Método automatizado de determinação da pressão de operação para evitar a solidificação de CO₂ em colunas de destilação

Processos de destilação em baixas temperaturas para separação de misturas contendo CO₂, como na purificação de biogás e no processamento de gás natural com alto teor de CO₂, estão sujeitos à formação de CO₂ sólido. Esse fenômeno se impõe como uma restrição operacional que, se não observada, compromete a confiabilidade de simulações desse sistema, inviabilizando estudos paramétricos e otimização. Para evitar esse problema, a destilação pode ser realizada a alta pressão, deslocando as temperaturas do sistema para fora das regiões de equilíbrio do sólido com líquido e/ou vapor. Todavia, a aproximação da pressão de operação com a região crítica intensifica dificuldades numéricas e penaliza o desempenho da separação. Assim, neste trabalho foi desenvolvido um método sistemático para determinação da pressão de operação adequada para prevenção do congelamento de CO₂ em colunas de destilação. A ferramenta foi implementada em Python como um auxiliar à simulação no Aspen HYSYS®, permitindo a automação completa da análise. Para cada estágio da coluna, são avaliadas as temperaturas de solidificação do CO₂ a partir das fases líquida e vapor e as distâncias que os fluidos estão destas temperaturas. O problema é formulado como a busca da pressão mínima que satisfaça em toda a coluna uma margem de temperatura em relação ao congelamento especificada. A solução é obtida por um algoritmo não derivativo em duas etapas: uma varredura progressiva de pressão, garantindo convergência da simulação, seguida de refinamento pelo método da bisseção. Essa abordagem mostrou-se robusta frente à natureza do processo: não linear, com pontos não diferenciáveis e descontinuidades. O método foi validado para a destilação do sistema CH₄-CO₂, com erro de até 0,02% na pressão em relação à literatura, podendo também ser aplicado a misturas multicomponentes. A ferramenta desenvolvida fornece uma base consistente para o projeto e a otimização de colunas de destilação operando sob risco de solidificação de CO₂.