Comparative study of batch distillation operating with constant reflux and constant distillate composion.

Este trabalho tem por objetivo comparar dois modos de operação de destilação em batelada: com refluxo constante e composição do destilado constante. Desenvolveuse um modelo matemático para a destilação em batelada de uma mistura binária (metanol-etanol) para operação com cada um destes modos. O modelo consiste basicamente dos balanços de massa e entalpia, relações e diagramas de equilíbrio líquido-vapor (composição de equilíbrio, temperaturas de bolha e orvalho da mistura), estimativa das propriedades físico-químicas da mistura (calor específico, calor latente de vaporização), determinação do número de estágios ideais necessários à separação (pelo método de McCabe-Thiele), cálculo de cargas térmicas no refervedor e condensador, consumo de utilidades (vapor de água e água de resfriamento), estimativa do tempo de destilação e alguns aspectos econômicos sobre o processo (custos de equipamentos e operacionais, capacidade de produção, lucro mensal). Implementou-se em uma planilha eletrônica este modelo para as simulações matemáticas e análise técnico-econômica do processo. Em escala de laboratório (foram realizados, ao todo, oito ensaios, quatro de refluxo constante e quatro de refluxo variável, utilizando uma coluna de pratos perfurados), constatou-se uma boa concordância entre estes resultados experimentais e os calculados a partir da modelagem. Em seguida, estudaram-se, isoladamente em cada modo de operação e de modo comparativo, as principais variáveis de processo (taxa de refluxo, composição do destilado, quantidade de carga, vazão de destilado, etc.) através de simulações matemáticas, tanto no cenário de uma unidade existente como no caso do projeto de uma instalação nova. Para uma instalação existente, verificou-se, que no modo de destilação com composição de destilado constante, mantendo-se a vazão do vapor de topo constante, o tempo de destilação é menor, a capacidade de destilação é maior, resultando em maior lucro mensal. Para uma instalação a ser projetada, de novo, o processo mais vantajoso é o de refluxo variável e vazão de vapor do topo constante, pois requer menores áreas dos trocadores de calor para uma dada separação num tempo fixo de processo. No entanto, para o processamento de uma dada quantidade num mesmo tempo, à medida que se adota, no projeto, um número maior de estágios de separação na coluna, a diferença de lucro mensal torna-se praticamente indistinta para os modos de destilação estudados.The aim of this study is to compare two operational methods of batch distillation of a binary system (methanolethanol): constant reflux and constant distillate composition. A phenomenological modeling concerning each mode was developed. It was based on material and enthalpy balances, equilibrium relationships, estimation of physical properties (specific heat and latent vaporization heat of mixtures), determination of ideal stages number (using McCabe-Thiele method), calculation of rebolier and condenser thermal loads and areas, steam and cooling water requirement, distillation time and some economical aspects. The mathematical model was implemented into an electronic spreadsheet. The predicted values were compared to experimental results from eight tests carried out in a laboratory sieve tray column (four at constant reflux and four at constant distillate composition), and a good consistency was found. Then several case studies concerning each distillation mode as well as the comparative performance were accomplished through mathematical simulations. Evaluation of the basic process variables such as reflux rate, initial load, distillate composition and flow rate was done. Rating of an existing plant and design of a new installation were considered in this process analysis. For an existing installation, lower distillation time, as well as higher distillation capacity and monthly profit were observed when distilling with constant distillate composition, keeping constant the flow rate of vapor from the column top. This process is also the more advantageous one when designing a new plant since smaller heat exchanger areas are required. However, to process a quantity in a same time, in a design of a new plan, as number of separation stages increases, monthly profit becomes almost the same among the studied distillation modes