aula 02

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III

Aula 02

10/03/2015

Destilação Flash

Operação de destilação em um simples estágio em que uma alimentação é

parcialmente vaporizada, produzindo um vapor rico nos constituintes mais

voláteis ou parcialmente condensada produzindo um líquido rico nos

constituintes menos voláteis .

OBS: Em ambos os casos, é esperado que as correntes efluentes estejam em

equilíbrio.

OBS: Ao menos que a volatilidade relativa seja muito alta, o grau de separação

obtido é muito pobre.

Destilação Flash – Algumas aplicações

Em geral, a destilação flash é empregada como operação de

preparação/tratamento de correntes de processo.

Flash Isotérmico – Equações Fundamentais

iii LxVyFz

F V L

1 ix 1 iy1 iz

i

ii

x

yK

TL TV PL PV

lvf LhVhQFh

Suposição dos equilíbrios térmicos e mecânicos:

Balanço de massa global:

Balanço de massa por componente:

Frações molares (para cada corrente):

Relações de equilíbrio (para cada componente):

Balanço de energia:

Destilação Flash – Método Gráfico para misturas Binárias

Para misturas binárias o percentual de vaporização ou condensação pode ser

convenientemente determinado a partir de métodos gráficos.

iii LxVyFz F V L

f

zx

f

fy i

ii

)1(

(linha de operação)

Onde:

f - fração vaporizada (V/F)

( I )

O método gráfico para se obter a composição das correntes de saída como função

de f consiste na determinação da interseção da linha de operação com a curva de

equilíbrio.

Destilação Flash – Método Gráfico para misturas Binárias

Questão 4: Uma mistura equimolar de benzeno e tolueno é submetida a uma

destilação flash em um separador a uma pressão de 1 atm. Determine para os

seguintes valores da fração de vaporização, 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 e 1:

a) A temperatura no separador

b) A composição do líquido e vapor na saída do separador

Diagrama xy Diagrama Txy

T (ºC)

x,y

y

x

Ex.: para f = 0,2

Qual o valor de x para y = 0 ?

Diagrama xy Diagrama Txy

T (ºC)

x,y

y

x 0,45

0,67 93,7

625,0)2,01(

5,0

)1(

ii

ii xx

f

zx

Resposta/procedimento:

- Para cada valor de f obtemos uma linha de operação que corta a curva de equilíbrio

fornecendo os valores de xB e yB e consequentemente as composições do vapor e

líquido;

- A partir do diagrama Txy obtêm-se a temperatura no separador.

f -(1-f)/f xB yB Temperatura ºC

0 ∞ 0,5 0,71 92,2

0,2 -4 0,455 0,67 93,7

0,4 -1,5 0,41 0,63 95

0,6 -0,67 0,365 0,585 96,5

0,8 -0,25 0,325 0,54 97,7

1 0 0,29 0,50 99

Procedimento:

Partindo da equação do balanço de massa para um componente i e eliminando L,

podemos deduzir as equações para a determinação das concentrações no equilíbrio:

Flash Isotérmico Multicomponente – Método de Rachford and Rice

iii LxVyFz

F V L

i

ii

x

yK

iii xVFVyFz )( iii xF

Vy

F

Vz )1(

F

Vf

iii xffyz )1(

iiii xfxfKz )1( )1(1

i

ii

Kf

zx

i

ii

x

yK

)1(1

i

iii

Kf

zKy

Sabendo que, , podemos considerar que:


1 ix 1 iy

0)(1

iii yxyx

Logo,

0)1(1)1(11

c

i i

ii

i

i

Kf

zK

Kf

z

ou

0)1(1

)1(

1

c

i i

ii

Kf

KzEq. de Rachford-Rice

Aplicação do Método de Newton na resolução da equação de Rachford-Rice:


c

i i

ii

Kf

KzF

1 )1(1

)1(

O método de Newton calcula a melhor raiz para a função usando a última estimativa

e a razão da função e sua derivada calculadas com a ultima estimativa:

k

kkk

fF

fFff

'

1

c

i i

ii

Kf

KzF

12

2'

)]1(1[

)1(

OBS: O procedimento da forma apresentada neste texto, só deve ser empregado

para casos em que os coeficientes de distribuição (K) podem ser considerados

independentes da composição.

Dados de K para hidrocarbonetos leves:

Diagramas de Depriester

Questão 5: 100 kmol/h de uma alimentação consistindo de 10, 20, 30 e 40 % (molar)

de propano (1), n-butano (2), n-pentano (3) e hexano (4), respectivamente, entram em

tanque flash a 698,5 kPa e 93,35 ºC. Assumindo a condição de equilíbrio, qual a

fração da alimentação que entra como líquido e quais são as composições das

correntes líquido e vapor.

T = 93,35 ºC

P = 698,5 kPa

Alimentação

Vapor

Líquido 4

3

2

1

z

z

z

z = 0,1

= 0,2

= 0,3

= 0,4

4

3

2

1

x

x

x

x = ?

= ?

= ?

= ?

4

3

2

1

y

y

y

y = ?

= ?

= ?

= ?

F = 100 kMol/h

V = ?

L = ?

Do diagrama de Depriester:

4

3

2

1

K

K

K

K (propano) = 4,2

(butano) = 1,75

(pentano) = 0,74

(hexano) = 0,34

134,01

34,014,0

174,01

74,013,0

175,11

75,112,0

12,41

2,411,0

fffffF

Equação de Rachford-Rice:

0)1(1

)1(

1

c

i i

ii

Kf

KzF

Primeira iteração: estimativa inicial de f = 0,5.

2515,0134,05,01

34,014,0

174,05,01

74,013,0

175,15,01

75,112,0

12,45,01

2,411,0

fF

2

2

2

2

2

2

2

2

'

]134,01[

34,014,0

]174,01[

74,013,0

]175,11[

75,112,0

]12,41[

2,411,0

fffffF

Método de Newton para estimativa do novo valor de f . k

kkk

fF

fFff

'

1

c

i i

ii

Kf

KzF

12

2'

)]1(1[

)1(

6259,0]134,05,01[

34,014,0

]174,05,01[

74,013,0

]175.15,01[

75,112,0

]12,45,01[

2,411,05,0

2

2

2

2

2

2

2

2

'

F

0982,06259,0

2515,05,01 kf

Logo, V/F = 0,1211

Como F = 100 Kmol/h V = 12,11 Kmol/h e L = 87,89 Kmol/h

k F( ) F’( )

1 0,5000 0,2515 0,6259 0,0982

2 0,0982 -0,0209 0,9111 0,1211

3 0,1211 -0,0007

1kfkfkf kf

)1(1

i

ii

Kf

zx

)1(1

i

iii

Kf

zKy

A composição das fases liquido e vapor é determinada pelas relações abaixo:

Composição das fases L e V

x y

Propano 0,0719 0,3021

n-butano 0,1833 0,3207

n-pentano 0,3098 0,2293

N-hexano 0,4350 0,1479

1,0000 1,0000

Operações em multiestágios

Um enriquecimento do vapor em constituintes voláteis poderia, a princípio, ser

obtido por uma série de destilações flash, onde o vapor formado em cada estágio é

condensado e “reflasheado” nos estágios subseqüentes.

Recuperação de hexano de uma mistura equimolar hexano/octano

Na prática, a recuperação é muito pequena, as necessidades energéticas são

elevadas (aquecimento e resfriamento) e grandes quantidades de líquidos são

produzidas.

Efetuando o reciclo das correntes intermédiárias de líquido, podemos aumentar a

recuperação de hexano.

Recuperação de hexano de uma mistura equimolar hexano/octano

Um olhar mais detalhado revela que o uso do reciclo aumenta em cerca de 28% as

necessidades energéticas do processo (aquecimento e resfriamento).

Observa-se também que, em ambos os casos, o uso de flash sucessivos necessita

de um considerável número de trocadores de calor e bombas (caso com reciclo).


Uma simplificação do processo anterior poderia ser feita conforme a figura abaixo,

com apenas dois trocadores de calor, um para promover o aquecimento da

alimentação e um outro para condensar os vapores que deixam a unidade.

-Parte do destilado retorna a coluna

como refluxo, entrando em contato

em contracorrente com o vapor

ascendente.

-Organizados verticalmente, os

estágios eliminam a necessidade do

uso de bombas para promover o

fluxo das correntes.

-Todos os estágios podem ser

combinados em um único

equipamento.

Seção de Retificação


De forma análoga, poderíamos pensar em uma configuração que concentre os

componentes pesados na corrente de fundo.

Seção de Esgotamento


Coluna de destilação

Combinando as idéias anteriores.....

Uma coluna de destilação é dividida

em duas seções:

Retificação (acima do prato de

alimentação)

Esgotamento (abaixo do prato de

alimentação)

OBS: Os estágios localizados na seção de retificação aumentam a pureza do

produto de topo. Os estágios localizados na seção de esgotamento aumentam a

recuperação das frações leves no destilado.

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Automotive