base ser obtida a partir dos refervedores localizados na base do equipamento que recebem os líquidos de maior concentração em produtos voláteis, enquanto a vazão de produto de fundo deve ser obtida a partir dos refervedores que recebem os líquidos com menor concentração em produtos voláteis ou diretamente das bandejas junto ao fundo do equipamento que gerem os líquidos com menor concentração de produtos voláteis.

[0047] As colunas da presente invenção podem ser utilizadas em processos de destilação e apresentam a combinação de pelo menos duas técnicas de separação, entre elas: paradestilação, metadestilação ou destilação convencional.

[0048] A técnica de paradestilação consiste na divisão da corrente interna de vapor em β correntes, sendo β um número inteiro de 1 a 6. Cada corrente entra em contato alternadamente com uma única corrente de líquido. Desta forma, um dado estágio n recebe uma corrente de líquido do estágio (n+1) e outra de vapor de (n-β), contando os estágios da base parao topo da coluna.

[0049] A técnica de metadestilação consiste na divisão da corrente interna de líquido em β correntes, sendo β um número inteiro de 1 a 6. Cada corrente entra em contato alternadamente com uma única corrente de vapor. Desta forma, um dado estágio n recebe uma corrente de líquido do estágio (n+β) e outra de vapor de (n-1), contando os estágios da base para o topo da coluna.

[0050] As divisões podem ocorrer no(s) estágio(s) de alimentação(ções), no(s) estágio(s) de retirada(s) lateral(ais), e/ou no(s) estágio(s) associados a refervedor(es) intermediário(s) e/ou a condensador(es) intemnediário(s). A Figura 2 representa a modalidade construtiva da coluna constituída por duas técnicas de separação unidas no estágio da alimentação (Figura 2a e 2b) e no estágio de retirada lateral (Figura 2c), sendo que a Figura 2a representa a combinação das técnicas para-destilação (acima do prato de alimentação) e meta-destilação (abaixo do prato de alimentação); a Figura 2b representa a combinação das técnicas de para-destilação (acima do prato de alimentação) e destilação convencional (abaixo do prato de alimentação); ainda a Figura 2c representa a combinação das técnicas de meta-destilação (acima do prato de retirada lateral) e destilação convencional (abaixo do prato de retirada lateral); a Figura 3 representa a modalidade com divisão nos estágios associados a refervedor (Figura 3a) e condensador (Figura 3b) intermediários; a Figura 4 representa a modalidade de combinações múltiplas das técnicas.

[0051] As colunas com a técnica de paradestilação no topo podem conter, no mínimo, de 1 a β condensadores ou conjunto de condensadores. Enquanto que as colunas com metadestilação na base da coluna podem conter, no mínimo, até β refervedores. O objetivo deste tipo de construção é obter β produtos com composições diferentes. A Figura 5 representa a modalidade construtiva de múltiplos condensadores (Figura 5a) e múltiplos refervedores (Figura 5b), para colunas com β=2.

Prato único

[0052] Na coluna de paradestilação convencional, as β correntes de vapor da coluna não se misturam, exceto na entrada do condensador e na saída do refervedor, onde são unidas e divididas, respectivamente. O mesmo ocorre com as correntes de líquido na coluna de metadestilação, que são divididas na saída do condensador e unidas novamente na entrada do refervedor.

[0053] Devido a esta característica construtiva, os perfis de vazão de vapor (paradestilação) e de líquido (metadestilação) total e por componente em cada corrente da coluna podem ser diferentes, em especial após a alimentação, uma vez que esta é efetuada normalmente em apenas um dos estágios da coluna, afetando mais significativamente as correntes que passam por este estágio.

[0054] O prato único compreende um prato de destilação convencional que pode ser incorporado no estágio de alimentação da coluna de paradestilação ou metadestilação (Figura 1), no estágio de retirada lateral (Figura 2c) ou na divisão entre duas técnicas de correntes paralelas (Figura 2) ou na divisão entre a destilação convencional e uma das técnicas de correntes paralelas. Este prato tem por objetivo manter a divisão de líquido e vapor o mais uniforme possível entre as β correntes internas.

[0055] O princípio de operação baseia-se no fato de que o estágio da alimentação recebe uma única corrente de líquido proveniente da parte superior da coluna, no caso de a seção de retificação empregar paradestilação. Caso a seção inferior à alimentação seja composta por metadestilação, a corrente de líquido é então dividida em duas ou mais correntes que alimentam os pratos imediatamente inferiores ao prato de alimentação. Essa corrente não é dividida caso a seção inferior à alimentação seja composta por destilação convencional. De forma análoga, o estágio de alimentação recebe apenas uma única corrente de vapor, proveniente da seção de esgotamento no caso de se empregar metadestilação ou destilação convencional nesta seção da coluna e a divide em duas ou mais porções na entrada da seção de retificação, com esta última empregando paradestilação. Vale ressaltar que, a literatura aberta relata, sem muitos detalhes, a construção de coluna mista (paradestilação com destilação convencional), mas não há relatos da junção entre paradestilação e metadestilação (CANFIELD e JENKINS, 1986).

[0056] Dada uma coluna de metadestilação com β correntes internas de líquido, caso a alimentação líquida seja feita em apenas um estágio convencional de metadestilação, toda a vazão externa tenderá a ser adicionada em apenas uma das correntes internas da coluna, causando um desbalanço entre a vazão desta corrente e as demais. O mesmo efeito é observado na alimentação da coluna de paradestilação por uma corrente de vapor. Para contornar esta situação, são propostas as seguintes alternativas: a) Alimentação sempre na forma vapor na metadestilação e sempre na forma líquida na paradestilação, sendo neste caso desnecessário utilizar um prato único; b) Utilização de um prato único de alimentação; c) Divisão da alimentação em β correntes e alimentação destas nos β estágios consecutivos localizados na região da alimentação.

[0057] A seguir serão descritas as construções de diversos tipos de colunas de acordo com a presente invenção, e detalhado seu funcionamento.

Coluna mista na alimentação/retirada lateral

[0058] A coluna mista na alimentação ou no prato de retirada lateral compreende a divisão da coluna em pelo menos duas técnicas, sendo a coluna dividida no prato da alimentação e/ou no local de retirada lateral. As possíveis técnicas que podem ser combinadas são: paradestilação, metadestilaçãoe destilação convencional.

[0059] A junção das técnicas no estágio da alimentação pode ser realizada com a utilização do prato único, com a divisão da alimentação em β correntes ou com uma alimentação única na forma apropriada indicada na alternativa a) das possibilidades apresentadas no item “Prato único”, acima. As alternativas b) e c) do mesmo item podem também ser utilizadas para implementar retiradas laterais. No caso da alternativa a) sem o uso do prato único, esta pode ser utilizada como retirada exclusivamente de vapor no caso da metadestilação ou de líquido no caso da paradestilação.

[0060] Este tipo de configuração permite também a utilização de um número maior de combinações de divisões, sendo que estas podem ocorrer em outros estágios diferentes dos de alimentação e retirada lateral. Como exemplo, pode- se citar, uma modalidade que também inclua a combinação das diferentes técnicas em função da instalação de refervedores e/ou condensadores intermediários (Figura 4).

[0061] A construção da coluna mista na alimentação/retirada lateral, compreende as seguintes etapas: a) Alimentação da mistura a ser separada no estágio k da coluna na região de alimentação, que pode ser um prato único ou um conjunto de β estágios consecutivos do tipo paradestilação ou metadestilação; b) Composição da retificação (acima da alimentação) por uma das técnicas propostas: paradestilação, metadestilação, ou destilação convencional; c) Composição do esgotamento (abaixo da alimentação) por uma das técnicas propostas: paradestilação, metadestilaçãoou destilação convencional; d) Composição da seção acima ou abaixo do estágio de retirada lateral por uma das técnicas propostas: paradestilação, metadestilação ou destilação convencional; e) Remoção das β correntes de vapor no topo da coluna e introdução em um ou mais conjunto de condensadores, quando se tratar de processos de destilação, sendo β um número inteiro de 1 a 6, com β=1 característico da destilação convencional; f) Remoção das β correntes de líquido na base da coluna e introdução em um ou mais refervedores, quando se tratar de processos de destilação, sendo β um número inteiro de 1 a 6, com β=1 característico da destilação convencional.

Coluna mista no refervedor/condensador intermediários

[0062] A coluna mista com pelo menos um refervedor e/ou condensador intermediários compreende a divisão da coluna em pelo menos duas técnicas, entre elas: para-, meta- ou destilação convencional.

[0063] Esta técnica pode ser utilizada em projetos novos de colunas ou ainda como uma alternativa para inclusão de refervedores/condensadores intermediários em colunas já instaladas industrialmente (“retrofit”). Isto porque a inclusão de refervedores/condensadores intermediários gera um ponto de mínima força motriz logo abaixo do refervedor intermediário ou acima do condensador intermediário, conduzindo à necessidade de maior número de estágios nas regiões próximas a instalação daqueles equipamentos. Esta alternativa de instalar bandejas adicionais de destilação é muito difícil para colunas que já estejam em operação, pois a altura total do casco da coluna é fixa. Desta forma, mostra-se vantajosa a substituição dos estágios convencionais de destilação por estágios de paradestilação, uma vez que [βxk—(β-1)] estágios de paradestilaçãoocupam aproximadamente a mesma altura de k estágios de destilação convencional, mas produzem uma separação melhor do que estágios convencionais.

[0064] A junção das técnicas, associadas ao uso de refervedor/condensador intermediários, compreende as seguintes etapas: a) Substituição dos k estágios convencionais abaixo do refervedor intermediário e/ou acima do condensador intermediário por pelo menos [βxk-(β-1)j estágios de para-destilação, com β correntes de vapor, sendo β um número inteiro maior ou igual a 2 e menor que 6.

Coluna com múltiplos conjuntos de condensadores no topo e refervedores na base da coluna

[0065] Esta modalidade compreende o conjunto de condensadores localizados no topo de colunas compostas por paradestilação e/ou o conjunto de refervedores localizados na base de colunas compostas por metadestilação. Esta modalidade pode ser aplicada a colunas com técnicas combinadas ou a colunas compostas inteiramente por paradestilação ou metadestilação. Esta técnica pode ser utilizada em projetos de novas colunas ou ainda como uma alternativa para o “retrofit” de colunas já existentes. Objetivando a obtenção de um destilado mais puro, com o uso de múltiplos condensadores na paradestilação; e/ou permitindo um maior esgotamento do produto de fundo dos componentes leves, através do uso de múltiplos refervedores na metadestilação.

[0066] A divisão interna das correntes internas de vapor (paradestilação) e de líquido (metadestilação) gera uma diferenciação entre as composições das β correntes. Esta diferença é ainda maior nos casos onde a alimentação é realizada inteiramente em apenas uma das correntes da coluna, sem que haja a introdução do prato único ou dos artifícios discutidos neste documento. Neste tipo de alimentação em específico, a β corrente de vapor da paradestilação que receber a alimentação irá se enriquecer mais no componente mais volátil. De forma análoga, na metadestilação, a β corrente líquida que receber a alimentação irá se enriquecer mais que as demais correntes no componente menos volátil. Esta diferenciação é notada até a base da coluna de metadestilação ou o topo da coluna de paradestilação. Assim, se estas correntes não forem unidas nas saídas da coluna, é possível obter dois produtos com concentrações diferentes entre si. Essa característica possibilita, além da produção de produtos de diferente qualidade em uma única coluna, sem a necessidade de retiradas laterais, um pré-fracionamento do produto obtido, se assim for desejado. Nesta modalidade, o controle dos produtos de topo e de fundo é realizado pelo ajuste da razão de refluxo e da taxa de evaporação em cada conjunto de condensadores e refervedores, respectivamente.

[0067] A inclusão de múltiplos conjuntos de condensadores é aplicável à: a) Colunas compostas inteiramente pela técnica de paradestilação; b) Colunas mistas compostas pela técnica de paradestilação nos estágios imediatamente abaixo do sistema de condensação principal (conjunto de condensadores instalado no topo das colunas de destilação convencional).

[0068] A inclusão de múltiplos conjuntos de refervedores é aplicável à: a) Colunas compostas inteiramente pela técnica de metadestilação; b) Colunas mistas compostas pela técnica de metadestilação nos estágios imediatamente acima do refervedor principal.

[0069] A inclusão de múltiplos conjuntos de condensadores e/ou de refervedores, compreende as seguintes etapas: a) Utilização de 1 a β conjuntos de condensadores em colunas compostas por paradestilação no topo. Para este propósito, cada conjunto de condensadores receberá uma das β correntes de vapor, provenientes dos β estágios localizados no topo da coluna, sendo β um número inteiro maior ou igual a 2 e menor ou igual a 6. Esta modalidade prevê a obtenção de até β produtos de topo, no caso no qual nenhuma corrente interna de vapor seja unida. Prevê ainda que duas ou mais correntes de vapor possam ser unidas no topo da coluna e serem alimentadas a um mesmo conjunto decondensadores. Desta forma, é possível fazer combinações com as vazões internas de vapor, controlando o refluxo de cada conjunto de condensadores que pode, inclusive, ser nulo, sendo neste caso todo o condensado de certo conjunto de condensadores removido como produto de topo e o condensado dos outros conjuntos de condensadores utilizados como refluxo. A forma exata de implementação deste tipo específico da invenção depende da taxa de refluxo exigida pelo processo em questão, do número β de divisões da fase vapor e da melhor opção para o caso específico da mistura que está sendo destilada. b) Utilização de 1 a β conjuntos de refervedores em colunas compostas por metadestilação na base. Para este propósito, cada conjunto de refervedores receberá até β correntes de líquido, provenientes dos β estágios localizados na base da coluna, sendo β um número inteiro maior ou igual a 2 e menor ou igual a 6. Esta modalidade prevê a obtenção de até β produtos de fundo, no caso no qual nenhuma corrente interna de líquido seja unida. Prevê ainda que duas ou mais correntes de líquido possam ser unidas na base da coluna e serem alimentadas a um mesmo conjunto de refervedores. Desta forma, é possível fazer combinações com as vazões internas de líquido, controlando a taxa de evaporação de cada conjunto de refervedores que pode, inclusive, em uma caso especial, ser nula. Neste caso específico uma ou mais de uma das β correntes de líquido são removidas diretamente como produto de fundo, sem a necessidade de conjunto de refervedores para tais correntes, sendo a taxa de evaporação necessária para o funcionamento adequado da coluna gerada nos demais conjuntos de refervedores disponíveis na base da coluna.

[0070] Processo de Separação

[0071] O processo de separação da presente invenção, por utilizar a coluna da presente invenção, proporciona melhores rendimentos quando comparado com os processos convencionais. Essa melhora de rendimento é devida a uma melhora dos parâmetros inerentes de construção e operação de colunas de destilação, como,por exemplo,temperatura, pressão e vazão das utilidades, números de bandejas, altura e diâmetro das colunas, taxas de refluxo e vazões internas de líquido e vapor dos equipamentos.

[0072] Um técnico no assunto é capaz de, a partir dos parâmetros dos métodos convencionais, ajustá-los para o processo em questão sem experimentação indevida. Os exemplos a seguir deixam clara a vantagem do uso das coluna e dos processos aqui detalhados frente aos processos e colunas do estado da técnica.

EXEMPLO 1: COLUNA MISTA A PARTIR DO ESTÁGIO DE ALIMENTAÇÃO

[0073] O primeiro exemplo refere-se à destilação alcoólica em colunas com técnicas combinadas organizadas a partir do prato de alimentação. Este processo foi adotado como forma de exemplificar uma das possíveis utilizações da coluna mista na alimentação aplicada a casos industriais, no entanto, este exemplo não limita o uso desta técnica.

[0074] Para a primeira parte deste exemplo considerou-se a separação de uma mistura composta por etanol e água em dois tipos de colunas: i) coluna composta por paradestilação com duas divisões (β=2) acima da alimentação (seção de enriquecimento) e metadestilação com duas divisões (β=2) abaixoda alimentação (seção de esgotamento), denominada Coluna PM; ii) coluna composta por paradestilação acima da alimentação (enriquecimento) com duas divisões (β=2) e destilação convencional abaixo (esgotamento), denominada Coluna PC. Estas colunas são comparadas com a separação em coluna convencional (Coluna CC) de destilação de mesma altura das anteriores, mas com as colunas com a combinação de técnicas empregando razão de refluxo diferente (variante B), ou então com as colunas com a combinação de técnicas utilizando a mesma razão de refluxo da convencional, mas com altura menor do equipamento (variante A). Todas as colunas foram mantidas a uma pressão constante de 101,3 kPa e a eficiência das bandejas foi considerada 100%. A alimentação foi realizada em prato único como líquido saturado a 101,3 kPa para todas as concentrações de álcool e também como vapor saturado a 101,3 kPa para a concentração maior, sempre com uma taxa de 5500 kmol total/h (que corresponde a cerca de 103.713 kg total/h no caso de vinho com 3,0% de porcentagem molar) e com concentração molar de etanol variando de 3,0% a 20,0%, correspondente a uma concentração mássica de 7,3% a 39,0%. A concentração mássica de etanol no topo da coluna foi de 93,0% (kg/kg) (83,87% kmol/kmol), escoando a uma taxa de 196,7 kmol total/h (8174,07 Kg total/h) para a alimentação com 3,0 mol% e o valor correspondente para outras concentrações de alimentação, de forma a garantir que a perda de álcool na vinhaça ou flegmaça (base da coluna) estivessepróxima a 0,02 em percentagem mássica. Desta forma, a recuperação de álcool no destilado do processo foi de aproximadamente99,7%.

[0075] Os resultados podem ser visualizados na Tabela 1, que contém informações sobre o consumo de energia de aquecimento para cada coluna calculada. Considerando a alimentação com 3,0% (kmol/kmol) de etanol, nota- se que a coluna combinando paradestilação e destilação convencional (Coluna PCB), que possui a mesma altura da coluna convencional (Coluna CC), permitiu reduzir o consumo de energia de aquecimento no refervedorem 14,2%, uma redução bastante expressiva. Para esta porcentagem de etanol na alimentação (3,0% em mol), a coluna composta por paradestilação (acima da alimentação) e destilação convencional (abaixo da alimentação) e com a mesma altura da coluna convencional (isto é, a Coluna PCB) foi a alternativa mais vantajosa, enquanto as outras duas colunas alternativas (Colunas PCA e PMB)não proporcionaram redução do consumo de energia de aquecimento. A substituição da destilação convencional, abaixo da alimentação, por metadestilação mostra- se mais vantajosa nos casos em que a alimentação contém maior teor de etanol, como no caso de 5,0% (kmol/kmol), situação na qual a coluna PMB permitiu a redução do consumo de energia de aquecimento em cerca de 20%. Ainda assim, a coluna PCB permitiu maior redução do custo operacional, com queda de quase 25% no consumo de energia.

[0076] Para vinhos alcoólicos a graduação alcoólica usual é de aproximadamente 6 a 12 oGL.No entanto, existem esforços de pesquisa relatados na literatura para desenvolver procedimentos fermentativos visando vinhos de alto teor alcoólico (de até 16 °GL). Por outro lado, para este exemplo foram também testadas condições de até 44,4 0GL (Tabela 1). Esta graduação é próxima à da flegma alcoólica, corrente mais concentrada de etanol que deixa a primeira coluna de concentração de etanol (coluna A) e é então alimentada na segunda coluna (composta pelas colunas B e B1), para assim completar o processo de purificação (BESSA et al., 2013). Neste caso a alimentação é normalmente feita em fase vapor. Desta forma, para esta concentração os cálculos dos equipamentos foram realizados tanto para alimentação em fase líquida (0% de vapor), como para alimentação em fase vapor (100% de vapor). Como indica a Tabela 1, as técnicas combinadas de paradestilação e destilação convencional (PCB) permitem redução substancial do consumo de energia para aquecer o refervedor do equipamento, quando a alimentação tem teor de 39,0 % em massa. As economias observadas são ainda mais significativas no caso típico de alimentação em fase vapor, correspondendo à coluna BB1 da destilação alcoólica convencional. Nota-se, portanto, que as vantagens das técnicas combinadas ocorrem em pelo menos um caso para vinho de 9.0 oGL (coluna PCB), tornam-se maiores para vinhos de mais alto teor alcoólico (14,4 oGL) e assumem valores muito significativos para as condições de destilação típicas da flegma alcoólica.

[0077] Uma aplicação adicional da presente invenção para correntes alcoólicas ocorre no processo para purificação de bioetanol hidratado para obtenção de álcool neutro. Este processo envolve 3 colunas adicionais, sendo a primeira coluna a de hidrosseleção. A coluna de hidrosseleção é composta por aproximadamente 50 bandejas, sendo alimentada pelo bioetanol hidratado impuro (93% de etanol, em massa) e uma corrente de água fria em bandeja junto ao topo do equipamento. A água tem a finalidade de diluir os álcoois superiores na fase líquida, aumentando seu coeficiente de atividade e, por consequência, sua volatilidade, possibilitando que os mesmos sejam retirados no destilado dessa coluna. O produto de fundo é composto pelo bioetanol diluído e purificado. Este bioetanol diluído é alimentado na coluna de retificação, a qual pode ser composta por até 80 bandejas. Esta tem por finalidade concentrar novamente o bioetanol, removendo produtos voláteis no destilado, álcoois superiores remanescentes na corrente de óleo fusel e, principalmente, água na corrente de fundo. O bioetanol concentrado, usualmente chamado de álcool pasteurizado, é removido em uma bandeja localizada próxima ao topo da coluna. A coluna demetiladora, com aproximadamente 50 bandejas, é alimentada pelo álcool pasteurizado proveniente da coluna retificadora e tem o objetivo de separar o metanol do etanol, sendo o primeiro removido no destilado e o segundo como produto de fundo, conhecido como álcool neutro.

[0078] Na primeira parte do exemplo (Tabela 1) foi retratada a destilação do binário etanol/água. Em uma segunda abordagem (Tabela 2), objetivando uma maior aproximação do exemplo com casos industriais, considerou-se a presença de componentes minoritários e uma queda na eficiência de separação, anteriormente considerada 100%. Para tanto, a alimentação de 130.034,15 kg/h de flegma alcoólica, feita na forma de vapor saturadoa 97,5 °C e 101,3 kPa, foi composta,em porcentagem mássica,por: etanol = 39,0%, água = 60,9%, álcool isoamílico= 0,088%, acetato de etila= 4,7.10-4%, glicerol = 5,7.10-4%. A vazão de destilado foi fixada em 1.310,0kmol/h (aproximadamente 54.490 kg/h) e a vazão da saída lateral de óleo fúselem 8 kmol/h. A eficiência de Murphree foi fixada em 60%. Os compostos minoritários considerados são representativos de três diferentes tipos de congêneres presentes na destilação alcoólica, os pesados (glicerol), os leves (acetato de etila) e os de volatilidade intermediária (álcool isoamílico). Os resultados destes cálculossão apresentados na Tabela 2 para duas colunas convencionais (CC) com diferentes números de bandejas e para duas colunas compostas por destilação convencional abaixo da alimentação e paradestilação com duas divisões (β=2) acima da alimentação (PC).

[0079] Como pode ser observado na Tabela 2, a coluna mista PC1, com a mesma taxa de refluxo da primeira coluna convencional (CC1), praticamente com o mesmo consumo de energia de aquecimento e garantindo a mesma concentração alcoólica do destilado e valores de perdas de etanol praticamente iguais no fundo, tem uma altura cerca de 20% menor, com impacto significativo nos custos do equipamento. Esta coluna (PC1), com 61 estágios, foi comparada com outra coluna de destilação convencional de mesma altura (CC2, com 41 estágios), indicando as vantagens da primeira coluna alternativa (PC1) em termos de consumo de energia. Esta segunda coluna convencional (CC2) apresentou um aumento de 21% no consumo de energia, ainda assim não gera qualquer redução de custo associada à altura do equipamento. Admitindoeste aumento de 21% no consumo energéticopara se calcular umasegunda coluna alternativa (PC2 com 55 estágios), é possível obter uma redução adicional na altura do equipamentode aproximadamente 30% em relação à primeira coluna convencional (CC1),com impactocorrespondente no custo de material da coluna alternativa. Nos quatro casos de colunas, as concentrações das retiradas laterais de óleo fúsel apresentam valores similares, indicando que a extração de álcool isoamíliconão sofre alteração significativa com as mudanças dos equipamentos. Tabela 1. Destilação alcoólica para colunas convencionais e mistas. Legenda:A=mesma razão de refluxo; B=mesma altura que coluna convencional correspondente; D=Tipos de Coluna: CC=convencional, acima e abaixo da alimentação; PM=paradestilação (β=2) acima da alimentação e metadestilação (β=2) abaixo da alimentação; PC=paradestilação (β=2) acima da alimentação e destilação convencional abaixo da alimentação; E=porcentagem relativa á convencional com mesma concentração de etanol na alimentação;PCA significa a coluna PC que usou a mesma razão de refluxo da coluna convencional;PCB significa a coluna PC que usou a mesma altura da coluna convencional;PMB significa a coluna PM que usou a mesma altura da coluna convencional. Tabela 2. Destilação alcoólica multicomponente para colunas convencionais e mistas Legenda: D=Tipos de Coluna: CC=convencional, acima e abaixo da alimentação; PC=paradestilação (β=2) acima da alimentação c destilação convencional abaixo; E=porcentagem relativa à destilação convencional.

EXEMPLO 2: REFERVEDOR INTERMEDIÁRIO

[0080] O segundo exemplo refere-se à destilação de hidrocarbonetos em colunas com refervedores intermediários. Este processo foi adotado como forma de exemplificar uma das possíveis utilizações da coluna mista nos casos que se considere viável empregar industrialmente refervedor intermediário, no entanto este exemplo não limita o uso desta técnica.

[0081] Para este exemplo considerou-se a separação de uma mistura composta por n-butano e i-pentano. A coluna foi mantida a uma pressão constante de 800 kPa, e a eficiência de separação foi considerada 100%. A alimentação da fase líquida, a 82,8 °C e 800 kPa, corresponde a uma taxa de 1000 kmol total/h (64365,225 kg total/h), a uma concentração molar de 55,55% (kmol de n- butano/kmol total) (50,16% kg de n-butano/kg total). A recuperação de n-butano no topo da coluna foi 98,4%, correspondente à concentração molar de 98,00% (kmol de n-butano/kmol total) (97,53% kg/kg) com uma vazão de 558 kmol total/h (32587,758 kg total/h). A recuperação de i-pentano na base da coluna foi de 97,4%, correspondente à concentração molar de 98,00% (kmol de i- pentano/kmol total) (98,38% kg/kg). O projeto inicial da coluna de destilação convencional compreende 26 estágios (incluindo condensador e refervedor), alimentação no estágio 14 (contando da base para o topo), razão de refluxo de 2,49 e nenhum refervedor intermediário. A adição de um refervedor intermediário de 4,9 MW à 90 °C no estágio 9 (da base para o topo) da coluna, é responsável por uma diminuição de utilidade consumida no refervedor principal, mas também por uma recuperação menos eficiente de n-butano no topo da coluna (Tabela 3). Para manter a mesma taxa de recuperação, é necessário ou elevar em aproximadamente 14% a taxa de refluxo para 2,835 ou adicionar seis estágios convencionais à coluna, logo abaixo do refervedor intermediário. Esta adição pode ser inviável em casos nos quais a coluna já esteja construída e, portanto, a altura do casco da coluna é fixa. No entanto, é possível substituir os estágios de destilação convencional abaixo do refervedor intermediário por estágios de paradestilação. Neste exemplo, a coluna inicial possuía 7 estágios (7 bandejas) imediatamente abaixo do refervedor intermediário, sem contar o refervedor principal. Mantendo-se a altura do casco e a distância entre estágios subsequentes fixas, é possível substituir os 7 estágios de destilação convencional por 14 de paradestilação com β=2 ou 21 com β=3. Os resultados, indicados na Tabela 3, demonstram que a substituição dos estágios de destilação convencional por estágios deparadestilação(viabiliza a introdução do refervedor intermediário, sem necessidade de ajuste da altura da coluna,e exigindo somente um pequeno aumento, de menos do que 5%,da razão de refluxo (2,61 para β=2 ou 2,58 β=3).

[0082] As duas soluções alternativas propostas, combinando destilação convencional com paradestilação, com preservação da altura da coluna, envolvem um consumo total de energia de 10,41 e10,33 MW, respectivamente, sendo 4,90 MW fornecidos à temperatura pouco acima de 90oC e o restante à temperatura pouco acima de 104°C (temperatura do fundo da coluna), enquanto na coluna convencional o consumo total de 10,06 MW deve ser fornecido em temperatura pouco acima de 104°C. Desta forma, a solução proposta amplia as possíveis fontes de calor para aquecer o equipamento sem a necessidade de alterar a altura da coluna, viabilizando utilizar fontes de calor disponíveis a menor temperatura, assim como reduziro custo associado ao uso de utilidades, em função de parcela das mesmas ser derivada de fontes de menor temperatura. Tabela 3. Resultados para introdução de refervedor intermediário na coluna de destilação de hidrocarbonetos

[0083] REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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[0097] MIZSEY, P.; MÉSZÁROS, I.; FONYÓ, Z. Computer evaluation of distillation processes with parallel streams. HungarianJournalof Industrial Chemistry, v. 21, n. 1, p. 51-58, 1993.

[0098] SOARES PINTO, F.; ZEMP, R.; JOBSON, M.; SMITH, R. Thermodynamic optimisation of distillation columns. ChemicalEngineering Science, v. 66, n. 13, p. 2920-2934, 2011.

[0099] ZHANG, J. Patente CN 201775974U: Double helix liquid homodromous flow tower. China, 2011a.

[00100] ZHANG, J. Patente CN 201799131U: Liquid parallel flow combination tower. China, 2011b.

[00101] ZHANG, J. Patente CN 101905089B: Liquid parallel flow composite tower. China, 2012.

[00102] ZHANG, J.; SUN, Y. Patente CN 101905088B: Stereo mass transfer liquid co-flow tower. China, 2012.

Claims (15)

1. Coluna de destilação com técnicas combinadas caracterizada por compreender: a) Uma construção interna em estágios adaptados com meios que permitam a transferência de componentes entre um meio líquido e um meio vapor através de pelo menos duas técnicas de destilação, sendo pelo menos uma dessas técnicas de destilação escolhida dentre uma destilação por correntes paralelas; b) Pelo menos uma entrada intermediária de alimentação, localizada entre pelo menos um condensador e pelo menos um refervedor; e c) Opcionalmente, um estágio de prato único para alimentação da coluna e/ou meios, incluindo prato único, para retirada lateral de conteúdo da coluna sob a forma de vapor ou líquido.

2. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicação 1, caracterizada pela técnica de destilação ser selecionada do grupo que compreende destilação convencional e correntes paralelas.

3. Coluna de destilação, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada pela técnica de destilação por correntes paralelas ser selecionada dentre metadestilação e paradestilação.

4. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizadapor compreender pelo menos um condensador no topo.

5. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizadapor compreender, opcionalmente, condensadores intermediários.

6. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizada por compreender pelo menos um refervedor na base do equipamento.

7. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1, 2, 3 e 6, caracterizada por compreender, opcionalmente, refervedores intermediários.

8. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizada por compreender uma técnica de destilação selecionada dentre destilação convencional, acima do prato único de alimentação ou de retirada lateral, e uma técnica selecionada dentre metadestilação e paradestilação, ou a combinação destas abaixo do prato único de alimentação ou de retirada lateral.

9. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizada por compreender uma técnica de destilação selecionada dentre metadestilação, acima do prato único de alimentação ou de retirada lateral, e uma técnica selecionada dentre destilação convencional e paradestilação, ou a combinação destas abaixo do prato único de alimentação ou de retirada lateral.

10. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizada por compreender uma técnica de destilação selecionada dentre paradestilação, acima do prato único de alimentação ou de retirada lateral, e uma técnica selecionada dentre destilação convencional, metadestilação, ou a combinação destas abaixo do prato único de alimentação ou de retirada lateral.

11. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizada por compreender uma técnica de destilação selecionada dentre paradestilação, abaixo de refervedor intermediário, e uma técnica selecionada dentre destilação convencional e metadestilação, ou a combinação destas acima do refervedor intermediário.

12. Coluna de destilação, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizada por compreender a técnica de paradestilação acima de condensador intermediário, e compreender uma técnica de destilação selecionada dentre destilação convencional, metadestilação, ou a combinação destas abaixo do condensador intermediário.

13. Processo de destilação com técnicas combinadas caracterizado por compreender o uso de uma coluna definida nas reivindicações 1 a 12 e compreendendo as etapas de: a1) Alimentação ao equipamento de pelo menos uma corrente externa da mistura a ser destilada, alimentada sob a forma líquida, ou de vapor ou combinação de ambas as formas, preferencialmente em um prato único de alimentação; a2) Retirada de pelo menos um produto de topo (destilado) do processo, como corrente de saída do condensadorlocalizado no topo de equipamento; a3) Retirada de pelo menos um produto de fundo do processo, como corrente líquida de saída do refervedor situado na base do equipamento; e a4) Operação da coluna em condições de pressão e temperatura adequadas à mistura a ser destilada; a5) Opcionalmente, admitir a alimentação de outras correntes ao equipamento, alimentadas sob a forma líquida, ou de vapor ou combinação destas, preferencialmente em pratos únicos de alimentação; e a6) Opcionalmente, admitir a retirada de outros produtos do processo como correntes de retirada lateral, preferencialmente a partir de pratos únicos, Sendo que na etapa (a2) a corrente de saída pode ser selecionada dentre líquida, vapor; e as etapas (a1) a (a6) são simultâneas e contínuas.

14. Processo, de acordo com c reivindicação 13, caracterizado, opcionalmente, pelo fato de a vazão de refluxo que retorna à coluna de destilação ser obtida a partir dos conjuntos de condensadores localizados no topo do equipamento que condensam os vapores de menor concentração em produtos voláteis, enquanto a vazão de destilado deve ser obtida a partir dos conjuntos de condensadores que condensam os vapores com maior concentração em produtos voláteis.

15. Processo, de acordo com as reivindicações 13, caracterizado pelo fato de a vazão de vapor que retorna à coluna de destilação em sua base ser obtida a partir dos refervedores localizados na base do equipamento que recebem os líquidos de maior concentração em produtos voláteis, enquanto a vazão de produto de fundo deve ser obtida a partir dos refervedores que recebem os líquidos com menor concentração em produtos voláteis ou diretamente das bandejas junto ao fundo do equipamento que gerem os líquidos com menor concentração de produtos voláteis.