apostila destilação

8/18/2019 apostila destilação

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III

PROCESSOS DE SEPARAÇÃO

DESTILAÇÃO

CURITIBA

2015


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SUMÁRIO

1. PROCESSOS DE SEPARAÇÃO ....................................................................... 3 2. PONTO DE BOLHA ......................................................................................... 10 3. PONTO DE ORVALHO ................................................................................... 16 4. BALANÇO MATERIAL E DE ENERGIA .......................................................... 23 5. SEPARAÇÃO “FLASH” ................................................................................... 24 6. DESTILAÇÃO .................................................................................................. 32


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1. PROCESSOS DE SEPARAÇÃO

• Objetivo: obter produtos com maior grau de pureza.

• Um aspecto que muitas vezes é deixado em segundo plano é o controle

de emissão de poluentes, conseguido através de unidades de separaçãobem dimensionadas e/ou bem operadas. Projetos mal executados e

operadores mal treinados podem provocar emissões não previstas ou gerar

uma série de problemas operacionais para as unidades tratamento de

efluentes que podem não suportar a demanda suplementar de abate de

resíduos.

• Os processos de separação são, em geral, processos que desenvolvem

duas ou mais fases.• A formação de uma fase a partir de outra pode ser realizada a partir de

mudança do estado energético das moléculas (adição ou retirada de calor

ou trabalho, mudança de pressão do sistema) ou através da adição de uma

outra fase, insolúvel ou parcialmente solúvel com a primeira, que consiga

sequestrar preferencialmente um dos compostos da mistura a ser

separada. Também é possível adicionar uma substância que seja solúvel à

uma mistura mas que altere suas propriedades (dielétricas) que tornem oprocesso de separação mais fácil.

• O processo de separação pode ser descrito de duas formas: através de

diferença de potencial e através da velocidade de transferência de massa

de uma fase para a outra.

Conceitos

• Pressão de va po r: pressão ob se rva da

num recipiente fechado que contém uma

substância pura numa determinada

temperatura. • Pressão parcial: pressão que seria observada se uma substância de uma

mistura gasosa ocupasse sozinha o volume do sistema.

⋯

⋯

⋯ (1)


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4

Lei de Dalton

// (2)

Lei de Raoult (3)Substituindo (2) em (3):

Estimativa da Pressão de Vapor

Antoine ln / Wagner +,++ − 1 /


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5


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6

Soluções ideais

Uma solução exibe comportamento ideal quando seus componentes seguem e

Lei de Raoult. Combinando as equações 1.4 e 1.11, temos:


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O equilíbrio de sistemas não ideias pode ser previsto utilizando-se uma

equação de estado (Peng-Robinson, Redlich-Kwong, ...) quando a não

idealidade se verifica na fase vapor ou um modelo de solução líquida (Wilson,

UNIFAC, UNIQUAC, ...) quando a não idealidade se verifica na fase líquida, ou

ainda uma combinação se as duas fases apresentam comportamento não ideal.

Como construir uma curva de equilíbrio?

A curva de equilíbrio é obtida através do diagrama termodinâmico à pressão

constante. Cada tie-line deste diagrama corresponde a um ponto na curva de

equilíbrio.


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FIGURA 9

Exemplo 1: Calcule a curva de equilíbrio de um sistema n-heptano - n-octano

a 1 atm de pressão. Essa mistura apresenta as características para formar uma

mistura ideal.

Solução: Os pontos de equilíbrio a 1 atm das duas substâncias são: n-

heptano= 98,4°C e n-octano = 125,6°C. Essa informação pode ser encontrada

em tabelas de propriedades físicas ou, utilizando-se a pressão de 1 atm nas

equações de pressão de vapor (Antoine, Wagner, ...) e achando a temperatura

de saturação. Assim sendo, o equilíbrio líquido-vapor para essa mistura ocorre

entre essas temperaturas. Misturas com desvio da idealidade podem

apresentar comportamento bem diferente, como será apresentado a seguir.

De acordo com a Lei de Raoult:

Pela Lei de Dalton:

Igualando as pressões (condição de equilíbrio ideal):


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Sendo: 1 e 1 1 , temos:

Dado o valor de uma temperatura onde ocorre o equilíbrio, calculamos a

pressão de vapor dos dois componentes e a partir das equações deduzidas

acima calculamos a composição do equilíbrio nas duas fases.

Para T=110°C (383,15K)

1050,

484 .

Considerando a pressão atmosférica de 760 mmHg, temos:

−− 0,487 e 0,4870,674 A volatilidade relativa é calculada a partir da equação abaixo, onde A é o

componente mais volátil (n-heptano).

1050484 2,17 Refazendo o cálculo para outras temperaturas, temos a seguinte tabela.

Para esse sistema:


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Soluções não ideais

2. PONTO DE BOLHA

FIGURA 11

Líquido de composição Zi;

To Tb (Bubble Point)


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Temperatura de bolha é a temperatura, em uma dada pressão, na qual surge a

primeira bolha de vapor no líquido. O aquecimento é lento o suficiente para que a

bolha de vapor esteja em equilíbrio com o líquido, não alterando sua composição

(xi=zi).

Assim:

Para a primeira bolha de vapor:

1,0 Logo:

1,0

Se:

>1,0 T>Tb Vapor Superaquecido


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3) Verificar se 1,0; 4) Se ≠ 1,0 repetir o procedimento.

B) Fase vapor real: Ki = f(T,P, composição)

Procedimento de cálculo:

1) Estimar T, Pvapor e y;

2) Calcular Ki;

3) Verificar se 1,0; 4) Verificar se ; 5) Repetir os cálculos se necessário;

Exemplo de cálculo do ponto de bolha para fase vapor real:

Exemplo 2 (USA): Uma mistura de água (B) e ácido acético (A) é destilada em

um tanque flash a pressão atmosférica. A alimentação possui 70mol% de ácido

acético e 30mol% de água. Qual é o ponto de bolha desta mistura?

Dados:

log 7,188 ,+ log 7,9868 ,+ log 0,24 log 0,35

Onde γ é o coeficiente de atividade, x é a fração molar, OS é a pressão desaturação em mmHg e T é a temperatura em °C.

Solução:

Sendo x A=0,7 e xB=0,3 os coeficientes de atividade são: γ A=1,051 e γB=1,484.

O cálculo da constante de equilíbrio é dado por:


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O ponto de bolha será atingido quando: 1,0 Inicialmente estima-se uma temperatura, calculam-se as pressões de saturação

dos componentes A e B. Em seguida, calculam-se as constantes de equilíbrio K A

e KB e verifica-se se a condição do somatório é imposta. Caso isto não ocorra

estima-se novo valor de T e repete-se o processo. A tabela abaixo mostra os

valor obtidos.

Cálculo do ponto de bolha pelo Diagrama de De Priester

Este método é utilizado para misturas de hidrocarbonetos parafínicos e olefinas,séries homólogas.

Exemplo 3: Calcular o ponto de bolha a 300 psia (300lb/in2) para uma mistura

com 40% de etano, 30% de propano e 30% de n-butano. Suponha mistura ideal

e, portanto, K = f(T,P).

Solução: O valor das constantes de equilíbrio é determinado através do

Diagrama de De Priester, onde a pressão é mantida constante (300 psia) e a

temperatura é variada até que a condição de 1,0 seja satisfeita. A figuraabaixo demonstra como determinar os valores de K para a temperatura de 250°F.


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T (°C) T(°F) K ETANO K PROPANO K N-BUTANO ΣKi.Zi

121,11 250 4,8 2,4 1,1 2,9700

37,78 100 2,1 0,74 0,25 1,1370

32,22 90 1,95 0,68 0,22 1,0500

30,56 87 1,95 0,66 0,21 1,0410

29,44 85 1,91 0,63 0,205 1,0145

28,89 84 1,87 0,62 0,2 0,9940

A tabela acima mostra os valores obtidos para cada temperatura, sendo que a

TB = 29,44°C


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Determinação da pressão de bolha para mistura ideal

1) Determinar uma pressão arbitrária (P1), obter Ki,1 (De Priester ou através

das equações de Ki), calcular ; 2) Caso a condição do somatório não seja satisfeita, a pressão deve ser

recalculada na iteração 2:

Obter novo Ki,2; Calcular ,;

3) Se ainda assim o somatório não estiver próximo de 1, deve-se recalcular a

pressão na iteração 3:

Obter novo Ki,3; Calcular ,;

Exemplo 4: Calcule a pressão de bolha a 120°F para uma mistura com 23% de

propano, 67% de iso-butano e 10% de n-butano.


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Solução: Por se tratar de uma mistura de hidrocarbonetos, os valores de Ki

serão obtidos por De Priester.

Um valor inicial é estimado para a pressão (P1=300 psi). De posse do valor da

temperatura e da pressão é possível achar os valores de Ki e calcular o

somatório. Na iteração 2:

300 ∗ 0,525 157,5 Com este valor de pressão e mantendo a mesma temperatura, obtém-se novos

valores para Ki e repete-se o processo. A tabela abaixo mostra os resultados

obtidos.

I Pressão (psi) K PROPANO K ISO-BUTANO K N-BUTANO Σki.xi

1 300,00 0,92 0,42 0,32 0,525

2 157,50 1,51 0,71 0,53 0,876

3 137,97 1,71 0,8 0,58 0,987

4 136,22 1,71 0,82 0,59 1,002

PB=136,22 psi.

3. PONTO DE ORVALHO

É a temperatura (ou pressão), dada uma pressão (ou temperatura), na qual

surge a primeira gota de líquido em meio ao vapor. Sendo o resfriamento

suficientemente lento considera-se que o líquido da gota e o vapor estão em

equilíbrio.

Assim:

e Logo, para a gota formada:

1,0


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Então:

1,0

Se: >1,0

T1,0 >1,0 Cálculo de ponto de orvalho utilizando as equações de Ki

Matematicamente é a temperatura na qual: 1,0 A) Fase líquida ideal: Ki = f(T,P)

Procedimento para cálculo:

1) Arbitrar T;

2) Calcular Ki:

Vapor ideal: 1,0 Vapor real: /

3) Checar se:

1,0

, caso contrário repetir o procedimento até que a

relação seja satisfeita.

B) Fase líquida real: Ki = f (T,P, composição) Procedimento para cálculo:

1) Estimar T;

2) Calcular Ki;


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3) Verificar se 1,0 4) Repetir o cálculo se necessário.

Exemplo 5: Para uma mistura de 20% de benzeno e 80% de tolueno, a 1000mmHg, calcular a temperatura de orvalho.

Dados:

A baixa pressão (1,31 atm=1000 mmHg) consideramos vapor ideal, assim:

0 A constante de equilíbrio é calculada pela equação: , onde a pressão de

vapor é calculada pela Equação de Antoine dada acima.

Estima-se um valor para T, calculam-se as pressões de vapor e os valores de

Ki. Calcula-se , até que este seja igual a 1.

Cálculo do ponto de orvalho utilizando o Diagrama de De Priester

O processo é muito semelhante ao cálculo do ponto de bolha, exceto que para

este caso: 1,0

Exercício 1) Calcular o ponto de orvalho para uma mistura de 40% de etano,30% de propano e 30% de butano, a 300 psia.


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Determinação da pressão de orvalho

1) Estimar um valor de P (P1), obter Ki pela equação acima, calcular ; 2) Caso a condição do somatório não seja satisfeita segue-se para a iteração

2, onde:

P P∑

K

Com o valor de P2, calcula-se Ki,2 e determina-se o somatório. Os passos

são repetidos até que 1;RELAÇÕES DE DE PRIESTER PARA HIDROCARBONETOS


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FIGURA 14 – Constantes de equilíbrio para sistemas de hidrocarboneto leves, faixas de temperatura elevada.

[Reproduzida por permissão de C. L. De Priester, Chem Eng Prog., Symposium Ser, 7. 79 (1953)].


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FIGURA 15 - Constantes de equilíbrio para sistemas de hidrocarboneto leves, faixas de temperatura elevada.

Versão SI para C. L. De Priester, Chem Eng Prog., Symposium Ser, 7. 79 (1953).


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FIGURA 16 - Constantes de equilíbrio para sistemas de hidrocarboneto leves, faixas de temperatura baixa.

Versão SI para C. L. De Priester, Chem Eng Prog., Symposium Ser, 7. 79 (1953).


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4. BALANÇO MATERIAL E DE ENERGIA

Estágio é uma unidade do equipamento onde as fases líquida e vapor entram

em contato íntimo, sendo separadas mecanicamente.

Estágio ideal é a unidade onde a mistura das fases é tão efetiva que as

correntes que saem do estágio estão em equilíbrio.

BALANÇO MATERIAL

Os balanços materiais são:

Invólucro I: Invólucro II: Invólucro III: Condensador:

V: vapor do topo (kg/h)

D: destilado (kg/h)L: refluxo externo (kg/h)

B: produto de fundo (kg/h)

Vm.n: vapor subindo a torre (kg/h)

Lm.n: refluxo interno (kg/h)

m: acima da alimentação

n: abaixo da alimentação

Qc: calor retirado pelocondensador (kcal/h)

Qr: calor introduzido pelo

refervedor (kcal/h)

q: calor nas demais correntes

(kcal/h)


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BALANÇO TÉRMICO

Balanço Global: Balanço do condensador:

Sabendo que , no invólucro II tem-se: / Onde : calor de condensação do vapor no topo.5. SEPARAÇÃO “FLASH”

FIGURA 17: Separação “flash” (a) vaporização parcial (b) condensação parcial.


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FORMULAÇÃO DO PROBLEMA

Assim, especificando C+4 valores tenho o processo determinado. Podemos

facilmente especificar a alimentação. Especificando F, TF, PF, (C-1) valores de

zi, temos (C+2) calores. Faltam dois valores a especificar que vão caracterizar

o modo de operação da separação “flash”. Especificando:

a) PL (ou PV) e V/F (ou L/F) % vaporização ou (% condensação)

b) PL (ou PV) e TL (ou TV) isotérmico

c) PL (ou PV) e Q (ou Q=0) não isotérmico ou adiabático

“Flash” Isotérmico

Problema básico: dados os valores de P2, T2, F e zi, calcular as correntes de

saída V, L, yi e xi.


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Mistura binária

As equações para o cálculo do “flash” são:

a) Balanço de massa para o componente A;b) Balanço de massa para o componente B;c) Equilíbrio líquido-vapor;d) Equilíbrio líquido-vapor;e) 1 Definição da fração molar para a fase vapor;f) 1 Definição da fração molar para a fase

líquida.

Substituindo (c), (d) e (f) em (e), temos:

1 Com (f), (c) e (d) obtemos a composição das fases. Tirando o valor de V/F de

(a) e nele substituindo o valor de L/F obtido em (b) e o valor de x A da equação

acima, temos:

1) Demister: acessório que aglomera as

partículas de líquido que foram

arrastadas pelo vapor (coalescência),aumentando a eficiência com baixo custo

e perda de carga desprezível.

e: espessura do demister

ρ: densidade do demister (0,144 g/cm3)

2) Chicana defletora: diminui a

quantidade de líquido arrastada pelovapor.


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1 1 Com essa equação obtemos as vazões molares das correntes de líquido e

vapor formadas.

Exemplo 6: Uma mistura equimolar de eteno e n-octano sofre um flash a 200

psia e 100°F. Calcular a composição e a vazão de cada uma das fases

formadas. Assumir uma base de cálculo de 100 kmol/h.

Solução: Do diagrama de De Priester

A eteno: K A = 4,3

B n-octano: KB = 0,008

F = 100 kmol/h V = 35,25 kmol/h

F = V+L L = 64,75 kmol/h

De uma mistura equimolar de eteno e n-octano formam-se uma corrente de

vapor de 35,25 kmol/h com 99,37% molar de eteno e uma corrente líquida de

64,75 kmol/h com 23,11% molar de eteno.


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Mistura multicomponente

O método mais utilizado foi desenvolvio por Rachford e Rice em 1952 onde

se utilizam valores de K que não dependem da composição. Para a solução

são especificados: F, TF, PF, z1, z2, ..., zc1, TV, PV.

(1) (2) (3) 1 ∑ −= (4) Resolver

(5) (6) +− (7) +− (8) (9) Exemplo 7: Calculas as vazões e composições do vapor e do líquido do

flash a 200 psia e 108°F da seguinte carga:


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29

Etano 80 mol/h, propano 50 mol/h, i-butano 225 mol/h

Solução: inicialmente vamos fazer a verificação da existência de duas

fases. As constantes de equilíbrio foram obtidas do diagrama de De Priester

a 200 psia e 108°F. As frações molares foram obtidas da relação

Podemos observar que a carga está mais próxima do ponto de bolha

(mais próximo de 1) e, portanto, L deve ser maior que V.

1ª tentativa: (V/F)=0,2



A convergência foi alcançada em apenas 3 iterações.

0,1841∗35565,4 /ℎ


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30

289,6 /ℎ

CÁLCULO DO DIÂMETRO DE UM TANQUE FLASH

Relação de Souders e Brown:

Onde:0,0692 0,227 ,, â í; ã f: fator de correção da velocidade afim de evitar o arraste de líquido.

1 →

0,44 →

Exercício 2: Calcular o diâmetro (com e sem demister) do vaso flash vertical

para separar um líquido ( 58 / de um vapor ( 2 0 0 0 , 25) com temperatura de operação de 300°F, pressão de 250 psig, 1.Dados: 10,73 . ° , é14,7 Resposta: D=1,03 m (com demister) e D=1,55 m (sem demister).

/2 Onde:

Fd: força que mantem a gota na mesma “posição”;

Cd: coeficiente de forma;

AP: área projetada da partícula;ρV: densidade do vapor;

u: velocidade relativa entre partícula e vapor


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CÁLCULO DA ALTURA DE UM TANQUE FLASH

O volume do vaso será o somatório das seguintes necessidades:

- Velocidade máxima do vapor (para seção D);

- Tempo de residência do líquido;

- Alturas requeridas para controle e instrumentação;

- Requerimento geométrico adicional;

COM DEMISTER

d*: altura do topo do demister ao topo da coluna (mínimo de 6 à 12’’);

d: altura do demister (aproximadamente 10 cm);

Hd: altura do bocal de entrada à base do demister.

0,6 à 0,7 > 1000 24 ≤1000 H1: altura do nível máximo ao bocal de entrada;

≠ ∗

1/2

SEM DEMISTER

H1: altura do nível máximo ao bocal deentrada;

H2: altura do bocal de entrada ao topo;

HL: determinado em função do tempo deresidência para o líquido no vaso (mínimo

de 15’’); C: mínimo de 15 cm ou 6’’.


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1/2 HL: determinado em função do tempo de residência para o líquido no vaso

(mínimo de 15’’);

C: mínimo de 15 cm ou 6’’.

Tempo de residência para a fase líquida

LOCAL Tempo (min)

Alimentação em colunas 10 à 15

Tambores de refluxo 5

Produto de estocagem 2 à 10

Vasos intermediários para compressores 3

Vasos finais para compressores 5

Alimentação de reatores e aquecedores 25

Exercício 3: Calcular a altura de um vaso separador com e sem demister,

dados:

534,72

5 , ℎ 10 1,03 1,55

Resposta: H(com demister)=3,26m e H (sem demister)=2,89m

6. DESTILAÇÃO

É uma operação unitária responsável pela separação de componentes de

uma mistura através da transferência de massa entre uma fase líquida e uma

fase vapor. A alimentação da coluna pode ser feita na forma líquida (saturada

ou subresfriada), vapor (saturado ou superaquecido) ou em equilíbrio líquido-

vapor.


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Líquido e vapor devem estar em contato entre si em cada estágio dentro da

coluna, quanto mais eficiente é este contato, maior a transferência de massa

entre as fases.

Os componentes da mistura devem apresentar diferentes pontos de ebulição,

mas a propriedade que melhor define esta operação unitária é a volatilidade

relativa (αij), que pode ser constante ou variar de acordo com a composição do

sistema.

Onde K é uma constante de equilíbrio líquido-vapor influenciada pela

temperatura e pressão de operação, além da composição do sistema, sendo

definida por:

Considerando que tanto a fase líquida quanto a fase vapor sejam ideias, temos:

Vapor ideal: 1,0 Líquido ideal: , 1,0 Como se trata de uma solução ideal as Leis de Dalton e Raoult podem ser

igualadas, assim:

, → Logo:

Desta forma, a volatilidade também pode ser escrita em função das frações

molares de líquido e vapor de cada componente. Sendo o índice i referente ao

componente mais volátil que se deseja comparar.

.

Critério grosseiro para destilação:


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αi,j>1,5: destilação é apropriada em toda faixa de temperatura de operação;

αi,j


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35

4) Calor latente molar constante ao longo do equilíbrio;

O resultado destas hipóteses é a difusão equimolar em contra corrente

( )Seção de retificação

Acima da carga:

Balanço de massa global: Balanço de massa do componente mais volátil:

+ →

As correntes que saem de um estágio estão em equilíbrio, gerando pontos na

curva de equilíbrio. Enquanto as correntes que se cruzam em um estágio

Para 0 →

Para →


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36

geram pontos na reta de retificação (o mesmo vale para a seção de

esgotamento).

Razão de refluxo

É a razão entre a quantidade de líquido que retorna à coluna e a quantidade

de líquido que sai desta.

O refluxo pode ser de líquido saturado ou subresfriado. Para o caso de

líquido saturado, temos: Partindo equação da reta para a zona de retificação e do balanço de massa( ) e dividindo toda a equação por D, temos:

/ / →

1 1 1

No caso de refluxo total (D 0) a reta de retificação coincidirá com a diagonalx=y.

Se o refluxo for líquido subresfriado, parte do vapor irá perder calor e

condensará (V>V1 e L0


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− → :

Seção de Esgotamento ou Stripping

Balanço de Massa: Balanço de Massa do componente mais leve:

+ → ′′ ′

Em 0 → Em →


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38

Linha “q”

É o lugar geométrico onde as linhas de retificação e esgotamento se cruzam.

“q” é a razão entre a quantidade de líquido alimentada e a corrente total F,

definindo o tipo de alimentação.

ALIMENTAÇÃO DE LÍQUIDO SATURADO

1 10 → 9 0 °

1 ALIMENTAÇÃO DE LÍQUIDO SUBRESFRIADO


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39

> > > 1

1 1 > 1 > 4 5 ° ALIMENTAÇÃO EM ELV

0 < < :

< 1 1 < 0 2° 4 ° 0° < < 90°

ALIMENTAÇÃO DE VAPOR SATURADO

0


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40

0 1 → 0 0 °

ALIMENTAÇÃO DE VAPOR SUPERAQUECIDO

> < < 0

1 → 0 < < 1 < 4 5 °

Refluxo Total

Utilizado em start up de colunas, quando não há qualquer tipo de saída (D=0

e B=0). Como já visto anteriormente, quando não há saída de destilado a reta

de retificação coincide com a diagonal x=y (o mesmo vale para a reta de

esgotamento). E ainda, quanto mais afastada esta reta estiver da curva de

equilíbrio, menor será o número de estágios da coluna.

0 → í


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Refluxo Mínimo

A operação de refluxo mínimo determina o número máximo de estágios que a

coluna pode atingir considerando as especificações de entrada, topo e fundo e

o tipo de alimentação adotado.

O refluxo mínimo é determinado graficamente em função da reta de

retificação. De acordo com os seguintes passos:

1) Localizar as frações de entrada, topo e fundo;

2) Determinar a posição da linha q;

3) Prolongar uma reta que saia de xD (ponto A), passando pelo ponto de

infinito (ponto B, onde a linha q encosta na curva de equilíbrio) até atingir

o eixo y;

4) Realizar a leitura no eixo y;

1 Ou ainda, pela inclinação da reta:

1) Encontrar a fração do componente na entrada,

saída de destilado e saída no fundo;

2) Encontrar a posição da linha q (neste caso, líquido

saturado);3) Traçar o estágios iniciando em xD. Cada reta

paralela ao eixo x deve tocar na curva de equilíbrio

(mas nunca passar desta), enquanto cada reta

paralela ao eixo y deve tocar na reta de operação.

O último estágio deve coincidir ou passar do ponto

xB para garantir que a fração de fundo seja

atendida.


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42

///

+ −− → −−

Cálculo da composição de topo ou fundo partindo das equações de

balanço de massa

Como dito anteriormente, correntes que saem de um estágio de equilíbrio

geram pontos na curva de equilíbrio enquanto correntes que se cruzam em um

estágio geram equações de balanço de massa.Para calcular a composição de fundo de uma coluna, conhecendo a

volatilidade e a composição de topo, temos:

A solução deste tipo de problema envolve os seguintes passos:

1 1

Para correntes que se cruzam, a equação dobalanço de massa é:

Enquanto que para correntes que saem de umestágio a equação é:

Correntes de saída yD e x0, y1 e x1, yB e xB;

Correntes que se cruzam y1 e x0, x1 e yB;


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1) Partindo do valor de yD e da volatilidade (dados), calcular x0;

2) Com o valor de x0, calcular y1;

3) Com o valor de y1, calcular x1;

4) Com o valor de x1, calcular yB;

5) Com o valor de yB, calcular xB.

Exercício 4: Deseja-se separar uma mistura com 30% de n-hexano e 70% de

n-octano alimentada numa coluna de destilação a 100 kmol/h. O produto de

topo deverá conter 80% de n-hexano e a razão de refluxo deverá ser igual a 2.

Sabendo que a coluna opera a 1 atm e contem um refervedor parcial, um prato

e um condensador estando os três estágios em equilíbrio, determine:

A) Utilizando McCabe, determine a composição de fundo (xB) e a corrente

de topo (D). Considere que a alimentação se dá no ponto de bolha;

(Resposta: x B=0,16, D=21,87 kmol/h)

B) Se a volatilidade é considerada constante e igual a 5, qual o valor da

composição de fundo? (Resposta: x B=0,119)

C) Determine o número mínimo de estágios adotando xB=1,0. (Resposta: 3estágios)


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Casos Especiais

FIGURA 19 – Otimização do ponto de introdução de alimentação.


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45

FIGURA 20 – Custos operacionais em função da razão de refluxo.

FIGURA 21 – (a) e (b) Efeito da retirada lateral (c) Injeção de vapor no

refervedor.


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Coluna com retirada lateral

FIGURA 22

Balanço de Massa:

VC1 + + VC2 ++ +

Considerando as simplificações do método de McCabe-Thiele:

VC1 VC2 +


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Esgotamento com injeção direta de vapor

Logo:

Se y=x Se y=0 Destilação Multicomponente

A destilação de multicomponentes gera colunas complexas, com múltiplas

alimentações e retiradas. Alguns fatores influenciam este tipo de coluna:

1) Variáveis dependentes do sistema e composição (αi,j , densidade do

líquido e do vapor, tensão superficial do líquido, viscosidade do líquido e

vapor, diâmetro da seção de esgotamento e retificação);

2) Variáveis de operação (T, P, vazão de líquido e vapor);

3) Variáveis geométricas (diâmetro da coluna, altura da barreira, diâmetro

dos furos, espaçamento entre pratos).

+ ++

+ + +

+

Ys =0 (componente mais pesado)

Balanço de massa:

Segundo McCabe abaixo da carga V e Lsão constantes, assim:


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Eficiência Global ó

Eficiência de Murphree

−∗ −

Onde yn* é a fração molar caso

yN estivesse em equilíbrio com xN.

1) Equação de Underwood

Determina a razão de refluxo mínima.

= →

1 = Onde:

αi Volatilidade média do componente i em relação ao chave pesada;

ϕ Constante de Underwood;

L0 Vazão de refluxo mínima;

D Vazão de destilado;

xDi Fração molar do componente i no destilado;

2) Equação de Fenske

Determina o número mínimo de estágios

log log

Onde:d Vazão de i no destilado ( ;b Vazão de i no fundo;

LK Componente chave leve do sistema;

HK Componente chave pesada do sistema;

3) Correlação de Gilliland

Determina o número mínimo de estágios ou a razão de refluxo mínima


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0 ≤ ≤ 0 , 0 1 → 1 , 0 1 8 , 5 7 1 5

0,01


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50

zi Fração do componente i na alimentação;

Restrições para a equação:

0 ≤ ≤1→í > 1,01 → ã í


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2) Estimar as propriedades de mistura;

3) Adotar espaçamento entre pratos (de 15 à 90 cm);

4) Estimar o diâmetro da coluna baseado na inundação;

5) Definir o arranjo do fluxo de líquido;

6) Adotar um layout para o prato (área, altura da barreira, tamanho dos

furos);

7) Checar gotejamento, perda de carga, nível de líquido no duto de saída

do downcomer;

8) Recalcular % de inundação (70 à 90%);

9) Checar arraste, otimizar projeto com menor diâmetro possível;

10)Descrever especificações do prato e desenhar.

Áreas

AC área total da seção transversal ( ); Adowncomer ( 0,12; Anet área líquida disponível para contato líquido vapor ( ; Aativa área de borbulhamento ( 2 );EXERCÍCIOS DESTILAÇÃO

1) (USA) Uma alimentação de líquido saturado contendo 42 mol% de

heptano e 58mol% de etilbenzeno é fracionada a 760 mmHg para

produzir 97mol% de heptano e um resíduo com 99 mol% de etilbenzeno.

Qual o número de estágios de equilíbrio necessários para uma razão de

refluxo de 2,5. As constantes de Antoine (P em mmHg e T em °C) são:


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Heptano: A=6,9024 B=1268,12 C=216,9

Etilbenzeno: A=6,9537 B=1421,91 C=212,9

(Resposta: N=11 pratos)

2) Uma coluna de destilação é alimentada com uma mistura benzeno-

tolueno a uma pressão de 101,3 kPa. A taxa de alimentação é de 100

kmol/h a 327,6K, contendo 45mol% de benzeno. O destilado deverá

conter 95mol% de benzeno e o produto de fundo 90mol% de tolueno,

com refervedor parcial. A taxa de refluxo é 4, o calor específico médio da

alimentação é de 159 kJ/kmolK e o calor latente médio 32099 kJ/kmol. O

ponto de bolha da alimetação é de 93,5°C. Os dados de ELV para o

benzeno, a 101,3 kPa, são:

y 0,21 0,37 0,51 0,64 0,72 0,79 0,86 0,91 0,96 0,98

x 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95

Calcular:

A) Vazão de destilado e de produto de fundo; (Resposta: D=41,18 kmol/h;

B=58,82 kmol/h)

B) Número de pratos teóricos necessários; (Resposta: N=7 pratos)

C) Razão de refluxo mínima;

D) Número mínimo de pratos teóricos;

3) Uma torre de pratos deve ser projetada para destilar continuamente 450

lbom/h de uma mistura com 60mol% de benzeno e 40mol% de tolueno.

A composição de topo deve conter 95 mol% de benzeno e a composiçãode fundo 95mol% de tolueno. A alimentação é pré aquecida de modo

que entre na coluna com uma % molar de vaporização igual a razão

destilado/alimentação. Utilizando o método de McCabe-Thiele e

supondo pressão constante de 1 atm, determine:

y 0,21 0,37 0,51 0,64 0,72 0,79 0,86 0,91 0,96 0,98

x 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95


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A) Número mínimo de estágios teóricos; (Resposta: Nmin=6,7)

B) Razão de refluxo mínima; (Resposta: RRmin=1,22)

C) Número de estágios de equilíbrio para RR/RR min=1,3; (Resposta:

N=13,2)

D) Localização do ponto ótimo de carga. (Resposta: prato 7)

4) Uma mistura de metano e etano deve ser separada de uma coluna de

destilação. Explique por que a água não pode ser usada como fluido

refrigerante no condensador. O que você escolheria como fluido

refrigerante?

5) Uma coluna fracionada continua foi projetada para separar 30000 kg/h

de uma mistura contendo 40mol% de benzeno e 60mol% de tolueno,

com um produto de topo contendo 97mol% de benzeno e produto de

fundo com 98mol% de tolueno (em porcentagens mássicas). A razão de

refluxo deve ser de 3,5, os calores latentes do benzeno e do tolueno

são, respectivamente, 7360 e 7960 cal/gmol. A volatilidade da mistura é

de 2,5. A alimentação tem ponto de bolha igual a 95°C, pressão de 1

atm e refervedor parcial.

y 0,21 0,37 0,51 0,64 0,72 0,79 0,86 0,91 0,96 0,98

x 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95

A) Calcule a vazão de destilado e produto de fundo; (Resposta D=153,4

kmol/h; B=196,6 kmol/h)

B) Determine o número de estágios ideais e a localização do prato dealimentação:

i) Alimentação líquida no ponto de bolha; (Resposta N=11 pratos,

alimentação 7 prato a partir do topo)

ii) Alimentação líquida a 20°C (calor específico 0,44 cal/g°C);

(Resposta: N=10 pratos, alimentação 5° prato a partir do topo)

iii) Alimentação com 2/3 de vapor e 1/3 de líquido; (Resposta: 12

pratos, alimentação 7° prato a partir do topo)


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C) Se vapor a 20 lbf/in2, manométrica, é usado para aquecimento, quanto

de vapor é necessário por hora para cada um dos três casos acima,

desprezando perdas térmicas e assumindo refluxo líquido saturado;

(Resposta: i) 10520 kg/h; ii) 12500 kg/h; iii)6960 kg/h)

D) Se água de resfriamento entra no condensador a 25°C e sai a 40°C,

quanto de água de resfriamento é necessário em m3/h? (Resposta:

367,5 m3/h)

6) Uma coluna de esgotamento com refervedor total é alimentada com ar

liquefeito à pressão atmosférica. 60% de oxigênio da alimentação é

retirado no refervedor. O produto de fundo contem 0,2%molar de

nitrogênio. Assumido os dados abaixo, calcule:

A) %molar de nitrogênio no vapor saindo do prato de topo; (Resposta: 90,4

mol%)

B) Quantidade molar de vapor de produto gerado no refervedor por 100 mol

de alimentação; (Resposta: 87,435 mols/100 mols de alimentação)

C) Número de pratos teóricos requeridos; (Resposta: N=7 a 8 estágios)

Dados de ELV de nitrogênio, a pressão atmosférica:

T (K)

%molar N2

(líquido) %molar N2 (vapor)

77,35 100 100

77,98 90 97,17

78,73 79 93,62

79,44 70 90,31

80,33 60 85,91

81,35 50 80,46

82,54 40 73,5

83,94 30 64,05

85,62 20 50,81

97,67 10 31

90,17 0 0


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7) Uma coluna de destilação possui 6 pratos teóricos, um refervedor parcial

e um condensador total. Ela está sendo usada para separar 100 mol/h

de uma alimentação de líquido saturado contendo 50mol% de A e um

produto vapor com 90mol% de A. A relação molar líquido-vapor no topo

é 0,75. A alimentação é introduzida no prato 3.

A) Qual a composição de fundo?

B) Qual a razão L’/V’ na seção de esgotamento?

C) Qual a quantidade de mols/h de produto de fundo?

D) Sem o conhecimento dos operadores, os suportes dos pratos 5, 6 e 7

romperam e os pratos caíram no fundo da coluna. Considerando que a

coluna continuou operando sem ajustes, qual a nova composição do

produto de fundo?

E) Foi sugerido que, ao invés de retornar refluxo para o prato do topo, uma

quantidade equivalente de produto líquido de uma outra coluna fosse

usada como refluxo. Se esse produto contem 80 mol% de A, qual será a

nova composição de topo e fundo?

Dados de ELV, fração em mol de A:

y 0,19 0,37 0,5 0,62 0,71 0,78 0,84 0,9 0,96

x 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

8) Uma unidade de destilação consiste em um refervedor parcial, uma

coluna com sete pratos de equilíbrio e um condensador total. A

alimentação consiste em uma mistura equimolar de benzeno e tolueno,

desejando-se produzir um destilado com 96mol% de benzeno, com acoluna operando a 101 kPa.

y 0,21 0,37 0,51 0,64 0,72 0,79 0,86 0,91 0,96 0,98

x 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95

A) Com uma alimentação de líquido saturado no quinto prato, calcule:

i) Razão de refluxo mínima;

ii) Composição do fundo, usando RR=2RRmin;iii) A quantidade molar de produto por 100 mols de alimentação;


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B) Repita a letra (a) para uma alimentação de vapor saturado alimentado

no quinto prato;

C) Com o vapor saturado sendo alimentado no refervedor e RR=0,9,

calcule:

i) Composição de fundo;

ii) Mols de produto destilado por 100 mols de alimentação;

9) Uma alimentação de líquido saturado de 200mols/h, contendo 42mol%

de n-heptano e 58mol% de etilbenzeno, deve ser fracionada a 101,32

kPa, absoluta. Devendo resultar em um destilado com 97mol% de

heptano e produto de fundo com 1,1mol% de heptano. Com razão de

refluxo de 2,5, calcule a quantidade, em mol/h, do destilado e do poduto

de fundo, o número de estágios teóricos e a localização do prato de

alimentação. Os dados de ELV, em fração molar de n-heptano, são:

x 0 0,08 0,25 0,485 0,79 1

y 0 0,23 0,514 0,73 0,904 1

(Resposta: D=85,3mol/h; N=9,5 estágios + refervedor parcial; alimentação:

6° prato a partir do topo)

10) Uma coluna de destilação separa metanol de água. A alimentação de

líquido subresfriado (q=1,12) consiste em 14,46 kg/h de metanol e 10,44

kg/h de água. Deseja-se que o topo contenha 99mol% de metanol e o

fundo 99mol% de água. Com a coluna operando a 1 atm e razão derefluxo igual a 1, determine a localização do estágio de alimentação e o

número teórico de pratos.

Dados de ELV a 1 atm:

x 0,0321 0,0523 0,075 0,154 0,225 0,349 0,813 0,918

y 0,19 0,294 0,352 0,516 0,593 0,703 0,918 0,963

11) Uma mistura equimolar de acetona e isopropanol deve ser destiladapara produzir um produto de topo contendo 80mol% de acetona e


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produto de fundo contendo 25mol% de acetona. Se uma alimentação de

líquido saturado é empregada com a coluna operando com RR=0,5 e

eficiência de Murphree de 50%, quantos pratos devem ser utilizados?

Assuma que o condensador é total, o refervedor é parcial, o refluxo é de

líquido saturado e a alimetação é feita no ponto ótimo; Os dados de ELV

são apresentados abaixo.

x (%) y (%)

0 0

2,6 8,9

5,4 17,4

11,7 31,5

20,7 45,6

29,7 55,7

34,1 60,1

44 68,7

52 74,3

63,9 81,5

74,6 87

80,3 89,4

86,5 92,3

90,2 94,2

92,5 95,5

95,7 97,4

100 100

12) Uma unidade de destilação consiste em um refervedor parcial, uma

coluna de pratos e um condensador total. A eficiência dos pratos é de

65%. A alimentação é uma mistura equimolar de benzeno e tolueno no

ponto de bolha, sendo alimentada no prato ótimo. A coluna deve

produzir um destilado com 95% de benzeno e fundo com 95% de

tolueno, considerando a pressão de operação de 1 atm, calcule:


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y 0,21 0,37 0,51 0,64 0,72 0,79 0,86 0,91 0,96 0,98

x 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95

A) Razão de refluxo mínima;

B) Número mínimo de pratos;

C) Se RR=1,5 RRmín, qual o número de pratos teóricos;

D) Vazão mássica de destilado e fundo, considerando F=907,3 kg/h;

E) Vazão mássica necessária de vapor saturado a 273,7 kPa para

aquecimento no refervedor usando os dados de entalpia abaixo e

qualquer consideração necessária;

Entalpias (Btu/lbmol) na temperatura do refervedor:

hv hl

Benzeno 4,9 18,13

13) Uma mistura de água e isopropanol, no ponto de bolha, contendo 10%

de isopropanol deve ser continuamente retificada a pressão atmosférica

para obter um destilado com 67,5% de isopropanol. Deve ser

recuperado 95% do isopropanol da alimentação. Se RR=1,5 RRmin,

qual o número de pratos teóricos necessários quando:

A) For usado um refervedor parcial?

B) Se no lugar do refervedor for injetado vapor saturado a 101 kPa

diretamente na coluna abaixo do prato de fundo?

C) Quantos pratos são necessários para um refluxo total?

Dados de ELV em fração molar de isopropanol a 101kPa:

T (°C) 93 84,02 82,12 81,25 80,62 80,16 80,28 81,51

y 0,2195 0,462 0,5242 0,569 0,5926 0,6821 0,7421 0,916

x 0,0118 0,0841 0,1978 0,35 0,4525 0,6794 0,7693 0,9442

Notas: composição do azeótropo é x=y=0,6854. Ponto de bolha do

azeótropo: 80,22°C.


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14) Uma coluna de destilação é alimentada por duas correntes com mistura

de água e ácido acético. Determine a localização ótima para cada

alimentação e o número de estágios teóricos necessários, sabendo que

a pressão de operação é de 1 atm, RR=1,2 RRmin. A corrente 1 é

alimentada líquida no ponto de bolha, com 100 kmol/h e 75mol% de

água, enquanto que a corrente 2 é alimentada a 100 kmol/h, equimolar,

com 50% de vapor em equilíbrio com 50% de líquido. A recuperação do

topo deve ser de 98 mol% de água e o fundo com 95 mol% de ácido

acético.

Dados de ELV, a 1 atm:

x 0,0055 0,053 0,125 0,206 0,297 0,51 0,649 0,803 0,9594

y 0,0112 0,133 0,24 0,338 0,437 0,63 0,751 0,866 0,9725

15) Uma coluna de destilação para separação de n-butano e n-pentano foi

recentemente colocada em operação em uma refinaria de petróleo.

Aparentemente um erro foi cometido no design, já que a coluna falha

para fazer a separação desejada como mostram os resultados abaixo:

% molar Especificação design Especificação operação

nC5 (destilado) 0,26 13,49

nC4 (fundo) 0,16 4,28

Sua equipe foi chamada para corrigir a situação. Foi sugerido que se

colocasse um condensador na seção de retificação da coluna para gerar

mais refluxo e um refervedor na seção de stripping para produzir mais

carga. Mostre pelo método McCabe – Thiele como tal proposta pode

melhorar a operação.

apostila destilação

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