Processos envolvendo transferência de massa estão entre as principais operações unitárias hoje na indústria. Devido à sempre crescente necessidade de produção de químicos-commodities, a destilação e a absorção ainda estão entre as técnicas mais extensamente utilizadas para a produção e/ou separação de componentes.
A principal consequência deste fato é que existe esforço constante para que haja melhorias significativas com relação aos internos de colunas, visando ora aumentar a capacidade produtiva da coluna, ora aumentar sua eficiência. Neste sentido, os recheios estruturados representam uma evolução tecnológica significativa com relação aos internos de colunas.
| Apesar da redução de perda de carga, estes recheios tinham uma performance pobre com relação à eficiência de transferência de massa, e por este motivo tem uso hoje praticamente restrito à aplicações em transferência de calor.
As primeiras duas gerações de recheios estruturados, desenvolvidas posteriormente, consistiam de telas metálicas e apesar da boa eficiência, tinham aplicação limitada a torres de destilação a vácuo. No entanto, foi o advento dos recheios estruturados constituídos de placas metálicas corrugadas que veio a revolucionar a tecnologia dos internos para transferência de massa. |
Desenho esquemático de Torre de Absorção |
A necessidade de recheios com maior eficiência combinada com perdas de carga extremamente baixas levou ao desenvolvimento de recheios com estrutura regular e estruturada.
O conceito de recheios estruturados surgiu idealmente de testes com recheios aleatórios dispostos ordenadamente nas colunas, apelidados assim de recheios arrumados. Posteriormente grades foram desenvolvidas para o mesmo fim.
Recheio Aleatório Cross-Partition Ring, ainda hoje utilizado como Recheio Arrumado.
Recheio Estruturado Metálico de Placas Corrugadas Clark Solutions MaxiPack® 250 |
Primeiramente, estes recheios eram significativamente mais baratos que aqueles de telas metálicas, apesar de à época serem ainda muito mais caros que os recheios aleatórios (nos anos 70, seu valor podia ser até cem vezes mais caro que os recheios aleatórios. Porém hoje em dia sua tecnologia foi enormemente barateada, e existem casos onde há grande proximidade nos valores entre os dois recheios). No entanto, os ganhos advindos do processo eram extremamente compensatórios. A começar, a perda de carga deste modelo de recheios é significantemente menor do que a de qualquer outro interno de alto desempenho desenvolvido até então, comparável com a baixa perda de carga observada nas grades já descritas. Ainda, a eficiência no transporte de massa em diversos casos mostrou-se bastante superior aos recheios estruturados e às bandejas.
A baixa perda de carga dos recheios estruturados deve-se à quase completa ausência de arraste de líquido pelo gás e ao fator de forma desses recheios. A perda de carga existente pode ser quase completamente atribuída ao arraste viscoso que ocorre pela presença do filme de líquido formado sobre a parede do interno. Este fenômeno contribui para sua eficiência no transporte de massa, pois aumenta a turbulência interfacial e a renovação do filme de líquido sobre a superfície do recheio. |
A alta eficiência dos recheios estruturados é decorrente do molhamento quase completo de sua superfície, aumentando assim a área efetiva de troca de massa. Não obstante, o já citado arraste viscoso promove turbulência no filme de líquido sobre a superfície do recheio, aumentando a transferência de massa. Para auxiliar a formação desta região turbulenta, a superfície do recheio é, muitas vezes, texturizada. A superfície dos recheios pode também ser perfurada, promovendo a mistura entre diferentes partes do recheio, fazendo com que os dois lados da lâmina sejam molhados mesmo em altas vazões de líquido (evitando o efeito oposto onde apenas um lado da lâmina é molhado preferivelmente, conhecido como blanking).
Detalhe de superfície do recheio estruturado recheios MaxiPack® 250, realçando o Corrugamento, Textura e Furos em sua superfície.
Por aliar baixa perda de carga e alta eficiência, hoje os recheios estruturados são a primeira escolha para design e revamps colunas à vácuo ou em pressões moderadas, para aumento de capacidade ou eficiência especialmente em situações livres de riscos severos de incrustação e polimerização. Existe, no entanto, limitações de uso em casos de alta pressão, que podem ser atribuídos por descolamento do líquido da parede, backmixing e outros efeitos. Ainda assim, existem casos onde mesmo em altas pressões estes recheios podem ser considerados.
Resumidamente, os conceitos mais relevantes quando são considerados estes recheios são:
Perda de Carga – Seu valor por estágio teórico muito menor que outros internos, seu valor cresce com o aumento no fluxo de vapor ou de líquido.
Capacidade Limite – Definida como Ponto no qual a operação da coluna deixa de ser controlável. Quando o recheio aproxima-se do afogamento, pequenos incrementos na razão de líquido ou vapor podem levar à um acentuado ou brusco aumento de perda de carga e holdup de líquido, causando excerssiva retenção do mesmo na coluna. Acima deste valor, a eficiência de trocas também é prejudicada.
A Capacidade Limite de recheios estruturados como decorrido, é altamente dependente de seu modelo e geometria, e é frequentemente bastante superior a de outros internos.
Holdup de Líquido – Retenção de líquido na coluna promovida pela presença do recheio. Seu valor cresce com o aumento no fluxo de líquido.
HETP – Altura Equivalente a um Prato Teórico, ou estágio de equilíbrio na transferência de massa. Em recheios estruturados, é pouco sensível às condições de carga da coluna sobre operação normal, e sendo praticamente a mesma para diferentes pressões de operação. No entanto pode ser prejudicada por uma má distribuição de líquido.
A geometria dos Recheios Estruturados é um fator essencial para o seu desempenho. Os recheios estruturados de placas metálicas são fabricados a partir de finas lâminas de metal corrugadas (crimpadas), arranjadas paralelamente entre si. As lâminas corrugadas são agrupadas em elementos (ou blocos) de altura padrão, que são montados preenchendo a secção horizontal das colunas. Cada lâmina é crimpada com um ângulo de direção fixo com relação ao eixo vertical. Este ângulo foi originalmente concebido como 45°, entretanto através da motivação do aumento de capacidade destes recheios, foram produzidos internos com direção de crimp angulada em 60°.
Comumente, os recheios com ângulo de 45° são conhecidos como modelo “Y”, e os recheios com ângulo de 60° são conhecidos como modelo “X”. Observa-se que os recheios de modelo Y permitem que o líquido possua um tempo de residência maior na torre aumentando assim a eficiência do recheio. No entanto a maior verticalização dos canais confere ao modelo X maior capacidade.
Desenhos esquemáticos para o ângulo de corrugado. Esquerda, modelo Y (45·). Direita, Modelo X (60·).
A geometria do recheio estruturado têm impacto direto sobre sua performance. Devido ao corrugamento de sua superfície, duas lâminas adjacentes formam canais para escoamento dos fluidos, cuja área de escoamento é diretamente influenciada pelas medidas do corrugado. Medidas menores de corrugado fazem com que as lâminas de metal fiquem mais compactas e próximas entre si, aumentando assim a área específica de troca. No entanto, por reduzir o tamanho da área do canal, cria-se maior resistência ao gás que ascende a coluna, aumentando a perda de carga e reduzindo a capacidade do recheio, além de reduzir sua resistência à incrustação.
O desenho abaixo exemplifica este fato esquematizando a vista de cima do recheio estruturado. Para uma mesma área selecionada, com a redução das dimensões do crimp observada no desenho da direita, mais lâminas cabem no mesmo espaço aumentando comparativamente a área para transferência de massa do recheio. No entanto a redução dos canais impõe maiores limitações hidrodinâmicas ao recheio. Apesar deste fato, estas são usualmente menores que as de recheios aleatórios e pratos, estes modelos de alta eficiência em transferência de massa são responsáveis por reduzir a altura de torres dimensionadas para os mesmos, uma vez que outros internos com menor eficiência requererão maiores volumes ou espaçamento de internos.
Vista de cima de um recheio estruturado evidenciando os canais formados pelas lâminas |
Desenho esquemático ilustrativo comparando a área dos canais vistos de cima variando o tamanho do crimp (à esquerda uma altura de corrugação maior e à direita uma menor, evidenciando a diferença da área e canais obtida) |
Para garantir distribuição uniforme de gás e líquido, cada folha metálica é agrupada consecutivamente com uma rotação de 90° na direção radial.
Desenho esquemático mostrando os canais formados entre duas placas rotacionadas em 90°
Além das diferenças citadas entre os modelos X e Y, outro elemento geométrico aos recheios estruturados tem sido empregado, cada vez mais. Trata-se de verticalizar a inclinação do crimp próximo às extremidades superiores e inferiores de cada bloco de recheio. O acúmulo de líquido e o afogamento de colunas recheadas com recheios estruturados ocorrem nas regiões de transição entre elementos.
Nesta nova configuração, onde em certos casos a chapa metálica do recheio adquire formato em “S”, a drenagem do acúmulo de líquido na região de transição entre blocos é facilitada. Desta forma o recheio tem um salto enorme em capacidade, sem que haja substancial diferença em sua eficiência de transferência de massa. Assim, são nomeados como modelo X ou Y de Alta Capacidade.
Desenho esquemático do perfil convencional (esquerda) e do perfil em S para Alta Capacidade (direita).
A consolidação dos recheios estruturados metálicos levou ao desenvolvimento de técnicas para que possam ser montados em diferentes materiais. Hoje existem também recheios estruturados cerâmicos e plásticos, que podem ser aplicados em casos onde o metal seria inoperante.
A distribuição de líquido é um cuidado especial que deve ser tomado em recheios estruturados, pois uma má distribuição inicial tente a se estender ao longo do recheio podendo fazer com que a eficiência dos mesmos decresça. Para tanto é importante avaliar se o número de pontos de distribuição é adequado, garantir que o distribuidor esteja adequadamente instalado e nivelado e, especialmente, certificar-se que todos os pontos de distribuição estejam funcionais e desbloqueados.
Desenho de Exemplo de Distribuidor utilizado em Torres com Recheios Estruturados
Para garantir uma redistribuição adequada do líquido entre os blocos de recheio estruturado, durante a montagem do mesmo os cada layer de blocos é rotacionado em 90° normalmente com relação ao próximo layer, de forma a quebrar a continuidade do sentido de fluxo dos canais forçando o líquido a mudar de direção. É importante que os layers sejam rotacionados sempre com o mesmo ângulo e mantendo sempre a mesma direção de rotação.
Devido a sua natureza altamente organizada, os procedimentos de instalação dos recheios estruturados são mais específicos que os de recheios aleatórios, uma vez que uma má instalação pode ocasionar queda no desempenho destes recheios.
| Recheios Estruturados vêm em blocos de dimensão padronizada para que entrem com facilidade através de uma boca de visita. Recomenda-se que cada camada de recheio estruturado (ou parte dela, no caso de torres de diâmetros grandes) seja montada anteriormente do lado de fora da coluna para certificar-se que a configuração do recheio foi compreendida pelo instalador, auxiliando o montador a entender como cada layer de blocos deve ser rotacionado. Cuidado especial deve ser tomado no primeiro layer, para garantir que o recheio esteja adequadamente ajustado sobre o suporte de recheios.
Os recheios são relativamente frágeis, portanto não se deve andar diretamente sobre o recheio estruturado. Recomenda-se utilizar placas de compensado ou outras formas para distribuição do peso do instalador. Durante a instalação do primeiro leito, o instalador deve estar sobre o suporte de recheio ou suspenso durante a instalação. Deve-se atentar para que nenhuma destas placas para movimentação seja deixada na torre e deixada entre blocos. |
Desenho esquemático identificando por numeração diferentes padrões de blocos para preencher a seção diametral da torre |
Os pacotes de recheio devem ser corretamente dispostos de forma que não haja espaço livre entre eles e se acomodem ao costado do vaso. Em alguns casos, pode ser necessário preencher os espaços entre blocos com lâminas individuais de recheio ou tiras metálicas para que o mesmo acomode-se adequadamente ao vaso. Deve-se garantir, portanto, que não haja espaços suficientes para formação de caminhos preferenciais.
Devidamente instalados, os recheios estruturados fornecem perdas de carga extremamente baixas e alta eficiência de transferência de massa, fatores que frequentemente concorrem entre si.
Seja em revamps ou novos designs, recheios estruturados estão presentes em casos onde se pretende obter tamanhos menores de coluna, colunas mais eficientes, ou com maior capacidade. Tanto para desengargalar processos quanto para viabilizar outros novos, a tecnologia de internos para transferência de massa continua sendo constantemente desenvolvida. Os recheios estruturados são um marco desta tecnologia, que vêm evoluindo a fim de buscar novas soluções, mais baratas e mais eficientes.
A Clark Solutions fabrica, no Brasil, uma linha completa de recheios estruturados, aleatórios e demais internos para colunas de destilação, absorção, stripping e tratamente de ar e gases.