Desenvolvimento de protótipo para destilação em filme líquido descendente assistido por termossifão

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2020.Em um cenário específico que demandava uma unidade de destilação compacta, a equipe do Centro de Pesquisas da Petrobras acordou termo de cooperação com o Departamento de Engenharia Química e o Departamento de Mecânica, ambos da UFSC, para este fim. O objeto do acordo era validar o conceito de uma unidade de destilação com filme descendente e intensificada por termossifão, duas tecnologias existentes nesses departamentos: a de projeto e construção de unidade de destilação diabática e a de termossifões e tubos de calor. Os objetivos deste trabalho são a construção de duas unidades, uma primeira em vidro e uma segunda em aço, o levantamento de dados experimentais, a realização de uma análise criteriosa destes resultados e a proposição de uma explicação fenomenológica para uma unidade que foge ao convencional. O presente trabalho detalha aspectos construtivos fundamentais para o entendimento do funcionamento da unidade, os resultados que validaram o conceito e levanta questões conceituais. O aquecimento por termossifão permite um controle natural do fornecimento de energia de forma a garantir um regime adequado à destilação, evitando o fornecimento excessivo de energia como geralmente ocorre nos evaporadores em filme descendente. Foi introduzida uma técnica para estabelecer perfil térmico no termossifão, com o emprego ou não de gases não condensáveis (GNC), criando regiões de aquecimento no lado do destilador. A operação sem GNC gera um perfil isotérmico, enquanto a operação com os gases gera um perfil variável e com o topo mais frio. O escoamento em filme forma naturalmente um escoamento ondulado e com oscilações. Deste modo cria regiões móveis, sendo umas mais propícias para o transporte de energia e outras para o superaquecimento da superfície sólida. A combinação desses fenômenos influencia o vapor ascendente possibilitando a ocorrência de condensação, ou seja, reciclo; e outras regiões propícias à formação de microebulição. As unidades foram construídas com o objetivo da validação do conceito, e não para o estudo fenomenológico.Abstarct: As a result of a specific scenario that demanded a compact distillation unit, the Petrobras Research Center team agreed on a cooperation agreement with the Department of Chemical Engineering and the Department of Mechanics, both from UFSC, for this purpose. The object of the agreement was to validate the concept of a thermosiphon intensified descending film distillation unit, which combined two existing technologies in these departments: the design and construction of a diabatic distillation unit and the design and construction of thermosiphons and heat pipes. The objectives of this work are the construction of two units, the first in glass and the second in steel, the collection of experimental data, the realization of a careful analysis of these results and the proposition of a phenomenological explanation for a unit that differs from the conventional. The present work details fundamental constructive aspects for the understanding of the functioning of the unit, the results that validated the concept and raises conceptual questions. Thermosiphon heating allows natural control of the energy supply in order to guarantee an adequate regime for distillation, avoiding the excessive supply of energy, as usually occurs in the descending film evaporators. In addition, a technique was implemented to establish a thermal profile in the thermosiphon in order to create different heating regions on the side of the distiller, with or without the use of non-condensable gases (CNG). The operation without non-condensable gases generates a uniform temperature profile, while the operation with the gases generates a gradient temperature profile with the cooler top. The film flow naturally forms a waves flow with oscillations. In this way, it creates mobile regions, some of which are more favorable to energy transport and others more favorable to overheat the solid surface. The combination of these phenomena influences the rising vapor, enabling the formation of condensation regions, that is, recycling; and other regions favorable to the formation of microbubbles, that is, microboiling. The units were built for the purpose of validating the concept, and not for phenomenological study. In this way, it is proposed to build bench scale units that enable the study and modeling of these phenomena in order to incorporate them in a model for this class of distillation units