Exercícios Resolvidos Operações Unitárias - Destilação Isobutano n-Pentano e Extração Líquido-Líquido

Exercícios Operações unitárias 3 Podem ser resolvidos no excel ou outro software mas discutir os resultados Lista 5 Método PonchonSavarit 8 Uma mistura de 45 mol de isobutano em npentano em uma condição que 40 mol da mistura é vapor e deve ser retificada em um destilado contendo 2 mol de npentano A pressão do sistema será de 308 kPa 304 at absoluta O refluxo é de líquido saturado Utilizando os dados abaixo construa um diagrama entalpia concentração baseado nos dados de entalpia do líquido a 68 F e determine o número mínimo de pratos requeridos para fazes esta separação Ademais calcule a quantidade de calor retirada no condensador Temperatura de ebulição a 308 kPa 304 atm abs isobutano 20 C 68 F n pentano 739 C 165 F Calor de mistura desprezível Capacidade calorífica do isobutano líquido 0526 0725x103 T Btulb F T R ⁰ Capacidade calorífica do npentano líquido 0500 0643x 103 T Btulb F T R ⁰ Calor latente de vaporização no ponto de ebulição 308 kPa isobutano 141 Btulb 328x105 Jkg npentano 131 Btulb 34x105 Jkg Capacidade calorífica média do vapor do isobutano a 308 kPa 304 atm 276 Btulbmol F 115x105 JkmolK ⁰ Capacidade calorífica média do vapor do npentano a 308 kPa 304 atm 31 Btulbmol F 1297x105 JKmolK ⁰ Lista 8 Extração LíquidoLíquido 8 Calcule o número de estágios necessários para reduzir a concentração de acetona A numa corrente de alimentação que possui 30massa de acetona A e 70 em massa de acetato de etila utilizando a configuração de extração contracorrente e com uma razão água solventealimentação de 15 O produto rafinado final deve conter 5 de acetona Calcule também a razão Águasolventealimentação máxima e mínima Plotar o triangulo OPERAÇÕES UNITÁRIAS 3 LISTA 5 MÉTODO PONCHONSAVARIT Isobutano A 𝑇𝑒𝑏 68 𝐶𝑃𝐴𝐿 0526 0725103 𝑇 𝑇 𝑅 𝜆𝐴𝑒𝑏 141𝐵𝑡𝑢 𝑙𝑏 5812𝑙𝑏 1𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 819492 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑃𝐴𝑉 276 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Construção do digrama Txy do isobutano componente mais volátil Para o cálculo do xA 𝑥𝐴 1 𝐾𝐵 𝐾𝐴 𝐾𝐵 Para o cálculo do yA 𝑦𝐴 𝐾𝐴 𝑥𝐴 Os resultados obtidos foram T x y 68 1000 1000 70 0900 0990 80 0714 0929 100 0478 0812 120 0313 0656 140 0158 0411 150 0095 0276 160 0045 0141 165 0000 0000 O gráfico do diagrama está representado abaixo npentano B 𝑇𝑒𝑏 165 𝐶𝑃𝐵𝐿 0500 0643103 𝑇 𝑇 𝑅 𝜆𝐵𝑒𝑏 131𝐵𝑡𝑢 𝑙𝑏 7215𝑙𝑏 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 945165 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑃𝐵𝑉 31 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Dessa forma podese calcular as entalpias e construir o diagrama entalpia x concentração do isobutano Entalpia do Líquido ℎ𝐿 𝑥𝐴 𝐶𝑃𝐴𝐿 𝑇 𝑇0 1 𝑥𝐴 𝐶𝑃𝐵𝐿 𝑇 𝑇0 𝐻𝑠𝑜𝑙 ℎ𝐿 𝑥𝐴 𝐶𝑃𝐴𝐿 𝑇 𝑇0 1 𝑥𝐴 𝐶𝑃𝐵𝐿 𝑇 𝑇0 Entalpia do Vapor 𝐻𝑉 𝑦𝐴 𝜆𝐴 𝐶𝑃𝐴𝑉 𝑇 𝑇0 1 𝑦𝐴 𝜆𝐵 𝐶𝑃𝐵𝑉 𝑇 𝑇0 Corrigindo o calor de vaporização para a temperatura de referência 68 ºF 𝜆𝐴 𝐶𝑃𝐴𝐿 𝑇𝑒𝑏𝐴 𝑇0 𝜆𝐴𝑒𝑏 𝐶𝑃𝐴𝑉 𝑇𝑒𝑏𝐴 𝑇0 𝜆𝐵 𝐶𝑃𝐵𝐿 𝑇𝑒𝑏𝐵 𝑇0 𝜆𝐵𝑒𝑏 𝐶𝑃𝐵𝑉 𝑇𝑒𝑏𝐵 𝑇0 𝜆𝐴 𝜆𝐴𝑒𝑏 819492 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Convertendo as temperaturas para a escala Rankine 𝑇 º𝑅 𝑇º𝐹 32 49167 𝑇𝑒𝑏𝐴 68 32 49167 𝑇𝑒𝑏𝐴 𝑇0 52767 º𝑅 60 80 100 120 140 160 180 0000 0100 0200 0300 0400 0500 0600 0700 0800 0900 1000 T ºF xy Txy isobutano x Líq y Vap 𝑇𝑒𝑏𝐵 165 32 49167 𝑇𝑒𝑏𝐵 62467 º𝑅 Corrigindo o calor de vaporização 𝐶𝑃𝐴𝐿 0526 0725103 52767 𝐶𝑃𝐴𝐿 0908 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏 𝐶𝑃𝐴𝐿 5277 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑃𝐵𝐿 0500 0643103 52767 𝐶𝑃𝐵𝐿 0839 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏 𝐶𝑃𝐵𝐿 6053 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝜆𝐵 6053 165 68 945165 31 165 68 𝜆𝐵 1231606 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 As equações para o cálculo das entalpias LÍQUIDO ℎ𝐿 𝑥𝐴 5277 𝑇 68 1 𝑥𝐴 5053 𝑇 68 VAPOR 𝐻𝑉 𝑦𝐴 819492 276 𝑇 68 1 𝑦𝐴 1231606 31 𝑇 68 Cálculo das entalpias do líquido e vapor de 5 pontos Ponto 1 npentano puro xA 0 e yA 0 ℎ𝐿 0 1 0 5053 165 68 ℎ𝐿 487231 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑉 0 1 0 1231606 31 165 68 𝐻𝑉 1532306 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Ponto 2 isobutano puro xA 1 e yA 1 ℎ𝐿 1 5277 68 68 0 ℎ𝐿 0 𝐻𝑉 1 819492 276 68 68 1 1 1231606 31 𝑇 68 𝐻𝑉 819492 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Ponto 3 xA 03 e yA 03 Pelo gráfico 𝑇𝐿 122 e 𝑇𝑉 148 ℎ𝐿 03 5277 122 68 1 03 5053 122 68 ℎ𝐿 276491 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑉 030 819492 276 148 68 1 03 1231606 31 148 68 𝐻𝑉 1347812 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Ponto 4 xA 06 e yA 06 Pelo gráfico 𝑇𝐿 89 e 𝑇𝑉 125 ℎ𝐿 06 5277 89 68 1 06 5053 89 68 ℎ𝐿 108935 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑉 06 819492 276 125 68 1 06 1231606 31 125 68 𝐻𝑉 1149590 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Ponto 5 xA 09 e yA 09 Pelo gráfico 𝑇𝐿 70 e 𝑇𝑉 85 ℎ𝐿 09 5277 70 68 1 09 5053 70 68 ℎ𝐿 94583 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑉 09 819492 276 85 68 1 09 1231606 31 85 68 𝐻𝑉 908201 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Plotando o gráfico da entalpia x concentração Plotando o diagrama de equilíbrio 0000 0100 0200 0300 0400 0500 0600 0700 0800 0900 1000 0000 0100 0200 0300 0400 0500 0600 0700 0800 0900 1000 y x Diagrama de equilíbrio isobutano Determinação do número mínimo de pratos A alimentação é LíquidoVapor com base de cálculo de 100lbmol 𝐹 100 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Calculando a entalpia da mistura ℎ𝐿 189189 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑉 1270270 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐹 060 189189 040 1270270 𝐻𝐹 621621 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 O número mínimo de estágios é determinado na condição de refluxo total Nesta condição as linhas de operação são verticais e cada linha de amarração criada linhas pontilhadas em vermelho correspondem a um estágio Portanto o número mínimo de estágios desta operação será 3 estágios considerando o condensador como um estágio 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06 065 07 075 08 085 09 095 1 H Btulbmol F Vn LR xL 025 189189 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 1270270 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 ℎ𝐷 27027 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 ℎ𝐿 310811 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Calculando a quantidade de calor retirada no condensador Fazendo balanço de massa global 𝐹 𝐷 𝐿 100 𝐷 𝐿 𝐷 100 𝐿 Fazendo o balanço de massa para isobutano 𝐹 𝑥𝐹 𝐷 𝑥𝐷 𝐿 𝑥𝐿 100 045 𝐷 098 𝐿 025 45 100 𝐿 098 𝐿 025 45 98 098 𝐿 𝐿 025 𝐿 7260 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝐷 100 7260 𝐷 2740 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Fazendo o balanço de energia 𝐹 𝐻𝐹 𝑄𝐷 𝐿 ℎ𝐿 ℎ𝐷 𝐷 𝑄𝐷 𝐿 ℎ𝐿 ℎ𝐷 𝐷 𝐹 𝐻𝐹 𝑄𝐷 7260 310808 2740 27027 100 621621 𝑄𝐷 38856899 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 Logo a quantidade de calor removida pelo condensador será de 38856899 𝐵𝑡𝑢𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 LISTA 8 EXTRAÇÃO LÍQUIDOLÍQUIDO Utilizando como base de cálculo 𝐹 100 𝑘𝑔 𝑆 𝐹 15 𝑆 150 𝑘𝑔 Fazendo o balanço de massa 𝐹 𝑆 𝑀 𝑀 250 𝑘𝑔 Fazendo o balanço por componente 𝐹 𝑥𝐹 𝑆 𝑥𝑆 𝑀 𝑥𝑀 𝑥𝑀 𝐹 𝑥𝐹 𝑆 𝑥𝑆 𝑀 Calculando a coordenada do ponto M 𝑥𝑀 100 030 150 0 250 012 Marcando o ponto M no gráfico Traçando a reta entre o rafinado e o ponto M encontrando o ponto E1 Determinando a localização do ponto P Obs o ponto P pode ser localizado no cruzamento das retas 𝐹𝐸1 e 𝐵𝑅𝑁 Usando a Tieline podese encontrar o ponto R1 em equilíbrio com E1 Repetindo até que o rafinado chegue a condição especificada RN O número de estágios para a operação foi de 7 estágios Calculando as razões de solvente e alimentação máx e min F RN S M E1 P R1 E2 R2 E3 R3 E4 R7 F RN S Emáx Mmáx Emín Mmín Smín 𝑥𝑀 𝐹 𝑥𝐹 𝑆 𝑥𝑆 𝑀 𝑥𝑀𝑚í𝑛 0180 0185 100 030 𝑆𝑚í𝑛 0 𝑀𝑚í𝑛 𝑀𝑚í𝑛 16667 𝑘𝑔 Portanto 𝑆𝑚í𝑛 6667 𝑘𝑔 𝑆 𝐹 𝑚í𝑛 6667 100 06667 Smáx 𝑥𝑀𝑚á𝑥 0045 0045 100 030 𝑆𝑚á𝑥 0 𝑀𝑚á𝑥 𝑀𝑚á𝑥 66667 𝑘𝑔 Portanto 𝑆𝑚á𝑥 56667 𝑘𝑔 𝑆 𝐹 𝑚á𝑥 56667 100 56667 Dessa forma podese concluir que quanto maior a quantidade de solvente menos estágios são necessários para a operação e quanto menor a quantidade de solvente mais estágios são necessários A quantidade mínima de solvente corresponde a infinitos estágios de equilíbrio para a operação Plotar o triangulo