Destilação fracionada em batelada do óleo essencial de cravo-da-índia : experimentos, modelagem termodinâmica e simulação

Abstract

Os óleos essenciais consistem em uma mistura complexa de hidrocarbonetos terpênicos presentes no metabolismo secundário dos vegetais. Estes compostos possuem propriedades bactericidas, fungicidas e antioxidantes, indicando a obtenção de frações enriquecidas dos óleos essenciais em componentes específicos. A técnica recomendada para esse fracionamento é a destilação fracionada em batelada a vácuo, porém a modelagem e simulação deste processo são pouco estudadas devido ao reduzido número de propriedades termofísicas de terpenos disponível como a pressão de vapor dos componentes puros e os coeficientes de atividade dos componentes presentes na mistura líquida. Diante deste cenário, este trabalho visa o estudo teórico-experimental do fracionamento do óleo essencial de cravo-da-índia em uma coluna de destilação fracionada em batelada que opera a vácuo. A pressão de vapor dos componentes majoritários do óleo essencial de cravo-da-índia, eugenol e β-cariofileno, foi determinada a partir dos resultados da termogravimetria (TG-DTA). Estes foram aplicados à equação modificada de Langmuir e modelados pela equação de Antoine estendida e o resultado obtido foi comparado com a resposta do método preditivo CSGC-PVR. Os parâmetros binários dos modelos de coeficiente de atividade NRTL, Wilson e UNIQUAC foram estimados a partir de regressão de dados experimentais de equilíbrio líquido-vapor da mistura dos compostos majoritários obtidos num Ebuliômetro de Fischer. Em paralelo, o emprego do modelo COSMO-SAC foi utilizado na predição dos coeficientes de atividade e comparado com os resultados experimentais. A simulação do processo de destilação fracionada a vácuo foi realizada no software Aspen Plus ®, com a inserção das propriedades obtidas experimentalmente. O óleo essencial puro e as frações obtidas foram analisados por cromatografia gasosa/espectrometria de massa (GC/EM). Os dados de equilíbrio líquido-vapor apresentaram a azeotropia da mistura, dificultando a separação dos compostos na destilação fracionada simples. Os modelos de pressão de vapor e coeficiente atividade escolhidos apresentaram boa representatividade dos dados experimentais e evidenciaram a necessidade do seu uso frente a métodos preditivos.

Essential oils are a complex mixture of terpenic hydrocarbons, present in the secondary metabolism of vegetables. The constituent compounds have bactericidal, fungicidal and antioxidant properties, indicating the obtaining of enriched fractions of essential oils in specific components. The recommended technique for this fractionation is vacuum batch fractional distillation, but the modeling and simulation of this process are poorly studied due to the reduced number of thermophysical properties of terpenes available such as pure component vapor pressure and component activity coefficients present in the liquid mixture. Due to this scenario, this work aims the theoretical-experimental study of the fractionation of clove essential oil in a batch fractionated distillation column that operates in vacuum. The vapor pressure of the major components of clove essential oil, eugenol and β-caryophyllene, was determined from the thermogravimetry (TG-DTA) results. These were applied to the modified Langmuir equation and modeled by the extended Antoine equation and the result obtained was compared with the response of CSGC-PVR predictive method. The binary parameters of the NRTL, Wilson and UNIQUAC activity coefficient models were estimated from regression of experimental liquid-vapor equilibrium data of the mixture of major compounds obtained in a Fischer Ebuliometer. In parallel, the use of the COSMO-SAC model was used to predict the activity coefficients and compared with the experimental results. The simulation of the vacuum fractional distillation process was performed using the Aspen Plus ® software, with the insertion of the properties obtained experimentally. The pure essential oil and the obtained fractions were analyzed by gas chromatography / mass spectrometry (GC/MS). The liquid-vapor equilibrium data showed the azeotropy of the mixture, making it difficult to separate the compounds by simple fractional distillation. The vapor pressure and activity coefficient models chosen presented a good representation of the experimental data and showed the need for their use instead of predictive methods.