Operaes Unitrias

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CURSO DE FORMAO DE OPERADORES DE REFINARIAOPERAES UNITRIAS

2Operaes Unitrias

Operaes Unitrias

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CURITIBA2002

OPERAES UNITRIASVALTER ROITMAN

Equipe Petrobras

Petrobras / Abastecimento

UNs: Repar, Regap, Replan, Refap, RPBC, Recap, SIX, Revap

4Operaes Unitrias

665.53 Roitman, Valter.R741 Curso de formao de operadores de refinaria: operaes unitrias /

Valter Roitman. Curitiba : PETROBRAS : UnicenP, 2002.50 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Financiado pelas UN: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC,RECAP, SIX, REVAP.

1. Operao unitria. 2. Qumica. 3. Balano. I. Ttulo.

Operaes Unitrias

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Apresentao

com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe voc.Para continuarmos buscando excelncia em resultados, dife-

renciao em servios e competncia tecnolgica, precisamos devoc e de seu perfil empreendedor.

Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre oCentro Universitrio Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representadapela UN-Repar, buscando a construo dos materiais pedaggicosque auxiliaro os Cursos de Formao de Operadores de Refinaria.Estes materiais mdulos didticos, slides de apresentao, planosde aula, gabaritos de atividades procuram integrar os saberes tc-nico-prticos dos operadores com as teorias; desta forma no po-dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como umprocesso contnuo e permanente de aprimoramento, caracterizadopela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades daPetrobras.

Contamos, portanto, com a sua disposio para buscar outrasfontes, colocar questes aos instrutores e turma, enfim, aprofundarseu conhecimento, capacitando-se para sua nova profisso naPetrobras.

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Escreva uma frase para acompanh-lo durante todo o mdulo.

6Operaes Unitrias

Sumrio1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE

OPERAES UNITRIAS ................................................... 71.1 Introduo ....................................................................... 71.2 Conceitos Fundamentais ................................................. 7

1.2.1 Converso de unidades ........................................ 71.3 Balano Material ............................................................. 81.4 Balano Energtico ......................................................... 81.5 Sugesto para aplicao nos clculos

de Balanos Mssicos e Energticos .............................. 8

2 PROCESSO DE DESTILAO ............................................. 92.1 Introduo ....................................................................... 92.2 Conceitos Fundamentais ................................................. 9

2.2.1 Volatilidade .......................................................... 92.2.2 Equilbrio Lquido Vapor .................................. 9

2.3 Destilao Descontnua ou Destilao Simples ............. 92.3.1 Balano Material e Trmico .............................. 10

2.4 Destilao por Expanso Brusca ou Destilaoem um nico Estgio ................................................... 102.4.1 Balano Material ............................................... 102.4.2 Balano Trmico ............................................... 10

2.5 Destilao Fracionada .................................................. 102.5.1 Colunas de destilao ou de retificao ............. 112.5.2 Sees de uma Coluna de destilao ................ 132.5.3 Balano Material ............................................... 142.5.4 Balano Trmico ............................................... 152.5.5 Influncia das principais variveis

na destilao fracionada .................................... 152.6 Fatores que influenciam as principais variveis

na destilao fracionada .............................................. 162.6.1 Propriedades da carga ....................................... 162.6.2 Eficincia dos dispositivos de separao

das torres (Pratos) .............................................. 172.7 Problemas que podem ocorrer em bandejas

de colunas de destilao .............................................. 172.7.1 Problema de arraste ........................................... 172.7.2 Problema de Pulsao ....................................... 172.7.3 Problema de vazamento de lquido ................... 172.7.4 Problema de inundao ..................................... 18

3 PROCESSOS DE ABSORO E ESGOTAMENTO ........ 193.1 Introduo .................................................................... 193.2 Conceitos ..................................................................... 19

3.2.1 Absoro ........................................................... 193.2.2 Esgotamento ...................................................... 19

3.3 Solubridade de Gases em Lquidos ............................. 193.4 Potencial que promove a absoro .............................. 213.5 Refluxo Interno Mnimo .............................................. 21

3.5.1 Absoro ........................................................... 213.5.2 Esgotamento ...................................................... 21

3.6 Resumo dos Fatores que Influenciam osProcessos de Absoro e Esgotamento ........................ 21

3.7 Equipamentos .............................................................. 22

4 PROCESSOS DE EXTRAO LQUIDO-LQUIDO ........ 234.1 Introduo .................................................................... 234.2 Conceito ....................................................................... 234.3 Mecanismo da Extrao .............................................. 234.4 Equipamentos do Processo de Extrao ...................... 24

4.4.1 De um nico estgio .......................................... 244.4.2 De mltiplos estgios ........................................ 24

4.5 Equilbrio entre as Fases Lquidas ............................... 254.6 Fatores que influenciam a Extrao ............................ 26

4.6.2 Qualidade do solvente ....................................... 264.6.3 Influncia da temperatura ................................. 26

5 FLUIDIZAO DE SLIDOS E SEPARAO SLIDO 275.1 Fluidizao de slidos .................................................... 27

5.1.1 Conceito ............................................................ 275.1.2 Objetivo da Fluidizao .................................... 275.1.3 Tipos de Fluidizao ......................................... 275.1.4 Dimenses do Leito Fluidizado ........................ 27

5.2 Separao slido-gs ................................................... 285.2.2 Arranjos entre os Ciclones ................................ 285.2.1 Fatores que influenciam o funcionamento

de um Ciclone ................................................... 285.3 Noes bsicas do processo de Craqueamento

Cataltico ...................................................................... 29

6 BOMBAS ............................................................................. 316.1 Curvas caractersticas de Bombas Centrfugas ........... 316.2 Curva da carga (H) versus vazo volumtrica (Q) ...... 316.3 Curva de potncia absorvida (PABS.) versus

vazo volumtrica (Q) ................................................. 326.4 Curva de rendimento (h) versus vazo

volumtrica (Q) ............................................................ 336.5 Curvas caractersticas de Bombas ............................... 336.6 Altura Manomtrica do Sistema .................................. 336.7 Construo grfica da Curva de um Sistema .............. 346.8 Ponto de Trabalho ........................................................ 34

6.8.1 Alterao da Curva (H x Q) do Sistema ........... 356.8.2 Fatores que influenciam a Curva

(H x Q) da Bomba ............................................. 356.9 Fenmeno da Cavitao ............................................... 35

6.9.1 Inconvenientes da Cavitao ............................ 356.9.2 Principal Regio da Cavitao .......................... 356.9.3 Causas Secundrias da Cavitao ..................... 36

6.10 NPSH (Net Pressure Suction Head) ............................ 366.10.1NPSH disponvel ............................................... 376.10.2NPSH requerido ................................................ 376.10.3NPSH disponvel versus NPSH requerido ........ 37

6.11 Associao de Bombas ................................................ 376.11.1Associao de Bombas em Srie ...................... 376.11.2Associao de Bombas em Paralelo .................. 38

Operaes Unitrias

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1ConceitosFundamentais sobreOperaes Unitrias1.1 Introduo

A disciplina denominada Operaes Uni-trias aquela que classifica e estuda, separa-damente, os principais processos fsico-qumi-cos utilizados na indstria qumica. Os pro-cessos mais comuns encontrados nas indstriasqumicas so a Destilao Atmosfrica e aVcuo, os processos de Absoro e Adsor-o, a Extrao Lquido-Lquido e Lqui-do-Gs, o processo de Filtrao, assim comoalguns mais especficos, como por exemplo, oCraqueamento Cataltico, Hidrocraquea-mento, Hidrotratamento de correntes ins-tveis e outros utilizados principalmente na In-dstria Petrolfera.

1.2 Conceitos FundamentaisAlguns conhecimentos so fundamentais

para que se possa estudar de forma adequada adisciplina denominada Operaes Unitrias,como conhecimentos sobre converso de uni-dades, unidades que podem ser medidas linea-res, de rea, de volume, de massa, de presso,de temperatura, de energia, de potncia. Outroconceito-base para Operaes Unitrias ode Balano, tanto Material quanto Energtico.

1.2.1 Converso de unidades necessrio conhecer as correlaes exis-

tentes entre medidas muito utilizadas na In-dstria Qumica, como o caso das medidasde temperatura, de presso, de energia, demassa, de rea, de volume, de potncia e ou-tras que esto sempre sendo correlacionadas.

Alguns exemplos de correlaes entre medidas li-neares

1 ft = 12 in1 in = 2,54 cm1 m = 3,28 ft1 m = 100 cm = 1.000 mm1 milha = 1,61 km1 milha = 5.280 ft1 km = 1.000 m

Alguns exemplos de correlaes entre reas1 ft2 = 144 in2 1 m2 = 10,76 ft21 alqueire = 24.200 m2 1 km2 = 106 m2

Alguns exemplos de correlaes entre volumes1 ft3 = 28,32 L 1 ft3 = 7,481 gal1 gal = 3,785 L 1 bbl = 42 gal1 m3 = 35,31 ft3 1 bbl = 0,159 1 m3

Alguns exemplos de correlaes entre massas1 kg = 2,2 lb 1 lb = 454 g1 kg = 1.000 g 1 t = 1.000 kg

Alguns exemplos de correlaes entre presses1 atm = 1,033 kgf/cm21 atm = 14,7 psi (lbf/in2)1 atm = 30 in Hg1 atm = 10,3 m H2O1 atm = 760 mm Hg1 atm = 34 ft H2O1 Kpa = 102 kgf/cm2

Algumas observaes sobre medies depresso:

Presso Absoluta = Presso Relativa +Presso Atmosfrica

Presso Baromtrica = Presso Atmos-frica

Presso Manomtrica = Presso Rela-tiva

Alguns exemplos de correlaes entre temperaturastC = (5/9)(tF 32)tC = (9/5)(tC) + 32tK = tC + 273tR = tF + 460 (temperatures absolutas)

Algumas observaes sobre medies detemperatura:

Zero absoluto = 273C ou 460F(DC/DF) = 1,8(DK/DR) = 1,8

8Operaes UnitriasAlguns exemplos de correlaes entre potncias1 HP = 1,014 CV 1 HP = 42,44 BTU/min1KW = 1,341 HP 1 HP = 550 ft.lbf/s1KW = 1 KJ/s 1 KWh = 3.600 J1KW = 1.248 KVA

Alguns exemplos de correlaes de energia1 Kcal = 3,97 BTU 1BTU = 252 cal1BTU = 778 ft.lbf 1Kcal = 3,088 ft.lbf1Kcal = 4,1868 KJ

1.3 Balano MaterialComo se sabe, na natureza nada se cria,

nada se destri, tudo se transforma, ou seja, amatria no criada e muito menos destruda,e, portanto, num balano material envolvendoum certo sistema, a massa que neste entra de-ver ser a mesma que dele estar saindo. Noprocessamento uma tonelada, por exemplo, porhora de petrleo em uma refinaria, obtm-seexatamente uma tonelada por hora de produ-tos derivados deste processo, como gs com-bustvel, GLP, gasolina, querosene, diesel eleo combustvel. A queima de um combust-vel em um forno ou em uma caldeira outroexemplo, porm menos evidente em que ocorreo mesmo balano de massa: pode-se citar quedurante a queima de 1 tonelada de um certocombustvel em um forno ou uma caldeira,considerando-se que so necessrias 13 tone-ladas de ar atmosfrico, tem-se como resulta-do 14 toneladas de gases de combusto.

Em um Balano Material, no se deve con-fundir massa com volume, pois as massas es-pecficas dos produtos so diferentes. Assim,um balano material dever ser realizado sem-pre em massa, pois a massa de um certo pro-duto que entra em um certo sistema, mesmoque transformada em outros produtos, sempreser a mesma que est saindo deste sistema,enquanto os volumes sofrem variao confor-me a densidade de cada produto.

1.4 Balano EnergticoExistem diversos tipos de energia, por exem-

plo, Calor, Trabalho, Energia de um corpo emmovimento, Energia Potencial (um corpo emposio elevada), Energia eltrica e outras.

Assim como a matria, a energia de umsistema no pode ser destruda, somente po-der ser transformada em outros tipos de ener-gia, como por exemplo, o motor de uma bom-ba que consome energia eltrica e a transfor-ma em energia de movimento do lquido, ca-lor e energia de presso.

A gua, no alto de um reservatrio, aomovimentar um gerador, transforma sua ener-gia potencial em energia eltrica, calor e ener-gia de movimento (energia cintica). Nestecaso, o balano de energia do sistema poderiaser representado pela seguinte expresso:

Energia Potencial da gua do reservatrio =Energia eltrica fornecida pelo gerador + ca-lor de aquecimento do gerador + Energia demovimento da gua aps a turbina.

No caso de um forno ou uma caldeira queaquece um certo lquido, o balano de energiaobservado ser:

Calor liberado pela queima do combustvel =Calor contido nos gases de combusto quesaem do forno ou da caldeira + Calor contidonos produtos que deixam o forno ou a caldeira.

importante ressaltar que, muito emboraas diversas formas de energia sejam medidasem unidades diferentes, tais como, energia el-trica em KWh, trabalho em HP . h, calor emcaloria, em um balano energtico necess-rio que todas as formas de energia envolvidasno balano estejam expressas na mesma uni-dade de energia.

1.5 Sugesto para aplicao nos clculosde Balanos Mssicos e Energticos

Como regra geral, antes de iniciar clcu-los que evolvam balanos mssicos e/ou ba-lanos energticos, deve-se:

a) transformar todas as vazes volumtri-cas em vazes mssicas, pois o balan-o deve ser realizado sempre em mas-sa, uma vez que a vazo em massa novaria com a temperatura.

b) faa um esquema simplificado do pro-cesso em que sero realizados os ba-lanos;

c) identifique com smbolos, as vazes eas composies de todas as correntesenvolvidas nos processos em que es-to sendo realizados os balanos;

d) anote, no esquema simplificado de pro-cesso, todos os dados de processo dis-ponveis como vazes, composies,temperaturas, presses, etc;

e) verificar que composies so conhe-cidas ou podem ser calculadas;

f) verificar quais vazes mssicas soconhecidas ou podem ser calculadas;

g) selecionar a base de clculo conveni-ente a ser adotada para o incio da re-soluo do problema.

Operaes Unitrias

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2Processo deDestilao2.1 Introduo

A destilao uma operao que permitea separao de misturas de lquidos em seuscomponentes puros ou prximos da pureza, pormeio de evaporao e condensao dos com-ponentes em questo. Na destilao, portanto,pode-se afirmar que o agente de separao ocalor, pois o vapor formado tem composiodiferente da mistura original.

O processo de destilao muito utiliza-do em toda a indstria qumica, como porexemplo, na obteno de lcool retificado deuma mistura de fermentao, ou ainda, na in-dstria petrolfera para a separao das fraescontidas no petrleo bruto, como gs combus-tvel, GLP, nafta, querosene, diesel, gasleo,leo combustvel. um processo muito utili-zado tambm na indstria petroqumica, paraa separao de fraes da nafta petroqumica.

2.2 Conceitos FundamentaisAlguns conceitos so fundamentais para

a melhor compreenso do mecanismo de se-parao que ocorre na destilao, so eles avolatilidade e o equilbrio lquido vapor.

2.2.1 VolatilidadeA separao em uma coluna de destilao

acontece devido volatilidade relativa de umcomponente com relao ao outro. Geralmen-te, salvo raras excees, a frao mais voltilem uma mistura aquela que em estado puropossui maior presso de vapor, ou seja, temmaior tendncia a evaporar. Como exemplo,tem-se que, devido ao critrio massa molar, ometano mais voltil do que o etano, que porsua vez mais voltil que o propano, que porsua vez mais voltil que o butano e assimpor diante; ento a separao destes possvelutilizando-se o agente calor e equipamentosadequados, denominados colunas ou torres dedestilao para processos contnuos ou desti-ladores para processos descontnuos ou embateladas.

2.2.2 Equilbrio Lquido VaporAo colocar em recipiente sob vcuo, de-

terminada quantidade de uma mistura lquida,por exemplo, uma mistura de hidrocarbone-tos, mantendo-se constante a temperatura desterecipiente, o lquido tender a vaporizar-se atque alcance a presso de equilbrio entre a fasevapor e a fase lquida, isto , as molculas dafase lquida passaro para a fase vapor, aumen-tando a presso do recipiente at que se tenhao equilbrio entre as fases lquido e vapor. Oponto de equilbrio atingido quando o n-mero de molculas que abandona o lquidopara a fase vapor exatamente igual ao nme-ro de molculas que abandona o vapor para afase lquida. Tem-se, a, o equilbrio termodi-nmico entre as fases lquido vapor.

2.3 Destilao Descontnua ou DestilaoSimples

A destilao simples ou descontnua reali-zada em bateladas.

Conforme possvel observar na figuraacima, a carga de lquido introduzida em umvaso provido de aquecimento, entrando emebulio. Os vapores so retirados pelo topoatravs do condensador, onde so liqefeitose coletados em outros recipientes.

A primeira poro do destilado ser a maisrica em componentes mais volteis. A medidaque prossegue a vaporizao, o produto va-porizado torna-se mais voltil e o lquido residualtorna-se menos voltil, pois o percentual de

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Operaes Unitriascomponentes leves no lquido residual vai sen-do esgotado. O destilado, que o vapor con-densado, poder ser coletado em pores se-paradas denominadas de cortes. Estes podemproduzir uma srie de produtos destilados comvrios graus de pureza. Ento, considerando-seuma mistura de trs substncias:

Substncia A Muito voltil e em pe-quena quantidade,

Substncia B Volatilidade mdia e emgrande quantidade,

Substncia C Muito pouco voltil e empequena quantidade.

Quando uma destilao em batelada oudestilao simples efetuada, o primeiro cor-te, pequeno, conteria predominantemente qua-se toda a substncia A, o segundo corte, gran-de, conteria quase toda a substncia B, pormestaria contaminado com um pouco das subs-tncias A e C, e o lquido residual seria, prati-camente, a substncia C pura. Assim sendo,apesar dos trs cortes conterem todas as trssubstncias, alguma separao teria ocorridoneste processo de destilao.

2.3.1 Balano Material e TrmicoNeste tipo de processo, muito difcil efe-

tuar um balano material e trmico de formainstantnea, uma vez que as temperaturas, as-sim como as composies do lquido e do va-por variam continuamente. evidente, porm,que, ao final desta operao, a soma do resduoe do destilado deve ser igual carga inicial do vaso.

2.4 Destilao por Expanso Brusca ouDestilao em um nico Estgio

O processo de destilao por expansobrusca uma operao em um nico estgio,no qual uma mistura lquida parcialmentevaporizada. As fases lquido e vapor resultan-tes deste processo so separadas e removidasda coluna. O vapor ser muito mais rico nasubstncia mais voltil do que na carga origi-nal ou no lquido residual.

Este tipo de operao muito utilizado naprimeira fase do fracionamento do petrleo emuma refinaria, pois esta torre reduz o tamanhoda torre de fracionamento atmosfrico.

2.4.1 Balano MaterialSegundo o princpio geral da conservao

da matria, o balano material para este pro-cesso pode ser escrito da seguinte forma:

F = D + W

Em que:F = vazo mssica de cargaD = vazo mssica de vaporW = vazo mssica de lquido

2.4.2 Balano Trmico De acordo com o princpio da conserva-

o de energia, o balano energtico para esteprocesso pode ser escrito da seguinte forma:

Calor que entra no sistema = Calor que sai do sistema QF + QA = QD + QW

Em que:QF = contedo de calor da cargaQA = contedo de calor cedido ao siste-

ma pelo aquecedorQD = contedo de calor da cargaQW = contedo de calor da carga

2.5 Destilao FracionadaA destilao fracionada o tipo de desti-

lao mais utilizada em indstrias de grandeporte. Nos dois tipos de destilao abordadosanteriormente, destilao em batelada e porexpanso brusca, a separao das diversassubstncias que compem a mistura realiza-da de forma imperfeita ou incompleta. Na des-tilao fracionada, possvel a separao emvrias fraes, em uma mesma coluna, poispode-se ter temperaturas, vazes e composi-es constantes em um dado ponto da coluna.

A destilao fracionada uma operaode separao de misturas por intermdio devaporizaes e condensaes sucessivas, que,aproveitando as diferentes volatilidades dassubstncias, torna possvel o enriquecimentoda parte vaporizada, com as substncias maisvolteis. Estas vaporizaes e condensaessucessivas so efetuadas em equipamentosespecficos, denominados de torres ou colu-nas de destilao.

O processo, em linhas gerais, funcionacomo esquematizado na figura a seguir:

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A mistura a ser destilada introduzidanum ponto mdio da coluna, ponto F, denomi-nado ponto de alimentao. No seu interior, amistura ir descer at atingir a base da colunaonde encontrar aquecimento do refervedor.O refervedor, um trocador de calor aquecidopor vapor d'gua ou outra fonte trmica qual-quer, aquecer a mistura at atingir sua tem-peratura de ebulio. Neste ponto, a misturaemitir vapores que iro circular em sentidoascendente na coluna, em contracorrente coma mistura da alimentao da coluna. Os vapo-res ascendentes atingiro o topo da coluna eiro para um condensador, onde sero liqe-feitos e deixaro a coluna como produto dedestilao, D. Na base da coluna, a mistura,isenta de componentes mais volteis, deixa oequipamento como produto residual, W.

O processo, resume-se, ento, em alimen-tar a coluna de destilao com a mistura quese quer separar, F, no ponto mdio da coluna; fa-zer a circulao ascendente do vapor em contra-corrente com o lquido descendente da coluna, comremoo do destilado, D, no topo da torre e dolquido residual, W, no fundo da coluna.

A volatilidade relativa do produto a ser des-tilado permite a separao dos componentesmais volteis, e o contato ntimo entre as faseslquida e vapor ao longo da coluna promove aperfeita separao dos componentes desejados.

Para melhorar a separao das fraes de-sejadas, utiliza-se o retorno de parte do desti-lado, D, na forma de refluxo, Lo, que enrique-ce o produto de topo da coluna, D, com pro-dutos mais volteis, melhorando a pureza doproduto destilado, D.

Como pode ser observado, neste processono existem reaes qumicas, somente trocatrmica, devido ao refervedor de fundo e aocondensador de topo, e tambm troca de mas-sa entre o vapor ascendente e o lquido des-cendente no interior da coluna de destilao.

2.5.1 Colunas de destilao ou de retificaoAs colunas de destilao so constitudas

por trs partes essenciais:

Refervedor, geralmente, encontrado na base da co-

luna de destilao, conforme pode ser obser-vado na figura a seguir:

Sua finalidade proceder o aquecimentoda base e, em conseqncia, promover a eva-porao dos componentes mais volteis. Po-dem ser construdos com dispositivos de aque-cimento com vapor d'gua, por aquecimentocom circulao de fraes de leos quentes ou,at mesmo, atravs de resistncias eltricas.Os vapores formados na base da coluna circu-laro de forma ascendente. Parte destes serocondensados ao longo do percurso na torre,retornando na forma lquida, permitindo, des-ta forma, um contato ntimo entre o vapor as-cendente e o lquido descendente ao longo datorre. Dependendo do tipo de interno da colu-na, o contato entre a fase lquida e vapor po-der atingir nveis que melhoraro as condi-es da separao desejada.

Na coluna de destilao, os componentesmais pesados da mistura condensam eretornam base da coluna, de onde so retira-dos como lquido residual, W. Os componen-tes mais leves atingem o topo da coluna e soretirados como produto destilado, D, aps pas-sarem pelo condensador.

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Operaes UnitriasCondensador

Tem como finalidade proceder conden-sao dos vapores leves que atingem o topoda coluna. Aps a condensao, tem-se o pro-duto destilado desejado, D, com a composi-o especificada.

O processo requer, portanto, dois troca-dores de calor, ambos de mudana de fase,refervedor procedendo a vaporizao e ocondensador efetuando a condensao dasfraes. Em alguns projetos, o refervedorpoder ser substitudo por uma injeo de va-por d'gua no fundo da coluna de destilao.

Tipos de Torres de DestilaoNa coluna, h o contato entre as fases l-

quida e vapor. O problema resume-se em con-tato perfeito entre as fases, e conseqentemen-te, a altura da torre deve ser adequada ao tipode separao que se deseja. A cada misturacorresponder uma altura definida de coluna,que poder ser perfeitamente calculada para aseparao desejada. Existem trs tipos conven-cionais de colunas de destilao: colunas compratos e borbulhadores, colunas com pratosperfurados e colunas com recheios. Todas fun-cionam com o mesmo princpio, ou seja, pro-mover de forma mais perfeita possvel o con-tato entre as fases lquido e vapor.

Colunas com pratos e borbulhadoresSo as mais usuais e tambm podem ser

denominadas de bandejas. Colunas destetipo adotam pratos ou bandejas superpostas eque variam em nmero e detalhes conforme amistura que se pretende destilar. Os pratos soconstitudos por borbulhadores, tubos de as-censo e de retorno, conforme apresentado nafigura a seguir.

Onde:1 Borbulhador2 Tubo de ascenso3 Tubo de retornoV VaporL LquidoOs borbulhadores so dispositivos com

formato cilndrico, com aparncia de um copodotado de ranhuras laterais at certa altura,conforme figura a seguir.

Os borbulhadores so fixados sobre ostubos de ascenso dos vapores e destinados circulao ascendente do vapor de um prato aoutro. Sobre cada tubo de ascenso, encontra-se um borbulhador. O tubo de retorno temcomo finalidade fazer o retorno, prato a prato,do excedente da fase lquida condensada so-bre o prato. Assim sendo, existe sobre cadaprato ou bandeja, um nvel de lquido constante,regulado pela altura do tubo de retorno, e quedeve corresponder ao nvel do topo dos borbu-lhadores. Os borbulhadores so dispostos de talforma que fiquem na mesma altura do incio dotubo de retorno de lquido, a fim de que se tenhauma ligeira imerso na camada lquida.

Os vapores devem circular em contracor-rente com o lquido, ou melhor, de forma as-cendente, passando pelos tubos de ascenso,borbulhando atravs das ranhuras dos borbu-lhadores e condensando em parte nas bande-jas e parte retornando bandeja imediatamen-te inferior.

Os tubos de retorno funcionam tambmcomo selos hidrulicos, impedindo que o va-por circule atravs deles.

A figura a seguir ilustra bem o que foicomentado anteriormente:

Operaes Unitrias

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Colunas com pratos perfuradosNeste tipo de coluna, os pratos com bor-

bulhadores so substitudos por pratos dota-dos de perfuraes, cujo dimetro varia entre0,8 e 3 mm. O funcionamento idntico scolunas que utilizam pratos com borbulhado-res. Geralmente, neste tipo de coluna, no exis-te o tubo de retorno e os pratos ocupam toda aseo da coluna, porm existem projetos emque as colunas com pratos perfurados so do-tadas de tubo de retorno.

Colunas com RecheioNeste tipo de coluna, os pratos ou bande-

jas so substitudos por corpos slidos comformatos definidos. Estes corpos, denomina-dos recheios, podem ser anis do tipo Rachig,Pall, Lessing ou ainda selas do tipo Berl,Intalox e outros. Alguns destes recheios po-dem ser observados na figura seguinte.

A finalidade do recheio provocar o con-tato das fases lquido-vapor. Os corpos do re-cheio devem ser de alta resistncia corroso,razo pela qual so, geralmente, de cermicaou de ao inoxidvel. Dependendo da tempe-ratura do processo pode-se utilizar tambmrecheios plsticos de alta resistncia.

As torres que utilizam recheios so muitocompetitivas com as torres que contm pratos

com borbulhadores ou pratos perfurados e apre-sentam ainda algumas vantagens, tais como:

1. geralmente so projetos mais econmi-cos, por serem mais simplificados;

2. apresentam pequena perda de carga;3. no esto sujeitas s formaes de es-

puma.Os recheios so disponibilizados em se-

es, sobre suportes de sustentao, o que im-pede uma compactao e/ou uma descompac-tao localizada, que formaria caminhos pre-ferenciais ao longo da coluna.

O tamanho dos elementos dos recheios,geralmente, variam entre 0,5 e 8 cm.

2.5.2 Sees de uma Coluna de destilaoComo visto anteriormente, em uma colu-

na de destilao, o vapor da mistura que sai deum prato atravessa o lquido do prato superior,deixando seus componentes menos volteis.O calor liberado pela condensao destes com-ponentes vaporiza, ento, os compostos maisvolteis do lquido contido no prato superior.Existe, portanto, uma troca de calor e massaao longo das bandejas da torre e nota-se que, medida que se sobe na coluna, os vapores tor-nam-se mais volteis (mais leves) e, medidaque se desce na coluna, os lquidos tornam-semenos volteis (mais pesados).

Seo de enriquecimento ou absoro a parte da coluna compreendida entre o

prato de entrada da carga e o topo da coluna.Nesta seo, so concentradas as fraes ousubstncias mais leves (mais volteis), ou seja,em todos os pratos acima do prato de alimen-tao, a percentagem de compostos mais le-ves maior do que na carga. As substnciasmais pesadas so removidas dos vapores queascendem, pelo refluxo interno de lquido quedesce pelo interior da torre, lquido que tam-bm denominado como refluxo interno.

Seo de esgotamento a parte da coluna compreendida entre o

prato de entrada da carga e o fundo da coluna.Nesta seo so concentradas as fraes ousubstncias mais pesadas (menos volteis), ouseja, em todos os pratos abaixo do prato dealimentao, a percentagem de compostosmais pesados maior do que na carga. Os com-ponentes ou substncias mais pesadas, so re-movidos dos vapores que ascendem, pelo re-fluxo de lquido que desce pelo interior da tor-re, tambm denominado de refluxo interno.

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Operaes Unitrias

2.5.3 Balano MaterialNeste processo, o balano material deve-

r ser realizado nas vrias sees da coluna,conforme figura a seguir:

Em que:V = vazo mssica do vapor de topoD = vazo mssica do produto de topoL = vazo mssica do refluxo externoF = vazo mssica da cargaW = vazo mssica do produto de fundoVm = vazo mssica de vapor na seo

de absoroVn = vazo mssica de vapor na seo

de esgotamentoLm = vazo mssica de lquido na seo

de absoro (refluxo interno)Ln = vazo mssica de lquido na seo

de esgotamento (refluxo interno)QC = calor retirado pelo condensadorQR = calor introduzido pelo refervedorqF = calor contido na cargaqD = calor contido no produto de topoqW = calor contido no produto de fundo

Operaes Unitrias

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Os principais balanos materiais para esteprocesso so:

Na envoltria I:

F = D + W

Na envoltria II:

Vm = Lm + D

Na envoltria III:

Ln = Vn + W

No condensador:

V = L + D

2.5.4 Balano TrmicoOs principais balanos materiais para este

processo so:

Balano Trmico Global

F . qF + Qr = D . qD + W . qW + QC (1)

Como possvel observar na expresso(1), o calor retirado do condensador, QC, de-pende do calor introduzido no sistema pelorefervedor, Qr, uma vez que os demais termosda expresso so fixados por projeto.

Balano trmico no condensador

V . qV = L . qL + D . qD + QC (2)

Sabe-se que, qL = qD e V = L + D, por-tanto a equao (2) pode ser reescrita comouma nova expresso:

(L + D) . qV = L . qL + D . qL + QC (L + D) . qV = (L + D) . qL + QC(L + D) . qV (L + D) . qL = QC (L + D) . (qV qL) = QC

(L + D) = QC / (qV qL)

(qV qL) = Calor de condensao do vapor detopo da coluna de destilao.

2.5.5 Influncia das principais variveis nadestilao fracionada

A figura a seguir ser utilizada para quepossam ser feitas as observaes necessriassobre a influncia das principais variveis queocorrem neste tipo de processo.

Razo de RefluxoNas torres de destilao fracionada existem

dois tipos de refluxo, externo e o interno, quegeram, desta forma, as razes de refluxo exter-na e interna. A razo de refluxo interna aconte-ce tanto na regio de absoro, quanto na re-gio de esgotamento. As seguintes expressespodem ser escritas para as razes de refluxo:

Razo de refluxo externo:

Re = ( L/D)

Razo de refluxo interna: Na seo de absoro:

(Ri)abs = ( Lm / Vm )

Na seo de esgotamento:

(Ri)esg = ( Vn / Ln )

O grau de fracionamento que acontece emuma coluna de destilao determinado pelasrazes de refluxo interna na torre, que por suavez so geradas a partir da carga e do refluxoexterno torre de destilao, ou seja, o reflu-xo interno na seo de absoro, Lm, geradopelo refluxo externo, L, enquanto que na se-o de esgotamento, Ln, gerado pelo refluxointerno Lm mais a carga F.

Na seo de enriquecimento ou absoro,quanto mais lquido Lm descer na torre porunidade de massa de vapor que sobe, tantomelhor ser a separao, pois, nesta seo, afinalidade reter os compostos pesados (me-nos volteis) contidos nos vapores. Quantomaior a razo (Lm/Vm), tanto melhor ser, en-to, o fracionamento nesta regio da torre dedestilao.

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Operaes UnitriasNa seo de esgotamento, tem-se o con-

trrio da seo de absoro, quanto mais va-por subir na torre por unidade de massa delquido que desce, melhor ser a separaonesta seo da torre, j que a finalidade, nes-ta regio, a remoo dos compostos leves(mais volteis) do lquido que desce pelatorre. Portanto, na seo de esgotamento,tambm denominada de stripping, quantomaior a razo (Vn / Ln), melhor ser o fracio-namento.

Resumindo, pode-se afirmar que, para umadeterminada coluna, o grau de fracionamento tanto maior quanto maior for a razo de re-fluxo interna.

Razo de Refluxo Versus nmero de pratos daColuna

Existe uma relao entre o nmero de pra-tos ou bandejas de uma coluna de destilao ea razo de refluxo interna ou externa desteequipamento.

Quanto menor for o nmero de pratos oubandejas de uma coluna, pior ser seu fracio-namento. Podem ser construdas torres comgrande nmero de pratos para operarem compequena razo de refluxo interna, assim comotorres com pequeno nmero de pratos e razesde refluxo interno elevadas, para uma cargacom as mesmas caractersticas.

Tendo em vista a relao anteriormentedescrita, a condio de refluxo ou razo derefluxo mnimo corresponder a uma colunacom um nmero infinito de pratos para queseja atingido o fracionamento desejado, assimcomo a condio de refluxo ou razo de reflu-xo total corresponder a uma coluna com umnmero mnimo de pratos para que o fracio-namento desejado seja atingido. Nenhumadestas condies satisfatria, uma vez queuma torre com nmero de pratos infinito umprojeto totalmente invivel economicamente,bem como a construo de uma coluna queno produza, pois para o refluxo total no setem retirada de produtos, como pode ser veri-ficado pelo clculo abaixo:

Na seo de absoro, o seguinte balanomaterial observado:

Vm = Lm + DLm = Vm D

Dividindo-se os dois termos da equaopor Vm, tem-se que:

(Lm / Vm) = 1 (D/Vm)

Quando ocorrer refluxo total, ento D = 0,logo:

(Lm / Vm) = 1 Lm = Vm, ou seja, a quan-tidade de lquido que desce na seo de absor-o igual quantidade de vapor que sobenesta seo, no havendo, portanto, produo.

Na seo de esgotamento, observa-se oseguinte balano material:

Ln = Vn + WVn = Ln W

Dividindo-se os dois termos da equaopor Ln, obtm-se que:

(Vn / Ln) = 1 (W/ Ln)

No caso da seo de esgotamento, todo olquido residual ser vaporizado no refervedor,ento W = 0, ento:

(Vn / Ln) = 1 Vn = Ln, isto , a quantida-de de vapor que sobe na seo de esgotamen-to igual quantidade de lquido que por eladesce e no h produo.

Quando a coluna operada, portanto, emrefluxo total, o fracionamento praticamenteperfeito, porm o gasto com energia muitoelevado e no h produo na coluna, o quetorna o processo economicamente invivel.

A relao entre o nmero de pratos ou es-tgios e a razo de refluxo pode ser observadano grfico a seguir:

A razo de refluxo interna mnima aquelaque corresponde a um refluxo externo, L, m-nimo, por conseqente, os projetos de colunasde destilao so concebidos prevendo-se,geralmente, um refluxo externo com valoresque variam entre 1,5 a 2 vezes o valor da ra-zo de refluxo mnima. Este valor denomi-nado razo de refluxo operacional, RR oper,como pode ser observado no grfico anterior.

2.6 Fatores que influenciam as principaisvariveis na destilao fracionada2.6.1 Propriedades da carga

Como cada carga a ser processada podeexibir uma caracterstica, pois as propores

Operaes Unitrias

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entre os componentes a serem separados po-dem ser diferentes, haver, ento, uma razode refluxo para cada carga a ser processada. Adiferena de volatilidade entre os componen-tes da carga, de uma torre de destilao fracio-nada, exerce grande influncia sobre as vari-veis citadas. Como exemplo, pode-se citar acomparao entre a separao de uma misturacontendo 50% de etano e 50% de eteno deoutra contendo 50% de hexano e 50% de eteno.No primeiro caso, a separao entre o etano eo eteno requer tanto uma quantidade de reflu-xo, bem como uma quantidade de estgios(pratos) na coluna muito maiores do que na daseparao da mistura entre o hexano e o eteno,pois estes dois ltimos compostos possuemgrande diferena de volatilidade.

2.6.2 Eficincia dos dispositivos de separaodas torres (Pratos)

Como mencionado, o componente ousubstncia que vaporiza a partir do lquido deum determinado prato da coluna mais vol-til que os componentes contidos no lquidodeste prato, e ainda que este vapor esteja emequilbrio com o lquido do prato, o nmerode molculas que abandona a fase lquida paraa fase vapor igual ao nmero de molculasque voltam da fase vapor para a fase lquida princpio do equilbrio. Para que o equilbrio,seja atingido necessrio um certo tempo decontato entre as fases. No caso do prato oubandeja de uma torre de destilao, este tem-po depende dos detalhes construtivos destabandeja: quanto mais alto o lquido contidoneste prato ou bandeja, maior ser o tempo decontato entre as fases, pois o lquido perma-necer mais tempo no prato, e, em consequn-cia o vapor gastar mais tempo para atravess-lo. O prato que conserva um maior nvel delquido aquele que mais se aproxima do equi-lbrio entre as fases lquido-vapor e, por isso, denominado de prato ideal. O prato ideal o dispositivo que permite o maior enriqueci-mento em componentes mais volteis do va-por que penetra no lquido deste prato.

A eficincia de um prato de uma colunade destilao fracionada poder ser quantifi-cada pelo enriquecimento de componentesmais volteis no lquido deste prato, que nocaso do prato ideal de 100%. O valor per-centual da eficincia de um prato real, em umacoluna de destilao fracionada, est entre 50e 80%, tanto maior, quanto melhor for o pro-jeto da torre, para as condies de operao

especificadas. Se, por exemplo, uma torre, pro-jetada para uma determinada condio e espe-cificao de carga, mudanas em suas carac-tersticas especificadas, a mesma no corres-ponder satisfatoriamente s condies inicial-mente previstas, diminuindo desta forma, suaeficincia e, conseqentemente, podendo com-prometer os resultados inicialmente previstospara aquele projeto. Portanto, o fracionamen-to em uma coluna de destilao depende daeficincia dos seus pratos.

2.7 Problemas que podem ocorrer embandejas de colunas de destilao2.7.1 Problema de arraste

O arraste o transporte, efetuado pelo va-por, de gotculas de lquido do prato inferiorpara os pratos superiores. A quantidade de l-quido arrastado depende da velocidade do va-por ao longo da torre. No arraste, o lquido doprato inferior contamina o lquido do pratosuperior com compostos pesados (menos vo-lteis), piorando o fracionamento ao longo dacoluna. O arraste pode ser provocado pelo au-mento da vazo volumtrica do vapor, que, porsua vez, pode ser decorrente da reduo dapresso em alguma regio da coluna.

As torres de destilao a vcuo so cons-trudas com um dimetro muito maior do queas torres de destilao atmosfricas, pois comosuas presses so muito baixas, provocam va-zes volumtricas muito elevadas.

2.7.2 Problema de PulsaoEste fenmeno ocorre quando a vazo de

vapor, que ascende de um prato inferior paraum superior da coluna, no tem presso sufi-ciente para vencer continuamente a perda decarga apresentada pela bandeja em questo. Ovapor, ento, cessa temporariamente sua pas-sagem por esta bandeja e, quando sua pressovolta a ser restabelecida, vence a perda de car-ga no prato de forma brusca. Assim diminui apresso do vapor quase que instantaneamentee cessa a passagem do vapor pelo prato atque seja novamente restabelecida sua presso.Esta situao permanece at que seja norma-lizada a condio de presso ao longo da coluna.

2.7.3 Problema de vazamento de lquido o fenmeno da passagem de lquido da

bandeja superior para a bandeja inferior, atra-vs dos orifcios dos dispositivos existentesnos pratos e que so destinados passagem

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Operaes Unitriasdo vapor. Este fenmeno ocorre, quando a va-zo de vapor baixa e a vazo de lquido excessivamente alta.

2.7.4 Problema de inundaoA inundao, em uma torre de destilao,

ocorre quando o nvel de lquido do tubo deretorno de um prato atinge o prato superior.Poder acontecer em regies localizadas natorre ou, caso o problema no seja soluciona-do a tempo, em uma das sees e at mesmo,na torre como um todo.

Anotaes

Operaes Unitrias

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3Processos de Absoroe Esgotamento3.1 Introduo

Como observado no captulo sobre o pro-cesso de destilao, nas colunas de destilaofracionada, a seo acima do ponto de alimen-tao da carga da torre denominada de seode absoro e a seo abaixo do ponto de ali-mentao da carga da torre denominada deseo de esgotamento. No entanto, existemprocessos que utilizam somente absoro ouesgotamento, e, de acordo com a necessidadedo processo, so projetadas torres que operamsomente com processos de absoro ou, en-to, apenas com processos de esgotamento.

As colunas de absoro e de esgotamen-to, geralmente, no possuem estgios de trocade calor, isto , no apresentam nem refervedor,nem condensador.

3.2 Conceitos3.2.1 Absoro

uma operao em que uma mistura ga-sosa, V1, colocada em contato com um lqui-do, L1, para nele serem dissolvidos um ou maiscompostos que se quer remover da misturagasosa. Geralmente, existe uma diferena devolatilidade muito grande entre os componen-tes da fase gasosa e os da fase lquida. Propor-ciona-se, com isso, somente a absoro doscomponentes mais pesados da mistura gaso-sa, sem a perda de componentes da misturalquida por evaporao.

3.2.2 Esgotamento a operao inversa da absoro, ou

seja, tem como finalidade remover compostosde um lquido, L1, utilizando-se uma correntede gs ou de vapor, V1, Neste caso, so utili-zados gases ou vapores totalmente insolveisno lquido ou ento gases ou vapores comvolatilidade muito mais alta do que o lquidoem questo.

Na realidade, tanto no processo de absor-o, quanto no processo de esgotamento, existeo mecanismo de transferncia de massa de umafase para outra. No caso da absoro, h trans-ferncia de compostos da fase gasosa para afase lquida e, no caso do processo de esgota-mento, h transferncia de compostos da l-quida para a fase gasosa.

3.3 Solubridade de Gases em LquidosQuando se coloca um gs em contato com

um lquido, num recipiente fechado numa certacondio de temperatura e presso, parte dasmolculas da fase gasosa passa, inicialmente,para a fase lquida, at que se atinja o ponto deequilbrio para estas condies de temperatu-ra e presso. Neste ponto, a concentrao dogs no lquido denominada de solubilidadede equilbrio do gs neste lquido, nas condi-es de temperatura e presso em questo.

% do gs = solubilidade de equilbrio.No exemplo acima, a fase gasosa cons-

tituda somente por um tipo determinado degs. No caso de haver uma mistura de duasou mais substncias gasosas, em que somen-te uma delas solvel no lquido, a solubi-lidade de equilbrio depender da pressoparcial deste gs, na mistura gasosa. O valor dapresso parcial de uma sustncia o percentual

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Operaes Unitriasmolecular desta substncia em relao pres-so total da mistura, ou seja:

(PParcial)A = (%molecularA / 100) x PTotal Por exemplo, numa mistura gasosa em

que a presso total do sistema de 20 kgf/cm2,tem-se 30% de molculas de propano; assim apresso parcial do propano na mistura destesistema ser: (30/100) x 20 = 6 kgf/cm2.

possvel relacionar a presso parcial de um determinado gs com a sua solubilidade deequilbrio num determinado lquido, e com isto, gerar grficos com curvas de solubilidade deequilbrio em funo da presso parcial de equilbrio, como pode ser observado a seguir.

A solubilidade de equilbrio de um de-terminado gs, a uma certa temperatura, emum determinado lquido, aumenta, com o au-mento da presso parcial do gs, ou ainda,com o aumento da concentrao do gs noreferido lquido, desde que a temperatura semantenha constante (vide figura a seguir).

Concentrao ou solubilidade de equilbrio.

Operaes Unitrias

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Como pode ser observado no grfico, como aumento da temperatura, a solubilidade dogs diminui. Na temperatura de 10C e comuma presso parcial de equilbrio de 50 mm Hg,a concentrao ou solubilidade de equilbrioda amnia em gua ser de 11%. Com a mes-ma presso parcial de 50 mm Hg, na tempera-tura de 30C, a concentrao ou solubilidadede equilbrio da amnia na gua ser de 5%.

3.4 Potencial que promove a absoroConforme abordado anteriormente, quan-

do um lquido e um gs esto em equilbrio (onmero de molculas da fase gasosa que pas-sa para a fase lquida igual ao nmero demolculas que passam da fase lquida para afase gasosa), nas condies de temperatura epresso estabelecidas no haver mais altera-o da concentrao do gs absorvido no l-quido. Porm, caso haja alterao, por exem-plo, da presso parcial do gs a ser absorvidopelo lquido, sem a alterao da varivel tem-peratura, ento ocorrer a passagem de mol-culas da fase gasosa para a fase lquida at anova situao de equilbrio.

Baseado nestes conceitos, o potencial,que promove a absoro de um gs A em umcerto lquido, poder ser equacionado da se-guinte forma:

(Potencial de absoro)A = (Presso Parcial)A (Presso Parcial de Equilbrio)A

Para ilustrar o assunto, pode-se tomar,como exemplo, o grfico anterior, que repre-senta amnia sendo absorvida em gua.

1 Exemplo:Qual ser o potencial de absoro da am-

nia em gua, temperatura de 30C, conside-rando-se que na gua existe uma concentra-o de amnia de 5%, com presso parcial de50 mm Hg?

Resposta: Como observado no grfico emquesto, para o valor de concentrao ou so-lubilidade de equilbrio igual a 0,05 e t = 30C,o resultado da presso parcial de equilbriocorresponde a 50 mm Hg. A fora motriz oupotencial de absoro para este caso ser:

(Fora Motriz) = 50 50 = 0, ou seja, nes-ta condio, o gs j est em equilbrio com olquido e no h, portanto, mais absoro.

2 Exemplo:Haveria absoro da amnia na gua no

exemplo 1, caso dobrasse a presso parcial da

amnia, mantendo-se a temperatura em 30C?Em caso positivo, qual seria a concentraoou solubilidade de equilbrio para esta novacondio?

Resposta: Nova presso parcial = 2 x 50 =100 mm Hg

(Fora Motriz) = 100 50 = 50 mm Hg,portanto como o potencial > 0, haver ab-soro.

De acordo com o grfico, para a nova con-dio de equilbrio, em que a presso parcial de 100 mm de Hg, na temperatura de 30C, anova condio de concentrao de amniacorresponderia a 8%.Nota: A presso parcial de equilbrio sempre obtidagraficamente, atravs das curvas de solubilidade.

3.5 Refluxo Interno MnimoNo caso dos processos de absoro e esgo-

tamento, existe uma razo de refluxo mnimo,para que a operao desejada seja efetuada.

3.5.1 AbsoroPara o processo de absoro, existe uma

relao L/V mnima, a fim de que a operaode absoro desejada possa ser efetuada. Quan-to maior a relao L/V, melhor ser a absor-o, pois o lquido, L, ficar menos concen-trado no composto a ser absorvido. Com oaumento da relao L/V, tem-se, assim, umaumento no potencial de absoro.

3.5.2 EsgotamentoNo caso do processo de esgotamento, exis-

te uma relao V/L mnima, para que a opera-o de esgotamento desejada possa ser efetua-da. Quanto maior a relao V/L, melhor sero esgotamento, pois o vapor, V, ficar menosconcentrado no composto a ser esgotado. Como aumento da relao V/L, haver, ento, umaumento no potencial de esgotamento.

3.6 Resumo dos Fatores que Influenciamos Processos de Absoro e Esgotamento

Favorece a absoro Favorece o esgotamentoAumento da presso do gs(aumento da presso parcialdo composto a ser absorvido)Reduo da temperaturaBaixa concentrao do com-posto a ser absorvido no lqui-do utilizado para a absoroAlta relao L/V

Reduo da presso do gs(reduo da presso parcial docomposto a ser esgotado)Aumento da temperaturaBaixa concentrao do com-posto a ser esgotado no vaporutilizado para o esgotamentoAlta relao V/L

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Operaes Unitrias

3.7 EquipamentosPara a operao de absoro e esgotamen-

to, so utilizados os mesmos equipamentos quepara a operao de destilao, principalmentetorres com recheios, embora torres com pra-tos com borbulhadores ou com pratos valvu-lados tambm sejam empregadas.

As torres com recheios so mais utiliza-das em processos de absoro, pois nesta ope-rao as vazes de lquido e vapor, geralmen-te, no sofrem muita alterao ao longo doprocesso. Na operao correta, a torre est cheiade gs e o lquido desce atravs da coluna. Orecheio, desta forma, est sempre coberto poruma camada de lquido permanentemente emcontato com o gs. A vazo de lquido no podeser muito pequena, caso contrrio o recheiono ficaria molhado de maneira uniforme. Avazo de vapor no pode ser excessivamentealta, pois dificultaria a descida do lquido natorre.

A transferncia de massa entre as fases promovida pelo recheio no interior da coluna.Este mantm o contato ntimo e contnuo en-tre as fases em toda a extenso de cada leitorecheado.

Anotaes

Operaes Unitrias

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4Processos de ExtraoLquido-Lquido4.1 Introduo

A operao denominada Extrao Lqui-do-Lquido empregada nos processos de se-parao de um ou mais compostos de umamistura lquida, quando estes no podem serseparados por destilao de forma economi-camente vivel.

Geralmente, tais separaes ocorrem nosseguintes casos:

a) os componentes a serem separados sopouco volteis seria necessrio, en-to, utilizar processos com temperatu-ras muito altas, combinadas com pres-ses muito baixas, com a finalidade deconseguir a separao desejada;

b) os componentes a serem separados tmaproximadamente as mesmas volatili-dades neste caso, seria necessria autilizao de colunas de destilao comum nmero muito grande de estgiosde separao (pratos), conseqente-mente torres muito elevadas, a fim deconseguir a separao desejada;

c) os componentes so susceptveis de-composio os compostos ou com-ponentes a serem separados sofrem de-composio quando atingem a tempe-ratura necessria para a separao;

d) o componente menos voltil que se querseparar est presente em quantidademuito pequena no seria economi-camente vivel, em tal situao, vapo-rizar toda a mistura lquida para ob-ter o produto desejado.

4.2 ConceitoO processo de Extrao Lquido-Lquido

a operao no qual um composto dissolvidoem uma fase lquida transferido para outrafase lquida.

A fase lquida, que contm o composto aser separado, denominada de soluo e ocomposto a ser separado denominado desoluto.

A fase lquida, utilizada para fazer a se-parao do soluto, denominada de solvente.O solvente dever ser o mais insolvel poss-vel na soluo.

De acordo com a natureza do compostoque se quer extrair da soluo, isto , o soluto,basicamente, h dois tipos de extrao:

a) extrao de substncias indesejveis o soluto uma impureza que dever serretirada da soluo. O produto dese-jado neste processo de separao asoluo livre do soluto. Como exem-plo, pode ser citada a extrao de com-postos de enxofre existentes nos deri-vados de petrleo, como a gasolina, oquerosene e outras correntes. Um ou-tro exemplo a retirada de compostosaromticos de correntes de leos lubri-ficantes para purificao dos mesmos;

b) extrao de substncias nobres osoluto , neste caso, o composto dese-jado aps a operao de separao, orestante da soluo o produto inde-sejvel do processo. Como exemplo,tem-se citar a separao do butadienode uma mistura entre o buteno e o bu-tadieno, na indstria petroqumica, uti-lizando-se como solvente neste proces-so de extrao uma soluo aquosa deacetato cupro-amoniacal.

4.3 Mecanismo da ExtraoO mecanismo do processo de extrao

ocorre, basicamente, de acordo com as seguin-tes etapas:

a) mistura ou contato ntimo entre o sol-vente e a soluo a ser tratada. Ao lon-go desta etapa, ocorrer a transfernciado soluto da soluo para a fase sol-vente;

b) a separao entre a fase lquida da so-luo, denominada de rafinado, e a faselquida solvente, denominada de extrato;

c) recuperao do solvente e do soluto.

24

Operaes UnitriasPara a recuperao do soluto do solvente,

necessrio que estes tenham caractersticas quepermitam a separao dos mesmos atravs deum simples processo de destilao ou qualqueroutro tipo de separao simples e possvel.

O ciclo da extrao pode ser representadopela figura seguinte, de forma que a massa es-pecfica do solvente menor do que a massaespecfica da soluo, para que seja possvel aextrao.

4.4 Equipamentos do Processo deExtrao4.4.1 De um nico estgio

Neste tipo de equipamento, os lquidos somisturados, ocorre a extrao e os lquidosinsolveis so decantados. Esta operao po-der ser contnua ou descontnua. Este equi-pamento correspondente ao esquema da fi-gura anterior.

4.4.2 De mltiplos estgiosBaseado, ainda, no exemplo da figura an-

terior, caso o rafinado (A + B) seja mais uma

vez processado e a este seja adicionada novaporo de solvente, ser possvel extrair maissoluto da soluo e o rafinado tornar-se- ain-da mais puro. Quanto maior o nmero de est-gios, maior ser a extrao.

Se, ao invs de ser utilizado solvente novoe puro para cada caso, um sistema em contra-corrente, for empregado, o solvente puro en-trar em contato com a carga em contracor-rente e tem-se ento um sistema de mltiplosestgios, que formam uma sucesso de estgiossimples.

Como exemplo, pode-se observar a figura aseguir, que mostra um sistema para dois estgios.

a) torre de disperso;

b) torre com recheios;

c) torre agitada.

Nota: No so utilizados pratos com borbulhadores emequipamentos de extrao.

Os equipamentos que fazem a extraolquido-lquido em mltiplos estgios utilizamo princpio desta figura uma nica coluna, ge-ralmente, semelhantes a uma torre de destila-o, podendo ou no conter recheios ou aindabandejas. Os principais tipos de equipamen-tos so:

Operaes Unitrias

25

Os equipamentos mencionados anteriormente podem ser observados nas figuras a seguir:

4.5 Equilbrio entre as Fases LquidasExiste uma analogia, que se pode fazer,

entre os processos de esgotamento e ou absor-o em relao ao processo de extrao.

A fase lquida do solvente, o extrato,pode ser considerada como a fase vapor,enquanto que a fase lquida da soluo, orafinado, pode ser considerada a fase lquida.

Na absoro e no esgotamento, quando as duasfases entram em equilbrio, no h mais alte-rao da composio nem da fase lquida, nemda fase vapor. Da mesma forma na extrao,quando atingido o equilbrio entre as fases,ento no haver mais alterao das composi-es do extrato e do rafinado, o que est ilus-trado na figura a seguir.

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Operaes Unitrias

4.6 Fatores que influenciam a Extrao4.6.1 Relao Solvente-Carga

De forma semelhante ao processo de ab-soro, na extrao, tambm existe uma rela-o mnima solvente/carga, abaixo da qualno possvel efetuar a extrao desejada.Quanto maior a relao solvente/carga, me-lhor ser a extrao, pois uma concentraomaior de solvente na soluo aumentar o po-tencial de transferncia de massa do soluto paraa fase lquida do solvente, com a conseqenteformao do extrato.

4.6.2 Qualidade do solventeNos casos em que o solvente recupera-

do, aps a extrao, quanto mais isento desoluto ele retornar para a torre de extrao,melhor ser a extrao, pois sua composioestar mais afastada da composio de equil-brio com a carga e maior ser a transfernciade soluto da fase da soluo (carga) para a fasesolvente.

4.6.3 Influncia da temperaturaEmbora seja adequado que o solvente

apresente insolubilidade na carga, isto na pr-tica no ocorre, pois sempre existe , ainda quepequena, uma solubilidade mtua entre as fa-ses que aumenta com a elevao da tempe-ratura. A composio das duas fases em equi-lbrio muda, ento, com a alterao da tempe-ratura. Isto pode influenciar de forma negati-va na extrao desejada. Portanto, nunca sedeve operar com temperaturas acima das re-comendadas para um certo processo de extra-o, pois poder ocorrer a dissoluo de parteou at mesmo de todo o solvente na carga ouvice-versa, impedindo a separao das duasfases lquidas. Caso haja uma certa dissolu-o de solvente na carga ou vice-versa, o equi-pamento no ter uma operao satisfatriacom conseqente queda de eficincia no pro-cesso de extrao.

Anotaes

Operaes Unitrias

27

5Fluidizao de Slidose Separao Slido5.1 Fluidizao de slidos5.1.1 Conceito

Para compreender melhor o conceito defluidizao de slidos, suponha que um fluidolquido ou gasoso esteja escoando vagarosa-mente atravs de um leito de partculas sli-das finamente divididas. Os slidos agem comoum obstculo passagem deste fluido, ocasio-nando uma queda de presso (DP), devido aoatrito, que aumenta com o aumento da veloci-dade. Ao aumentar ainda mais a velocidadedo fluido, os canais de passagem formados pelomesmo aumentam e as partculas slidas fi-cam mais separadas. Nesse ponto, inicasse afluidizao do leito de slidos, pois estes per-dem suas caractersticas e passam a se com-portar como fluidos, de modo a seguir as leisde escoamento de fluidos, em que a presso proporcional altura do leito.

Caso continue o aumento da velocidadede escoamento do fluido, haver um ponto emque as partculas slidas sero arrastadas, des-fazendo-se, desta maneira, o leito slido.

5.1.2 Objetivo da FluidizaoA principal aplicao da operao com

leito fluidizado em processos cujas reaesqumicas envolvam catalisadores, como nocaso do processo de craqueamento cataltico.Neste, o catalisador slido finamente divididoest em forma de leito fluidizado. O estadofluidizado do catalisador, alm de garantir seumelhor contato com a carga devido ao aumen-to da rea especfica do catalisador com ele,permite que o catalisador seja escoado de umvaso para outro por diferena de presso, comose fosse um lquido. Evita-se, desta forma, autilizao de equipamentos de transporte deslidos, como caambas, esteiras rolantes, cor-reios ou outros mtodos de transporte de lei-tos slidos.

5.1.3 Tipos de FluidizaoExistem dois tipos de fluidizao, a parti-

culada e a agregativa.A fluidizao particulada ocorre, prin-

cipalmente, quando o fluido um lquido, en-quanto a fluidizao agregativa ocorre quan-do o fluido um gs.

Na fluidizao particulada, o incio doprocesso caracterizado por um rearranjo daspartculas de forma a oferecer maior rea livrepara o escoamento, porm sem que as partcu-las percam o contato entre elas.

Na fluidizao agregativa, o incio ca-racterizado por um fenmeno semelhante ebulio, ou seja, bolhas de gs atravessam oleito slido e rompem-se na superfcie, em-purrando as partculas de slido para cima.

A fluidizao do tipo agregativa aquelaque ocorre no processo de craqueamento ca-taltico.

5.1.4 Dimenses do Leito FluidizadoA altura necessria do equipamento que

contm o leito aumenta com a velocidade deescoamento do fluido, pois o volume de vaziosfica maior com o aumento da velocidade. Aspartculas menores tm velocidade de quedamenor do que as maiores, ou seja, se uma par-tcula de 1 mm no arrastada pelo fluido, umaoutra de 0,1 mm poder ser arrastada e aban-donar o leito. Com o constante choque entreas partculas slidas, aos poucos, elas vo sen-do reduzidas a tamanhos cada vez menores.Para que estas partculas no sejam arrastadas,seria necessria a utilizao de velocidadesmuito baixas para o escoamento dos fluidos,o que equivale a construir equipamentos comdimetros muito elevados. Mesmo com aconstruo de equipamentos com dimetrosmuito elevados, ainda haveria o problema deque as partculas maiores no seriam movi-mentadas de forma adequada no leito. Por ou-tro lado, quando ocorre a reduo de tama-nho das partculas, sempre existe o arraste de

28

Operaes Unitriaspartculas finas para fora do leito. Nos casosem que o fluido um gs, como no processode craqueamento cataltico, estas partculasfinas so retiradas atravs de equipamentos es-peciais, denominados ciclones, que promovemo retorno destas para o equipamento que con-tm o leito de slidos.

5.2 Separao slido-gsA separao de partculas slidas de um

gs pode ser efetuada atravs de diversas ma-neiras, por exemplo, filtrao, precipitaoeletrosttica, asperso com lquidos, ciclonese outros processos. O mais utilizado em refi-narias, geralmente, o ciclone, especialmenteempregado em processos de craqueamentocataltico, onde so retidas as partculas finasdo processo de craqueamento.

No processo de craqueamento cataltico,o gs que entra nos ciclones pela abertura la-teral encontra-se carregado de partculas decatalisador, saindo pela parte superior, o gspurificado e, por baixo, as partculas de catali-sador, que voltam ao leito.

Dentro do ciclone, as partculas de sli-dos chocam-se contra as paredes, perdem ve-locidade e, em conseqncia se precipitam.

5.2.2 Arranjos entre os CiclonesPara se obter maior eficincia de remoo de partculas nos ciclones, possvel fazer com-

binaes de ligaes entre os mesmos. Estas ligaes podero ser em srie ou em paralelo,dependendo de cada caso desejado.

Para altas vazes de gs, utilizam-se as ligaes em paralelo, com a finalidade de reduzir aperda de presso (perda de carga) originada pelo processo de separao nos ciclones.

Na figura a seguir observam-se os arranjos mencionados.

O ciclone um separador por decantao,em que a fora da gravidade substituda pelafora centrfuga. A fora centrfuga que agesobre s partculas pode variar de 5 a 2.500 ve-zes a mais do que a fora da gravidade sobre amesma partcula, dependendo das condies dogs e do projeto do ciclone. O ciclone um equi-pamento muito eficiente e por isso muito utili-zado nos processos de separao slido-gs.

5.2.1 Fatores que influenciam o funcionamentode um Ciclone

a) Dimetro das partculas: o ciclone no muito eficiente para partculas meno-res do que 0,005 mm.

b) Velocidade do gs na entrada do ciclo-ne: muito importante notar que quan-to maior a velocidade do gs que entrano ciclone, mais partculas finas seroretirada do gs. A velocidade do gsque vai para o ciclone no pode seraumentada de forma indiscriminada,pois a perda de presso (perda de car-ga) que ocorre no interior do ciclonepoder ser muito grande.

c) Viscosidade: O aumento da viscosidadedo gs dificulta a remoo das partculas.

Operaes Unitrias

29

5.3 Noes bsicas do processo de Craqueamento Cataltico

Um ciclone em operao apresentado a seguir:

30

Operaes UnitriasNo processo de craqueamento cataltico,

a carga (gasleo) entra em contato com o ca-talisador no riser, onde so iniciadas as rea-es, que ocorrem em fase gasosa. O riser um tubo de grande dimenso, que fica a mon-tante do reator. O reator, por sua vez, funcionacomo um vaso separador entre os produtosformados e o catalisador.

O catalisador em forma de p, ou seja,partculas muito finas, quando retirado do rea-tor, est impregnado com coque; por isso ne-cessita de retificao para retornar ao reator.No regenerador, o coque do catalisador quei-mado na presena de ar, que vem do blower(soprador). Os gases gerados na combusto docatalisador (CO2, CO, H2O, H2, N2, O2 em ex-cesso, e outros gases), antes de serem envia-dos para a atmosfera, passam em uma caldei-ra recuperadora de calor (caldeira de CO), paraque o calor latente dos gases, bem como a quei-ma do CO na caldeira possam ser aproveita-das na gerao de vapor.

Os ciclones, que esto localizados no topodo reator, evitam que o catalisador contamineos produtos que saem do reator.

Os produtos gerados no reator seguem parauma torre de fracionamento, onde so separa-dos em fraes, como GLP, nafta craqueada,diesel de FCC (LCO) e leo combustvel deFCC. Na torre de fracionamento, ainda produzids uma frao denominada borra, que,por conter algum catalisador arrastado do pro-cesso de craqueamento, retorna para o inciodo processo, junto com a carga.

Anotaes

Operaes Unitrias

31

6Bombas6.1 Curvas caractersticas de BombasCentrfugas

As curvas caractersticas de bombas tra-duzem o funcionamento do equipamento emquesto. So produzidas a partir de dadosempricos (experimentais) do prprio fabrican-te do equipamento, fazendo a bomba vencerdiversas alturas de coluna de lquido, varian-do a vazo do lquido e ao mesmo tempo veri-ficando a potncia absorvida pelo eixo da bom-ba e a sua eficincia.

As curvas caractersticas, fornecidas pe-los fabricantes de bombas so:

a) curva de carga (H) versus vazo volu-mtrica (Q);

b) curva de potncia absorvida (Pabs)versus vazo volumtrica (Q);

c) curva de rendimento (h) versus vazovolumtrica (Q).

Podem ser obtidas teoricamente ou, ento,em testes de performance do equipamento emquesto.

6.2 Curva da carga (H) versus vazovolumtrica (Q)

A carga de uma bomba pode ser definidacomo a energia por unidade de peso. As cur-vas de carga versus vazo, fornecidas pelosfabricantes, apresentam, portanto, normalmen-te uma das seguintes unidades:

kgf x m / kgf = m ou lbf x ft / lbf = ft

A curva carga versus vazo recebediferentes denominaes, de acordo com a for-ma que apresenta:

a) Curva tipo risingNesta curva, a altura manomtrica (H)aumenta continuamente com a diminui-o da vazo, como pode ser observa-do na figura a seguir:

b) Curva tipo DroopingNesta curva, a altura manomtrica, naausncia de vazo (vazo zero ou va-zo de shut-off), menor do que a de-senvolvida pelo equipamento para ou-tras vazes, conforme apresentado nafigura a seguir:

c) Curva tipo steepNesta curva, a altura manomtrica (H)aumenta rapidamente com a diminui-o da vazo, conforme se observa nafigura a seguir:

32

Operaes Unitriasd) Curva tipo Flat:

As curvas caractersticas de bombas po-dem ser conceituadas como curvas do tipo es-tvel e instvel.

1. Curva tipo estvelCurvas do tipo estvel so aquelas em que

um determinado valor de altura manomtrica(H) corresponder somente a uma vazo (Q),como o caso das curvas dos itens a, c, d(rising, steep, flat).

2. Curva tipo instvelSo aquelas em que um determinado va-

lor de altura manomtrica (H) poder corres-ponder a uma ou duas vazes (Q), como ocaso da curva do item b (drooping).

6.3 Curva de potncia absorvida (PABS.)versus vazo volumtrica (Q)Geralmente, quando se escolhe uma bom-

ba, a maior preocupao com a potncia ab-sorvida pela bomba, pois esta a requeridapelo acionador da bomba. A seleo do equi-pamento ser feita, portanto, com base nestedado de potncia.

importante que se faa a distino entrepotncia til cedida ao fluido e potnciaabsorvida pela bomba.

A potncia til cedida ao fluido no levaem considerao as perdas que ocorrem noequipamento, enquanto que a potncia absor-vida no eixo da bomba a energia efetivamenteentregue bomba, para que esta realize traba-lho desejado. A potncia absorvida pela bom-ba considera, ento, a eficincia do equipamento.

a) Potncia til cedida ao fluido: a potn-cia cedida ao fluido, que no consideraa eficincia da bomba, a potncia re-cebida por ele para a realizao do tra-balho de deslocamento do mesmo epode ser expressa pelas equaes se-guintes:

PC = r . Q . H / 550

em que:PC = potncia cedida em HPr = massa especfica em lb/ft3Q = vazo volumtrica em ft3/sH = altura manomtrica em ft

PC = g . Q . H / 550

em que:PC = potncia cedida em HPg = peso especfico em lbf/ft3Q = vazo volumtrica em ft3/sH = altura manomtrica em ft

PC = g . Q . H / 75

em que:PC = potncia cedida em CVg = peso especfico em kgf/m3Q = vazo volumtrica em m3/sH = altura manomtrica em m

b) Potncia absorvida pela bomba: a po-tncia que a bomba recebe do aciona-dor (motor, turbina ou outro equipa-mento). Analogamente potncia ce-dida, a potncia absorvida pode ser ex-pressa pelas equaes seguintes:

Pabs = r . Q . H / 550 . h

em que:Pabs = potncia absorvida em HPr = massa especfica em lb/ft3Q = vazo volumtrica em ft3/sH = altura manomtrica em fth = rendimento da bomba

Pabs = g . Q . H / 550 . h

em que:Pabs = potncia cedida em HPg = peso especfico em lbf/ft3Q = vazo volumtrica em ft3/sH = altura manomtrica em fth = rendimento da bomba

Pabs = g . Q . H / 75 . h

em que:Pabs = potncia cedida em CVg = peso especfico em kgf/m3Q = vazo volumtrica em m3/sH = altura manomtrica em mh = rendimento da bomba

Operaes Unitrias

33

A curva de potncia absorvida versus va-zo volumtrica normalmente fornecida pelofabricante do equipamento e tem a forma quepode ser observada no grfico a seguir:

6.4 Curva de rendimento (h) versusvazo volumtrica (Q)

O rendimento total pode ser definido pelaseguinte expresso:

h = Potncia til cedida ao fluido / Potnciaabsorvida = PC / Pabs

A curva de rendimento em funo da va-zo tambm fornecida pelo fabricante doequipamento e tem a forma apresentada nogrfico que segue:

6.5 Curvas caractersticas de BombasTodas as curvas apresentadas anteriormen-

te so fornecidas normalmente pelo fabrican-te de forma conjunta, ou seja, no mesmo gr-fico, conforme demonstrado na figura a seguir:

Uma outra forma de apresentar a curva derendimento, utilizada pelo fornecedor, pode serobservada no grfico da figura seguinte:

Atravs do grfico, para um par de valo-res H x Q, determina-se o valor do rendimen-to (h) da bomba sob tais condies. No exem-plo do grfico, para o par H1, Q1, o valor dorendimento da bomba, nestas condies, seriaaquele entre h3 e h4.

6.6 Altura Manomtrica do SistemaA carga da bomba, H, quando expressa em

medida linear, por exemplo, metros (m) ou ps(ft), representa qual a altura manomtrica quea bomba capaz de elevar o fluido para cadavazo desejada.

A altura manomtrica do sistema a altu-ra correspondente diferena de presso entrea suco e a descarga da bomba, acrescida dadiferena de presso devido s perdas por atritona tubulao e nos acessrios da mesma (per-da de carga no sistema).

Considerando a figura seguinte, para setransferir um lquido, do reservatrio A para oreservatrio C, atravs de uma bomba B, estdever fornecer ao sistema uma carga suficien-te para:

1. compensar a altura geomtrica entre osreservatrios (S);

2. compensar a diferena de presso en-tre o ponto de suco e o ponto de des-carga (Pd Ps);

3. compensar a perda de carga na tubula-o e acessrios da mesma, no trechocompreendido entre os reservatrios.

34

Operaes Unitrias

Pode-se concluir que enquanto a carga, H, uma caracterstica da bomba, a altura mano-mtrica uma caracterstica do sistema. A car-ga, H, expressa em medida linear, representaa altura manomtrica que a bomba capaz devencer em determinada vazo.

6.7 Construo grfica da Curva de umSistema

O grfico, que apresenta a variao da al-tura manomtrica em funo da vazo, de-nominado de curva do sistema, ou seja, mos-tra a variao da energia necessria por unida-de de massa ou peso que o sistema solicita emfuno da vazo.

A determinao da curva de um sistemapoder ser feita seguindo os passos abaixo in-dicados:

1. fixam-se vrias vazes, em torno deseis, escolhendo-se entre estes pontosos correspondentes vazo de shut-off(vazo zero) e a vazo com a qual sedeseja que o sistema seja operado (va-zo de operao);

2. calculam-se as alturas manomtricascorrespondentes s vazes fixadas noitem anterior, ou seja:Q1 H1Q2 H2Q3 H3Q4 H4Q5 H5Q6 H6

3. com os valores dos pares H, Q, locaros pontos em um grfico e construir acurva do sistema.

A curva de um sistema apresenta a formasemelhante ao grfico da figura a seguir:

6.8 Ponto de TrabalhoO ponto de trabalho, tambm conhecido

como ponto de operao, pode ser encontradoquando se plota curva do sistema no mesmo gr-fico em que se encontram as curvas caractersti-cas da bomba. A interseco entre a curva dosistema e a curva H versus Q da bomba mostra oponto de operao ou ponto normal de trabalho,conforme pode ser observado na figura a seguir:

Operaes Unitrias

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Do grfico anterior, pode-se observar queos pontos normais de trabalho para a bombaem questo so os seguintes:

a) vazo normal de operao: QT;b) carga ou head normal de operao: HT;c) potncia absorvida no ponto normal de

operao: PT;d) rendimento da bomba no ponto normal

de operao: hT.Existem diversos recursos que possibili-

tam a modificao, da curva (H X Q) da bom-ba e da curva (H X Q) do sistema, desta for-ma existe a possibilidade da mudana do pon-to de trabalho normal, para o atendimento deuma outra necessidade operacional.

6.8.1 Alterao da Curva (H x Q) do SistemaAlterar a curva (H X Q) do sistema con-

siste, basicamente, em modificar o prprio sis-tema para o qual foi levantada a curva. Estasalteraes podem ser realizadas de diversasformas, como por exemplo, a variao daspresses dos reservatrios, a modificao dodimetro das linhas, a modificao das cotasdo lquido a ser transferido, modificao dosacessrios da linha, etc, ou seja, qualquer al-terao que implique em alterao da energianecessria para a movimentao do lquidoentre os pontos considerados.

Um simples fechamento de uma vlvulade descarga altera a curva do sistema conside-rado, pois estar ocorrendo um aumento daperda de carga do lquido neste sistema, exi-gindo mais energia para a realizao da trans-ferncia do lquido. Neste caso, a curva do sis-tema ter um sbito aumento e haver, parauma bomba com curva estvel, um decrsci-mo de vazo, conforme demonstrando no gr-fico a seguir:

6.8.2 Fatores que influenciam a Curva (H x Q)da Bomba

As curvas caractersticas das bombas po-dero ser alteradas modificando-se alguns fa-tores ou efeitos no prprio equipamento emquesto:

1. modificao da rotao da bomba;2. modificao do dimetro externo do

impelidor;3. modificao das caractersticas do fluido;4. efeito do desgaste do equipamento

(tempo de operao da bomba).

6.9 Fenmeno da CavitaoCaso a presso absoluta, em qualquer pon-

to de um sistema de bombeamento de lquido,for reduzida abaixo da presso de vapor do l-quido, na temperatura de operao, parte des-te lquido se vaporizar e nestas condies, asbolhas de vapor formadas, ao atingir regiesde maiores presses sofrem um colapso eretornam para a fase lquida. O colapso dasbolhas tem como consequncia a formao deondas de choque que causam o fenmeno dacavitao.

6.9.1 Inconvenientes da CavitaoOs principais inconvenientes da cavitao

so:a) barulho e vibrao so provocados

pelas ondas de choque geradas pelo co-lapso das bolhas;

b) alterao das curvas caractersticas so provocadas pela diferena de volu-me especfico entre o lquido e o va-por, bem como pela turbulncia geradapelas ondas de choque;

c) remoo de partculas metlicas(pitting) so provocadas pelas ondasde choque e potencializados pelo au-mento da temperatura local do material,com a conseqente alterao das carac-tersticas estruturais.

6.9.2 Principal Regio da CavitaoUma vez que a cavitao um fenmeno

que ocorre quando a presso em um ponto dosistema diminui para valores iguais ou meno-res do que a presso de vapor do lquido bom-beado, necessria a determinao da regiodo sistema de bombeamento onde mais pro-vvel que ocorra o fenmeno da cavitao.Uma ligeira anlise aponta a entrada do impe-lidor como a regio mais favorvel para o in-cio da cavitao. Nesta regio, a energia dofluido mnima, pois a energia cintica do flui-do foi reduzida devido perda de carga ocor-rida no trecho de escoamento e o lquido, naentrada do impelidor, ainda no recebeu ne-nhuma quantidade adicional de energia.

36

Operaes Unitrias

6.9.3 Causas Secundrias da CavitaoAs causas secundrias, que podem favo-

recer o fenmeno da cavitao, so deficin-cias de projeto, operao ou manuteno queprovoquem uma queda local de presso.

Vazamentos excessivos de lquido atravsde anis de desgaste de bombas, devido de-ficincia de projeto ou ainda por falta de acom-panhamento por parte da manuteno, podemgerar, portanto, um distrbio na entrada dasuco da bomba, provocando perda de pres-so local e conseqentemente o incio do pro-cesso de cavitao.

Outros problemas que podem provocarcavitao so distrbios na suco da bomba,como por exemplo, material slido deposita-do na linha de suco bloqueando parcialmenteo escoamento do lquido, causando queda depresso local e o incio da cavitao.

Distrbios causados pelo desvio do flui-do na orientao principal, na sada da voluta,tambm podem causar queda de presso lo-cal, com decorrente incio do fenmeno dacavitao, conforme pode ser observado nafigura a seguir.

Bombas operando fora da sua vazo deprojeto podem ocasionar turbulncia, comconseqente queda da presso local, ocasio-nando, desta forma, o fenmeno da cavitao.

Este problema ocorre devido incompa-tibilidade entre o ngulo de sada do fluido e aposio fixa das ps difusoras, conforme apre-sentado na figura seguinte.

Projetos inadequados de bombas podemocasionar a induo de fluxo em sentido in-verso ao fluxo normal na suco. Uma quedade presso pode ser gerada e em decorrncia ofenmeno da cavitao, conforme demonstra-do na figura a seguir.

6. 10 NPSH (Net Pressure Suction Head)Existem duas definies para o NPSH, so

elas o NPSH disponvel e o NPSH requerido.

Operaes Unitrias

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6.10.1 NPSH disponvelO NPSH disponvel a quantidade de

energia que o lquido possui no flange da suc-o da bomba, acima da presso de vapor doprprio lquido.

Clculo do NPSH disponvelO clculo realizado para encontrarmos o

NPSH disponvel na suco da bomba o se-guinte:

(NPSH)D = (P / g) (PV / g) + h hFSem que:(NPSH)D ....... altura manomtrica disponvel

na suco da bomba.P ................... presso absoluta no reservat-

rio (Pmanomtrica + Patm).h ................... diferena de cotas entre a suc-

o da bomba e o nvel do re-servatrio.

g ................... peso especfico do fluido natemperatura de escoamento.

hFS ................. perda de carga no trecho entreo reservatrio e a entrada doolho do impelidor.

Pv .................. presso de vapor na tempera-tura de escoamento.

Fatores que influenciam o (NPSH)DOs fatores que interferem diretamente o

NPSH disponvel so a altura esttica de suc-o, a altitude local que influencia na pressoatmosfrica, a temperatura de operao, o pesoespecfico do lquido e os tipos de acessriosexistentes no trecho de linha entre o reserva-trio e a suco da bomba.

6.10.2 NPSH requeridoO NPSH requerido a altura manomtri-

ca necessria para vencer as perdas por fric-o no bocal e na entrada do impelidor, demodo a garantir que a presso local esteja aci-ma da presso de vapor do lquido na zona demenor presso do impelidor.

O NPSH requerido sempre fornecidopelo fabricante do equipamento.

6.10.3 NPSH disponvel versus NPSH requeridoO NPSH disponvel sempre dever ser

maior do que o NPSH requerido, pois do con-trrio tem-se a ocorrncia do fenmeno da ca-vitao. Antes da escolha da bomba que far otrabalho desejado, tem-se sempre que calcular

o NPSH disponvel na suco com a finalida-de de se escolher o equipamento adequado situao desejada.

(NPSH)D > (NPSH)R(Sempre)

Graficamente, pode-se delimitar a faixa devazo de operao de uma bomba, sem o riscoda ocorrncia do fenmeno da cavitao, uti-lizando-se o conceito do NPSH, conformeobservado no grfico da figura a seguir:

6.11 Associao de BombasExistem duas maneiras distintas de se fa-

zer associao de bombas: em srie ou emparalelo. Ambas so usuais, porm a utiliza-o de um caso ou de outro depende das ne-cessidades exigidas em cada processo opera-cional, pois so associaes destinadas a re-solver problemas distintos.

No caso de exigncia de alturas manom-tricas muito elevadas, utiliza-se a associaode bombas em srie, no entanto, quando aexigncia trata-se de vazo elevada, ento a as-sociao das bombas dever ser feita em para-lelo.

6.11.1 Associao de Bombas em SrieNo caso da associao de bombas em s-

rie, utilizada para o aumento da altura mano-mtrica, a descarga de cada bomba ser co-nectada suco da seguinte, at o ltimo equi-pamento. A vazo do sistema, nesta situao,ser limitada pela bomba que apresenta me-nor vazo, ou seja, a vazo do sistema corres-ponder a apenas uma bomba, enquanto a pres-so de descarga ser a soma das presses dedescarga de cada bomba.

A associao de bombas em srie, por-tanto o flange de suco e a carcaa de cadabomba devero suportar a presso desenvol-vida pelas anteriores, lembrando que o ltimoflange e a ltima carcaa devero suportar apresso total do sistema.

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Operaes Unitrias

A seleo das bombas para uma associa-o em srie realizada, levando-se em conta

A curva caracterstica do conjunto, re-sultante desta associao obtida a partir dacurva caracterstica de cada bomba individual,somando-se as alturas manomtricas corres-pondentes aos mesmos valores de vazo, con-forme apresentado nos grficos seguintes.

(2) bombas com mesma curva.

(1) bombas com curvas diferentes.

a vazo e a altura manomtrica necessrias parao sistema. Assim, a vazo a ser considerada igual para todas as bombas, e a altura mano-mtrica que cada bomba dever desenvolverser a altura manomtrica total exigida pelosistema, dividida pelo nmero de unidades emsrie.

6.11.2 Associao de Bombas em ParaleloEste tipo de associao utilizado quan-

do a vazo exigida pelo sistema for muito ele-vada ou ento quando a vazo do sistema va-riar de forma definida.

Quando a associao for utilizada paravazes muito elevadas, a utilizao das bom-bas em paralelo tem como vantagem adicionala segurana operacional, pois no caso de falhade qualquer um dos equipamentos, haveriaapenas uma diminuio de vazo e no o co-lapso total da vazo do sistema.

Quando a vazo exigida pelo sistema varivel, ento a associao das bombas emparalelo ocasionar maior flexibilidade ope-racional, uma vez que a colocao ou a retira-da de operao de bombas atender s vazesnecessrias do sistema com maior eficincia.Caso houvesse somente uma bomba para arealizao deste tipo de operao, fatalmenteeste equipamento seria operado em pontos debaixa eficincia, ou seja, fora do ponto de tra-balho.

A curva caracterstica do conjunto, obti-da somando-se as vazes correspondentes aosmesmos valores da altura manomtrica exigidapelo sistema.

O esquema de associao e a curva carac-terstica do conjunto podem ser observados nasfiguras abaixo.

Operaes Unitrias

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Exerccios01. Converso de unidade:

Converter 500 milhas em metros. Converter 7.000 mm em polegadas. Converter 652 milhas em ps. Converter 3,22 x 106 mm em milhas. Converter uma rea de 6.000 alqueires

em km2. Converter uma rea de 1.500 ft2 em m2. Converter 22.960 ft em km. Converter uma rea de 780.000 ft2 em

alqueires. Converter uma rea de 3.000 in2 em m2. Converter uma rea de 1.500 ft2 em m2. Converter um volume de 23.850 m3 em

barris. Converter um volume de 30.000 m3 em

gales. Converter um volume de 7.000 barris

em ft3. Converter um volume de 1.200.000

barris em m3. Converter um volume de 7.000 gales

em ft3. Converter uma massa de 16.300 lb em

toneladas. Converter uma massa de 21.300 lb em kg. Converter uma presso de 750 in Hg

em Kgf/cm2. Converter uma presso de 80 ft H2O

em Kgf/cm2. Converter uma presso de 800 mm Hg

em m H2O. Converter uma presso de 150 psig em

Kgf/cm2 absoluta (Patm = 745 mm Hg). Converter uma presso de 300 gf/cm2

em atm. Converter 750 ft.lbf/s em KW. Converter 3.000 KVA em CV. Converter 90 HP em CV. Converter 1.600 HP em KW. Converter 500 BTU/min em KJ/s. Converter 75 ft.lbf em gcal. Converter 3.900 Kcal em BTU. Converter 9.500 Kcal em ft.lbf. Converter 49.000 gcal em Kcal. Converter 267C em F. Converter 38F em K. Converter 156C em R.

02. Um vapor, contendo, em peso, 30% depropano, 30% de n-butano e 40% de n-pentano, a carga de uma torre de produo de propano.O produto de topo produzido neste processoapresenta a composio, em peso, de 65% depropano, 25% de n-butano e 10% de n-pentano. A recuperao do propano, no produto detopo, de 96% em peso. Sabendo-se que amassa especfica do propano de 0,51 g/cm3 eainda que 60%, em peso, da carga sai comoproduto de fundo neste processo, calcule a car-ga desta torre para uma produo de 12 t/d depropano.

03. As composies molares da carga e do des-tilado de uma torre de destilao so dadosabaixo:

Componente Carga (%) Destilado (%)Propano 20 35Propeno 29 50Buteno-1 34 10n-Butano 17 5

Sabendo-se que a produo molar de des-tilado corresponde a 40% da carga, qual a com-posio ponderal do produto de fundo destatorre. Massas molares:

propano = 44; propeno = 42;buteno-1 = 56; n-butano = 58

04. Em um processo de obteno de lcooletlico, uma certa coluna opera com uma car-ga contendo 3,5% de etanol e 96,5% de gua.A produo de destilado contm 70% de etanole o resduo contm 0,001%. Os percentuaisesto representados em mol. Suspeita-se que haja um vazamento de guano condensador de topo desta coluna. Atravsde um balano material, estimar o vazamentode gua pelo condensador, caso este estejaocorrendo.

05. Um determinado slido, contendo 20% emmassa de gua, necessita ser secado para pro-duzir um slido que contenha no mximo 4%de gua. Calcule o percentual de remoo degua do slido original.

06. Deseja-se separar atravs do processo dedestilao uma mistura F, cuja composio emmassa, xF, :

a = 50% ; b = 30% e c = 20%

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Operaes UnitriasO destilado ou produto de topo deve ter

uma razo em relao carga igual a 60% esua composio em massa, xD, :

a = 80% ; b = 18% e c = 2%Baseado nos pontos expostos, calcular:a) A razo do resduo em relao carga;b) A composio, em massa, do resduo (xW);c) O percentual de recuperao do com-

ponente a no destilado;d) O percentual de recuperao do com-

ponente c no resduo.

07. Uma corrente de 20.000 SCFH de um gs,com composio molar de 10% de SO2, 5%de O2 e 85% de N2, dever ser tratada em umatorre de absoro com 1.000 lb/h de gua, paraa remoo de todo o SO2. Calcular as vazesde gs, em SCFH, e da gua rica em SO2, emlb/h, que saem da torre de absoro.

Dados:SCFH = standard cubic feet per hour (ft3/h nasseguintes condies: t = 60F e P = 14,7 psi)Constante universal dos gases =(R) = 0,73 atm . ft3 / lbmol . RPeso molecular:S = 32; O = 16; N = 14

08. Em uma caldeira, so produzidos 50 t/hde vapor superaquecido a 397C. Para isto, a mes-ma recebe gua desmineralizada, que, aps a tro-ca de calor em um certo permutador de calor,entra na caldeira a 62 C. Sabendo-se que o Cpda gua 1 cal/g. C, que a entalpia do vaporsuperaquecido na temperatura em questo 762 Kcal/kg, que o poder calorfico do gs com-bustvel 10.400 Kcal/kg e do leo combustvelde refinaria de 9.400 Kcal/kg, pergunta-se:

a) Qual a quantidade de calor envolvida nes-te processo para a realizao desta tarefa?

b) Qual a quantidade de combustvel a serqueimado na caldeira para a realizaodesta tarefa no caso de ser utilizado so-mente leo combustvel;

c) Qual a quantidade de combustvel