Processos de Separação I

MEB

2008/09

2º. Sem.

Edmundo Gomes de Azevedo

DEQB, IST

http://web.ist.utl.pt/egazevedo/

egazevedo@ist.utl.pt

11º. Andar, Torre Química

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Destilação por Andares:

Misturas Multicomponentes

A fraccionação de misturas multicomponentes numa coluna de destilação permite apenas a separação entre dois componentes.

Exemplo: mistura dos componentes A, B, C, D, etc.,

Uma coluna de destilação separa os componentes

A e B

ou

C e D

componentes chave

Especificam-se um máximo de duas composições correspondentes a doisdos n componentes da mistura

Composições no destilado e no resíduo são especificadas – os mais importantes

em termos de destilação (queremos separar estes dois de todos os outros

constituintes da mistura multicomponente)

Componentes chave

O mais volátil

Chave leve (lightkey, LK)

A ser separado e concentrado no destilado

O menos volátil

Chave pesada (heavy key, HK),

A ser concentrado no resíduo

Componentes não-chave

Leves (LNK) Pesados

(Mais voláteis que a chave leve)

(Menos voláteis que a chave pesada)

(HNK)

Componentes chave

Aparecem em quantidade significativa nas correntes dos produtos no topo (LK) e na base da da coluna (HK)

São especificados

Componentes não chave

Não chave leves (LNK): saem exclusivamente no destilado

Não chave pesados (HNK): saem apenas no resíduo

As suas composições no topo e no fundo da coluna resultam das relações entre as variáveis envolvidas nos balanços de massa e resultantes das condições de equilíbrio líquido-vapor e não podem ser especificadas

Requer a resolução iterativa das equações

Para evitar esta resolução iterativa, podemos simplificar estes cálculos nas situações em que ocorrem simultaneamente:

• Não há componentes de volatilidade intermédia entre os componentes chave

• Pretende-se uma boa separação entre os componentes chave

Já existem equações suficientes para determinar as composições do destilado e

do resíduo e podem pois efectuar-se cálculos andar a andar

Todos os componentes mais voláteis que a chave leve aparecem unicamente no destilado (isto é, é zero a sua concentração no resíduo) pois só os componentes

chave se distribuem entre o topo e o fundo da coluna, existindo separação apenas entre os dois componentes chave

Além destes métodos rigorosos (que envolvem a resolução das equações dos balanços mássicos e energéticos e das equações de

equilíbrio) existem métodos aproximados para o cálculo de colunas de destilação de misturas multicomponentes

ExemploUma mistura multicomponente cuja composição está indicada na tabela seguinte foi destilada numa coluna

de pratos tendo-se obtido um destilado e um resíduo com as composições apresentadas na tabela.

Identifique os componentes desta mistura que são:

a) A chave leve.

b) A chave pesada.

c) Não chave leve.

d) Não chave pesada.

Resolução:

a) Os componentes chave: componentes da mistura da alimentação sobre os quais especificamos a separação

Propano

n-Butano

(LK)

(HK)

c) Por exemplo, o metano (ou o etano) não é uma chave leve pois a sua composição (e quantidade) é especificada apenas numa das correntes (destilado).

Os restantes componentes são não-chaves.

Os não chaves que são mais voláteis que a chave leve são denominados não chaves leves, LNK (light non-key).

Os não chaves que são menos voláteis que a chave pesada são denominados não chaves leves, LNK (light non-key).

Metano e o etano: não chaves leves

Pentano e o hexano: não chaves pesadas

LK

HK

Método FUG

• Método aproximado

• Permite obter o número de andares ideais necessários paraseparar os componentes de uma mistura multicomponente

• Segue uma sequência de passos

Fenske-Underwood-Gilliland (FUG)

Baseia-se nas seguintes hipóteses:

Só os componentes chave se distribuem em quantidades significativas pelas correntes que saem da coluna (topo e fundo)

Os caudais molares são constantes de prato para prato

As volatilidades relativas entre componentes, aA,B, são constantes

Os componentes chave: saem em quantidade significativa nas correntes do topo e da base da coluna.

Não-chave leves saem só no destilado; e as não-chave pesadas só no resíduo

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Refluxo Total

minR N N

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Refluxo Mínimo

minR R N

Passo Equação Condição Para calcular:

1 Fenske Refluxo total

(R ∞)

Nmin

(Número mínimo de andares)(inclui ebulidor parcial)

2 Underwood N ∞ Rmin

(Refluxo mínimo)

3 Refluxo real R = f(Rmin) R = (1.2-1.5)Rmin

4 Gilliland Refluxo finito Número de andares ideais, N

5 Kirkbride Refluxo finito Localização óptima do andar

da alimentação

Método FUG

LK HK dest

LK HK resmin

LK,HK

( / )ln

( / )

ln

x x

x xN

a

Taxa de recuperação (em vez da fracção molar do componente i no destilado

ou no resíduo):moles de na corrente

taxa de recuperação de =moles de na alimentação

ii

i

Taxa de recuperação de A no destilado:A

A destA

(FR )x D

z F

(FRA)dest + (FRA)res = 1

Fenske:(Nmin)

A B dest A dest B res

A B res A dest B resmin

A,B A,B

(FR / FR ) (FR ) (FR )ln ln

(FR / FR ) [(1 FR ) ][1 FR ]

ln lnN

a a

Underwood:(Rmin)

,HK ,F

,HK1

1

ni i

ii

xq

a

a

,HK ,Dmin

,HK1

1

ni i

ii

xR

a

a

(variável auxiliar)

Rmin

volatilidade de cada compo-

nente em relação à HK

equação de grau n das n raízes escolhe-se o valor

de tal que obedece à relação

LK,HK1 a

Refluxo real:

min (1.2-1.5)R R

Gilliland:(N)

relações empíricas entre o número de andares de equilíbrio e a razão de refluxo, sabendo Nmin, R e Rmin

Eq. Underwood

Eq. Fenske

Alternativa:correlação gráfica de Gilliland

0.5668min min0.75 0.751 1

N N R R

N R

Localização óptima do andar da alimentação:

Usar equação de Fenske para estimar onde seria a localização do prato da

alimentação se o refluxo fosse total

Determinação do número de andares necessários para ir das composições dos

compostos chave na alimentação até às composições no destilado

LK LK

HK HKdest alimentF,min

LK,HK

ln /

ln

x z

x zN

a

Admitindo constante a localização relativa da alimentação quando alteramos o refluxo

total para um valor finito, a localização real da alimentação é

F,min F

min

N N

N N

Alternativa:Equação de Kirkbride:

0.2062

HK,F LK,Brectif

esgot LK,F HK,D

z xN W

N z x D

FUG: Sequência de cálculo

Identificar os compostos chave-leve e a chave-pesada.

Estimar as distribuições dos componentes não-chave e calcular as composições do destilado e do resíduo.

Obter aLK,HK.

Obter Nmin da equação de Fenske.

Calcular a distribuição dos componentes não chave.

Calcular Rmin = (L/D)min usando as equações de Underwood.

Especificar a razão de refluxo, R, que se pretende utilizar.

Calcular o número de andares de equilíbrio através da relação de Gilliland.

Determinar a localização óptima do andar da alimentação.