Slide - Colunas Recheadas - Operações Unitárias 2 - 2017-2

Colunas Recheadas 2/2017 ∆P, Inches H₂O Feet packing Flooding Figure 16.14. Eckert correlation for pressure drop. (Adapted from J. S. Eckert, Chem. Eng., 82 (8), 70-76 (1975).) Table 16.6 Packing factors Type of Packing Material Nominal Packing Size, In. 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 1 1 1/4 1 1/2 2 3 3 1/2 Super Intalox Ceramic — — — — — 60 — — 30 — Super Intalox Plastic — — — — — 33 — — 21 16 — Intalox Saddles Ceramic 725 330 200 — 145 98 — 52 40 22 — Hy-Pak Rings Metal — — — — — 42 — 18 15 — — Pall Rings Plastic — — — — 97 — 52 — 40 25 — 16 Pall Rings Metal — — — 70 — 48 — 28 20 — 16 Berl Saddles Ceramic 900j — — 240k — 170h 110g — 65b 45i — Raschig Rings Ceramic 1,600c,d 1,000e,h 580c,i — 380c 255c 155d 125c,i 95c,j 65c,f 37c,f,i Raschig Rings,   1/3-in. wall Metal 700c 390c 300c — — 170 155 115f — — — — Raschig Rings, 3/16-in. wall Metal — — — 410 — 290 220 137 110 j 83 57 32i Tellerettes Plastic — — — — — 40 — — — 20 — — Maspak Plastic — — — — — — 32 — 20 — — Lessing exp. Metal — — — — — — 30 — — — Cross partition Ceramic — — — — — — — — 70 b 3/16 wall. c 3/8 wall. d 1/4 wall. e 3/8 wall. g 3/8 wall. h Packing factors obtained in 16- and 30-in. I.D. towers. Extrapolated. Source: J. S. Eckert, Chem. Eng., 82 (8), 70-76 (1975). i. A eficiência da coluna de recheio é função de alguns fatores, os mais importantes fatores são a vazão da carga e a distribuição da fase líquida. ii. O líquido circula por gravidade como um filme sobre as peças sólidas e o vapor movimenta-se nos interstícios entre as peças adjacentes. A quantidade de líquido dentro da coluna é a retenção ou hold-up total que é a quantidade necessária para assegurar a circulação de líquido por gravidade contra a vazão de gás. iii. Hold-up =f(vazão da fase líquida) e independe da vazão da fase vapor até o ponto de inundação onde qualquer acréscimo na velocidade superficial do vapor causa o preenchimento rápido dos vazios por líquido. A baixo do ponto de carga a fase vapor é contínua, acima deste ponto o líquido começa a acumular e há uma perda de carga acentuada da fase vapor. Com o aumento da velocidade da fase vapor a fase líquida torna-se contínua ( vazios preenchidos) e a coluna funciona como uma coluna de borbulhamento. Coluna inundada difícil operação podendo a queda de pressão aumentar abruptamente. iv. Os pontos de carga e de inundação podem serem determinados efetuando medidas de perda de carga em função da velocidade superficial do vapor. Representação esquemática da variação da queda de pressão em uma coluna de recheio em contra corrente, em função da velocidade do gás Os fluxos mássicos estão representados por L’, sendo L’1<L’2. Para L’0 é nulo a vazão de líquido e com isso o recheio está seco. A zona sombreada indica a zona de carga Representação esquemática da retenção (hold-up) total, em função do fluxo mássico de vapor. Os fluxos mássicos de líquido são representados por L’, sendo L’1<L’2<L’3<L’4. A zona sombreada indica a zona de carga. Dimensionamento; O diâmetro da coluna é calculado com base no critério de inundação ou no de perda de carga aceitável. A velocidade da fase líquida ou vazão da fase líquida deve ser fixada de modo a garantir o máximo de irrigação do recheio e uma operação estável. Isto é assegurado quando a velocidade da fase vapor estiver abaixo da velocidade do vapor no ponto de carga que deve ser conhecida. Quando a velocidade do vapor no ponto de carga não for conhecida deve-se estimar através de correlações a que causa inundação. A velocidade de operação do vapor = 60 a 80% da velocidade de inundação O critério de inundação para determinar o diâmetro ou o critério de perda de carga aceitável dependem das condições hidrodinâmicas da coluna. A altura do recheio está relacionado com a dificuldade de separação a ser realizada. O cálculo do número de estágios de equilíbrio pode ser convertida em altura equivalente de estágio teórico (HETP). Parâmetro de Fluxo(FLV) Curva de inundação Ordenada (ϕ G) Gop= Gf x Fração At=V / G Diâmetro Determinação do diâmetro V : Vazão mássica ou molar dependendo se G é fluxo mássico ou molar i. Fp: Fator de recheio =f(forma, material e dimensões do recheio ii. Dimensões do recheio Fp P iii. G=f(Fp) iv. Colunas que trabalham a P atm ( entre 400 a 600 Pa/m) Colunas a vácuo: ( entre 8 a 40 Pa/m) Colunas que trabalham com pressão alta: (800 a 1200 Pa/m) i. Calculado o parâmetro de fluxo, ψ e usando a curva de inundação obtém-se um valor para ordenada correspondente a um conjunto de variáveis que são todas conhecidas exceto G que pode ser calculado, este valor corresponde ao fluxo de gás que causa a inundação. O valor do fluxo de gás nas condições de operação está entre 50% a 80% deste valor. Este valor com a vazão mássica da fase vapor determinada calcula-se o diâmetro do local onde foram determinados os dados acima (Vazão mássica da fase vapor). As curvas da Correlação de Eckert apresentam sérias limitações, quando aplicadas na previsão das quedas de pressão dos recheios mais recentes, por isso é aconselhável usar esta correlação apenas para os recheios aleatórios de primeira geração ou, mais genericamente para aqueles cujo o fator de recheio sejam maiores 197 m-1 ou 60 ft-1. ii. Para recheios mais recentes com Fp < 200m-1 Strigle mostrou que se obtêm melhores previsões com a correlação mostrada na figura. Verifica-se que nesta correlação não temos a curva correspondente à condição de inundação, a qual permitiria conhecer a queda de pressão que provoca a inundação na coluna e que corresponderia as vazões máximas que poderiam ser usadas. Kister and Gill : Correlação empírica válida: 30 m-1 <Fp <197 m-1 Determina P para condições de inundação (P/z)f = 40,912( Fp)0,7 Fp em m-1 e a queda de pressão em Pa/m. Para enchimentos com Fp> 197 m-1 os autores recomendam que seja considerada uma queda de pressão de 1634 Pa/m que basicamente coincide com a curva tracejada da correlação de Eckert. Neste diagrama CG é o fator de capacidade do gás, definido por: vG: velocidade superficial da fase gasosa e Critério da Perda de Carga 0.01 0.05 0.10 0.50 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 C_GF_p^0.5 v_G^0.05 (m^0.5/s) 1226 Pa/m 817 409 204 82 41 Ψ = (L'/G') (ρ_G/ρ_L)^0.5 Recheio Estruturado: O procedimento para o cálculo do diâmetro das colunas deve ser realizado através de correlações semelhantes a de Eckert , usando valores tabelados dos respectivos fatores de recheio, Fp. É preferível, quando possível, usar curvas específicas para cada tipo de recheio que são fornecidas pelos fabricantes com base em ensaios laboratoriais até a escala piloto e, sobretudo, na experiência adquirida em diversas aplicações industriais com o referido tipo de recheio, pois é muito mais confiável. Correlação específica para o recheio estruturado Mellapak da série Y : Cf : Fator de capacidade máxima (correspondente as condições de inundação), para um dado parâmetro de fluxo ψ é definido por: Recheio Estruturado 0.007 0.01 0.015 0.02 0.03 0.05 0.07 1 0.05 0.07 0.10 0.15 0.20 0.30 C_f (m/s) 125.Y 250.Y 350.Y 500.Y Ψ Altura da Coluna Recheada: As colunas de recheio são equipamentos de contato diferencial contínuo que não possuem estágios fisicamente distintos, como os da coluna de prato. A análise destas colunas pode ser feita usando o conceito de estágio de equilíbrio , admitindo que a zona recheada da coluna é hipotéticamente dividida em um determinado número de segmentos de igual altura que atuam como um estágio de equilíbrio. A abordagem do conceito do HETP (Height Equivalent to a Theoretical Plate) não tem uma descrição física rigorosa do mecanismo na coluna recheada, mas pode ser usado para obter valores indicativos da altura da coluna com recheio aleatório ou estruturado. HETP: A altura de cada um dos segmentos hipotéticos que atua como um estágio de equilíbrio teórico é dado por: A altura da coluna, z, é obtida multiplicando o HETP pelo número de pratos teóricos obtidos por método rigoroso ou aproximado. HETP=HETP(tipo e dimensões do recheio, tipo de mistura e vazão da fase vapor). Correlação para estimar o HETP: αp: área superficial por unidade de volume do recheio. Características: i. Os valores mais frequentes do HETP estão entre 0,3 m e 0,6 m. ii. Sistemas envolvendo aminas ou glicóis ( para os quais a tensão superficial é aproximadamente 0,04 N/m o valor do HETP deve ser multiplicado por 1,5 (Kister). iii. Sistemas aquosos que apresentam valores de tensão superficial maiores (σ~ 0,07 N/m) o valor obtido para o HETP deve ser multiplicado por 2. iv. Padrões comuns para o HETP, no qual se destacam: i. HETP> peças de recheios maiores. ii. Peças diferentes porem com o mesmo tamanho HETP semelhantes. iii. Para um determinado sistema e um recheio aleatório ou estruturado o HETP é aproximadamente constante para uma grande faixa de vazões da fase gás. iv. Com a aproximação da condição de inundação o valor do HETP aumenta porque fica reduzida a eficiência de separação. ys0 xe0 F, zF ye0 Seção ‘0’ xs0 ys1 xe1 ye1 xs1 Seção ‘1’ PROCEDIMENTO PARA PROJETO DE COLUNA DE DESTILAÇÃO RECHEADA A coluna acima é formada por duas seções de recheio e um estágio ideal na zona de carga. A carga a ser processada é binária. As especificações da separação são: •Carga: vazão molar (F), composição (z), fração vaporizada (b). •Destilado: vazão molar (D), composição (xD). •Ponto de alimentação: ponto ótimo. •Razão de refluxo: certo múltiplo da razão de refluxo mínima, isto é, R = Rmin * c (c conhecido). •Pressão e tipo de condensador. •Porcentagem do ponto de inundação na condição de operação. •Tipo e tamanho do recheio a ser usado. Devemos determinar as seguintes quantidades: •Composição e vazão molar de todos os produtos. •Razão de refluxo operacional •Os comprimentos das seções recheadas. •Os diâmetros das seções recheadas. •As perdas de cargas de cada leito. Procedimentos: •Determina-se B e xB com balanços externos. •Temos xE0 = ys0 = xD e xs1 = yE1 = xB •Fazer um flash na carga para determinar a composição da fase líquida (xF) e da fase vapor (yF). •Carga no ponto ótimo: yE0 = yF e xE1 = xF Dx D L x V y         F  F F D x y y x R    min •Razão de refluxo mínima: correntes de cruzamento na zona de carga em equilíbrio, xS0 em equilíbrio com yE0; xS0 min = xF Equação de Operação : •Razão de refluxo : R = c . Rmin •Diâmetros calculados com os procedimentos anterior. •Calcular N0y0 e NOy1.   2 1 F Oy T Oy Oy H H H   •Calcular:   2 0 F Oy T Oy Oy H H H   •( referente a seção"0") ( referente a seção "1") • Calcular : • zc0 = HOy0 . NOy0 • zc1= HOy1. NOy1 PROCEDIMENTO PARA PROJETO DE COLUNAS DE ABSORÇÃO / ESGOTAMENTO RECHEADAS ys xe ys xs A coluna é alimentada superiormente pela corrente de solvente e inferiormente pela corrente de gás contendo o soluto de interesse. As especificações da separação são: •Carga vapor: vazão molar de inerte (VS), composição do soluto (yE). •Produto vapor: composição (yS) ou recuperação do soluto. •Carga líquida: composição do soluto (xE). •Vazão do solvente (Ls) ; como um certo múltiplo da vazão mínima, isto é, Ls = c .Ls min. •Pressão. •Porcentagem do ponto de inundação na condição de operação. •Tipo e tamanho do recheio usado. Deve-se determinar as seguintes quantidades: •Composição e vazão de todos os produtos. •Consumo dos solventes. •Comprimento do leito de recheio. •Diâmetro do, leito do recheio •A perda de carga do leito Procedimento : Coluna de Absorção: •Determina-se Ls min : correntes em cruzamento na base da coluna estão em equilíbrio (pinch) xS min está em equilíbrio com yE. Calculamos xS min = g(yE) ( relação de equilíbrio). •Vazão de solvente: LS = c . LS min . •Com a equação de operação obtemos xS a partir de VS, LS, yE, xE e yS. •Diâmetros calculados com o procedimento anterior. •Calcular : NOg. •Calcular   2 F Oy T Oy H H Hoy   •Calcular : •zc = HOg . NOg