Destilação Fracionada: Estudo de Sistemas e Propriedades de Processo

Destilação Fracionada Mistura binária Parte 2 Universidade de Passo Fundo Disciplina de Operações Unitárias Geankoplis 1998 Cap 11 McCabe Smith e Harinton 1993 Cap 18 Perry e Green 2008 Caps 13 e 14 Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin Operações Unitárias UPF Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin Objetivos jefersonpiccinupfbr ESTIMAR propriedades de processo importantes para o estudo de sistemas de destilação ELABORAR fluxogramas de processo resolvendo os seus balanços de massa e energia CALCULAR as condições de operação que satisfaçam determinadas situações problemas de destilação Influência do refluxo no número de pratos de destilação jefersonpiccinupfbr Exemplo de aula 100 kmolh de etanol 40 água 60 a 50 C deve ser destilado em uma coluna de pratos obtendose etanol 70 RD2 RD1 RD5 O aumento da razão de refluxo RD reduz o número de pratos teóricos de uma coluna Influência do refluxo no número de pratos de destilação jefersonpiccinupfbr Exemplo de aula 100 kmolh de etanol 40 água 60 a 50 C deve ser destilado em uma coluna de pratos obtendose etanol 70 RD RD1 Na condição RD temos que o número de pratos tende ao infinito Pois quanto mais próxima as linhas de operação da linha de equilíbrio maior o número de pratos teóricos A esta condição se dá o nome de REFLUXO MÍNIMO Influência do refluxo no número de pratos de destilação jefersonpiccinupfbr Exemplo de aula 100 kmolh de etanol 40 água 60 a 50 C deve ser destilado em uma coluna de pratos obtendose etanol 70 REFLUXO MÍNIMO x y Ponto comprimido 𝑅𝐷𝑚𝑖𝑛 1 𝑅𝐷𝑚𝑖𝑛 𝑥𝐷 𝑦 𝑥𝐷 𝑥 30 Da eq 19 Influência do refluxo no número de pratos de destilação jefersonpiccinupfbr REFLUXO MÍNIMO Ponto comprimido O ponto comprimido pode não estar na interseção das linhas de operações Mas pode ser qualquer ponto que uma linha de operação toque a curva de equilíbrio Influência do refluxo no número de pratos de destilação jefersonpiccinupfbr Exemplo de aula 100 kmolh de etanol 40 água 60 a 50 C deve ser destilado em uma coluna de pratos obtendose etanol 70 RD RD1 Na condição RD temos que o número de pratos tende a um valor mínimo Pois as linhas de operação estão o mais distantes possível da linha de equilíbrio A esta condição se dá o nome de REFLUXO TOTAL Eficiência de destilação jefersonpiccinupfbr Eficiência teórica Consideramos até o momento que o vapor que se desprende do prato está em equilíbrio com o líquido que sai do mesmo Nestas condições considerase uma eficiência de 100 e temse um determinado número teóricos de pratos de equilíbrio Porém nem sempre o equilíbrio é alcançado devido a uma mistura incompleta no prato E mais pratos serão necessários Isso está relacionado a eficiência de destilação ou de equilíbrio Eficiência de destilação jefersonpiccinupfbr Eficiência total dos pratos E0 Eficiência de Murphree EM Relação entre EM e E0 𝐸𝑀 𝑦𝑛 𝑦𝑛1 𝑦𝑛 𝑦𝑛1 32 yn e yn1 são as concentrações reais nas saídas dos pratos n e n1 yn é a concentração de equilíbrio m é a inclinação da linha de equilíbrio V e L são as vazões das correntes de Vapor e líquido 𝐸0 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑖𝑠 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑖𝑠 31 𝐸0 𝑙𝑜𝑔 1 𝐸𝑀 𝑚 𝑉 𝐿 1 𝑙𝑜𝑔 𝑚 𝑉 𝐿 33 Eficiência de destilação jefersonpiccinupfbr No gráfico de equilíbrio Método de McCbeTiele 𝐸𝑀 𝑦𝑛 𝑦𝑛1 𝑦𝑛 𝑦𝑛1 RD5 a b Reta ab representa 𝑦𝑛 𝑦𝑛1 Reta ac representa 𝑦𝑛 𝑦𝑛1 c 𝐸𝑀 𝑎𝑐 𝑎𝑏 34 Eficiência de destilação jefersonpiccinupfbr No gráfico de equilíbrio Método de McCbeTiele RD5 a b Maior número requerido de pratos c Balanços de energia jefersonpiccinupfbr No condensador 𝑞𝑐 𝑉1ℎ𝑉1 𝐷ℎ𝐷 𝐿𝑎ℎ𝐿𝑎 Energia necessária para condensar a corrente V1 𝑞𝑐 𝑉1𝜆𝑉1 𝐷 1 𝑅𝐷 𝜆𝑉1 35 Balanços de energia jefersonpiccinupfbr No coluna como um todo 𝐹 ℎ𝐹 𝑞𝑅 𝑞𝑐 𝐷 ℎ𝐷 𝐵 ℎ𝐵 36 Entrasai F B D qC qR Queda de pressão na coluna ht jefersonpiccinupfbr Resistência a passagem pelos orifícios do prato hD e pelo líquido da coluna hL 37 ℎ𝑡 ℎ𝐷 ℎ𝐿 Sendo 38 ℎ𝐿 𝛽 ℎ𝑤 ℎ𝑂𝑊 E que hW é a altura da borda e hOW é a altura do líquido sobre a borda 39 ℎ𝑂𝑊 434 𝐿 𝑧 23 Nesta equação empírica hOW é dade em polegadas L vazão de líquido em m3min e z altura da coluna de líquido em m β assume valores entre 04 e 07 para colunas com aturas de borda entre 1 e 2 in Queda de pressão na coluna ht jefersonpiccinupfbr Para a queda de pressão nos orifícios 40 ℎ𝐷 𝑢2 𝐶0 2 𝜌𝑣 2 𝑔 𝜌𝑙 Sendo u a velocidade do vapor nos orifícios ρv e ρl as massas específicas do vapor e do líquido respectivamente e g a gravidade C0 é um coeficiente que relaciona a área do orifício com a área da coluna e a espessura do prato e o diâmetro do orifício conforme o seguinte diagrama Velocidade crítica uC jefersonpiccinupfbr Previne que o líquido retorne pelos orifícios da coluna 41 𝑢𝑐 𝑘𝑉 𝜌𝑙 𝜌𝑣 𝜌𝑣 𝜎 20 02 σ é normalmente dotado como 20 dyncm kV é um coeficiente relacionado as vazões volumétrica de líquido e vapor no prato e o espaçamento entre os pratos conforme o diagrama Em resumo jefersonpiccinupfbr Quanto o refluxo é total em um coluna temse o número mínimo de pratos de destilação Nesta condição o processo é inviável pois não há produção de destilado e tudo volta para a coluna A uma condição mínima de refluxo que garante um número infinito de pratos Para a viabilidade do projeto temse que operar com razões de refluxo acima deste valor Na prática um prato pode não se comportar como um estágio de equilíbrio perfeito eficiência de 100 O número de pratos reais deverá ser maior que o numero de estágios ideais quanto menor for a eficiência de equilíbrio Realizamos os balanços de energia no condensador e no reboiler Verificamos que para manter a coluna em funcionamento é necessário que o vapor tenha uma determinada velocidade que nos fornece informações para o dimensionamento da coluna