Destilação Fracionada e Análise de Misturas Binas e Multicomponentes

Destilação Fracionada Mistura binária 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 Métodos de destilação jefersonpiccinupfbr Destilação Fracionada Processo de separação onde se utiliza uma coluna de fracionamento na qual é possível realizar a separação de diferentes frações eou componentes que apresentam diferentes pontos de ebulição presentes em uma mistura Mistura binária diferentes frações Mistura multicomponentes deferentes produtos Isto nada mais é do que uma simulação de sucessivas destilações flash Destilação Fracionada jefersonpiccinupfbr Destilação Simples vs Destilação Fracionada Condensador total Vapor do topo Vapor N 2 1 Destilação fracionada Tambor de refluxo Estágios na seção de retificação Estágios na seção de esgotamento Estágio da alimentação Resíduo Refervedor parcial Refluxo Destilado Alimentação Condensador total Vapor Destilação diferencial Destilado Sem refluxo Sem cascata Sem corrente de alimentação Sem fluxo em contracorrente Composição do líquido xt Composição do destilado yt Corrente destilado Dt Líquido remanescente Wt QB jefersonpiccinupfbr Link Líquido não desce de um estágio pelas perfurações porque a pressão do vapor sob a bandeja é grande o suficiente para que isso não ocorra Cada prato representa um estágio Estágio parte do equipamento onde duas fases distintas entram em contato e se separam Destilação Fracionada jefersonpiccinupfbr Pratos estágios Link Destilação Fracionada jefersonpiccinupfbr Seção de enriquecimento ou retificação Parte do topo da coluna onde o vapor vai ficando mais rico no componente mais volátil Condensador C condensa completamente a corrente de vapor Separador D permite o refluxo de parte do destilado para dentro da coluna Destilação Fracionada Destilado D Produto Refluxo R Retorna para o topo da coluna jefersonpiccinupfbr Seção de esgotamento ou estripagem Parte da base da coluna onde o líquido vai ficando mais pobre no componente mais volátil Reboiler ou refervedor B evapora parte da corrente de fundo fazendo a retornar para o interior da coluna Destilação Fracionada Produto de fundo B Resíduo da destilação jefersonpiccinupfbr Cada fase corrente esta em equilíbrio com sua fase correspondente y2 x2 Destilação Fracionada Fundamentos jefersonpiccinupfbr Exemplo 1141 Geankoplis 1998 Destilação Fracionada Fundamentos jefersonpiccinupfbr O método supõe Os calores latentes molares das substâncias considerados iguais e constantes O calor de solução as perdas de calor nos estágios e as variações do calor sensível do líquido e do vapor são considerados desprezíveis Fluxo molar constante L e V ctes O método considera balanços materiais em cada seção da coluna e também no prato de alimentação no condensador e no refervedor Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Balanço de massa na seção de retificação Destilação Fracionada Método de McCabeTiele 𝑉𝑛1 𝐷 𝐿𝑛 13 Balanço global Balanço para o componente mais volátil A 𝑉𝑛1 𝑦𝐴𝑛1 𝐿𝑛 𝑥𝐴𝑛 𝐷 𝑥𝐴𝐷 14 Substituindo Vn1 pela eq 13 e Isolando yAn1 𝑦𝐴𝑛1 𝐿𝑛 𝐷 𝐿𝑛 𝑥𝐴𝑛 𝐷 𝐷 𝐿𝑛 𝑥𝐴𝐷 15 jefersonpiccinupfbr Balanço de massa na seção de retificação 𝑅𝐷 𝐿𝑛 𝐷 18 Definindo a Razão de refluxo RD Dividindo a eq 15 por D 16 𝑦𝐴𝑛1 𝐿𝑛 𝐷 𝐿𝑛 𝑥𝐴𝑛 𝐷 𝐷 𝐿𝑛 𝑥𝐴𝐷 1 𝐷 Então 17 𝑦𝐴𝑛1 𝐿𝑛𝐷 𝐷𝐷 𝐿𝑛𝐷 𝑥𝐴𝑛 𝐷𝐷 𝐷𝐷 𝐿𝑛𝐷 𝑥𝐴𝐷 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Balanço de massa na seção de retificação 19 𝑦𝐴𝑛1 𝑅𝐷 1 𝑅𝐷 𝑥𝐴𝑛 𝑥𝐴𝐷 1 𝑅𝐷 Coeficiente Angular Coeficiente Linear A eq 19 representa a linha de operação da seção de retificação Para xan0 𝑦𝐴𝑛1 𝑥𝐴𝐷 1 𝑅𝐷 xD 20 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Exemplo 1141 Geankoplis 1998 xD 𝑦𝐴𝑛1 𝑥𝐴𝐷 1 𝑅𝐷 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Balanço de massa na seção de esgotamento 𝐿𝑚 𝑉𝑚1 𝐵 21 Balanço global Balanço para o componente mais volátil A 𝐿𝑚 𝑥𝐴𝑚 𝑉𝑚1 𝑦𝐴𝑚1 𝐵 𝑥𝐴𝐵 22 Substituindo Vm1 pela eq 22 e Isolando yAn1 𝑦𝐴𝑚1 𝐿𝑚 𝐿𝑚 𝐵 𝑥𝐴𝑚 𝐵 𝐿𝑚 𝐵 𝑥𝐴𝐵 23 Por convenção os pratos da seção de esgotamento são numerados por m m1 Porém a numeração final da coluna segue de cima para baixo Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Balanço de massa na seção de esgotamento Coeficiente Angular Coeficiente Linear A eq 23 representa a linha de operação da seção de esgotamento Para xam0 𝑦𝐴𝑛1 𝐵 𝑥𝐴𝐷 𝐿𝑚 𝐵 xB 𝑦𝐴𝑚1 𝐿𝑚 𝐿𝑚 𝐵 𝑥𝐴𝑚 𝐵 𝐿𝑚 𝐵 𝑥𝐴𝐵 24 25 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Linhas de operação da coluna xB xD As linhas de operação da seção de enriquecimento ou retificação e da seção de esgotamento se encontram no PRATO DE ALIMENTAÇÃO DA COLUNA xF A linha de operação da ALIMENTAÇÃO está no ponto xF sobre a pendente de 45 e cruza a interseção das linhas de operação de retificação e esgotamento A alimentação modifica a corrente L dependendo da sua temperatura Se for mais elevada que a temperatura do prato ela vaporiza reduzindo L Se for mais fria ela condensa vapor aumentando L E quando não se conhece Lm para calcular a linha de operação do esgotamento Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Linha de operação da alimentação F xF Prato m ou n Ln1 Retificação Esgotamento Lm Vm1 Vn A contribuição da corrente F na corrente de líquido que desce pela coluna Lm é dada pela fração da alimentação na forma de líquido saturado q Logo 𝐿𝑚 𝐿𝑛1 𝑞 𝐹 Ou Por analogia a contribuição da alimentação para a corrente de vapor que sobe pela coluna Vn 𝑉𝑛 𝑉𝑚1 1 𝑞 𝐹 ou 𝐿𝑚 𝐿𝑛1 𝑞 𝐹 26 𝑉𝑛 𝑉𝑚1 1𝑞𝐹 27 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Linha de operação da alimentação F xF Prato m ou n Ln1 Retificação Esgotamento Lm Vm1 Vn Usando equações dos balanços com modificações das seções de retificação eq 14 e esgotamento eq 22 para o ponto onde as seções se encontram mn 𝑉𝑛 𝑦𝐴𝑛 𝐿𝑛1 𝑥𝐴𝑛 𝐷 𝑥𝐴𝐷 1 14 𝑉𝑚1 𝑦𝐴𝑚1 𝐿𝑚 𝑥𝐴𝑚 𝐵 𝑥𝐴𝐵 22 Resolvendo como um sistema de eqs lineares Resolvendo como um sistema de eqs lineares 𝑉𝑚1 𝑉𝑛 𝑦𝐴 𝐿𝑚 𝐿𝑛1 𝑥𝐴 𝐷 𝑥𝐴𝐷 𝐵 𝑥𝐴𝐵 Das eqs 26 e 27 𝑞 1 𝐹 𝑞 𝐹 E do balanço da coluna 𝐹 𝑥𝐹 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Linha de operação da alimentação F xF Prato m ou n Ln1 Retificação Esgotamento Lm Vm1 Vn 𝐹 𝑞 1 𝑦𝐴 𝑞 𝐹 𝑥𝐴 𝐹 𝑥𝐹 𝐹 Reordenando os termos a fim de isolar yA 𝑦𝐴 𝑞 𝑞 1 𝑥𝐴 𝑥𝐹 𝑞 1 28 Coeficiente Angular Coeficiente Linear 𝑞 ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 29 De acordo com a termodinâmica q é dado pela quantidade de energia necessária para evaporar 1 mol nas condições de alimentação pelo calor latente da alimentação λlat Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Exemplo 1141 Geankoplis 1998 xD xF 𝑦𝐴 𝑞 𝑞 1 𝑥𝐴 𝑥𝐹 𝑞 1 xB Destilação Fracionada Método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Exemplo 1141 Geankoplis 1998 xD xF xB y1 x1 y2 x2 y3 x3 y4 x4 y5 x5 y6 x6 y7 x8xB y8 x8 reboiler x7 R 7 estágios refervedor Destilação Fracionada Método de McCabeTiele Se TFTn Líquido subresfriado jefersonpiccinupfbr Efeito da Temperatura de alimentação no fluxo de líquido da coluna F xF Prato m ou n Ln1 Retificação Esgotamento Lm Vm1 Vn ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 𝑞 1 𝑞 ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 xB xD xF 𝐿𝑚 𝐿𝑛1 𝐹 30 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele Se TFTn Líquido saturado jefersonpiccinupfbr Efeito da Temperatura de alimentação no fluxo de líquido da coluna F xF Prato m ou n Ln1 Retificação Esgotamento Lm Vm1 Vn ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 𝑞 1 𝑞 ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 xB xD xF 𝐿𝑚 𝐿𝑛1 𝐹 31 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele Se TFTn Mistura LV jefersonpiccinupfbr Efeito da Temperatura de alimentação no fluxo de líquido da coluna F xF Prato m ou n Ln1 Retificação Esgotamento Lm Vm1 Vn ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 0 𝑞 1 𝑞 ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 xB xD xF 𝐿𝑛1 𝐿𝑚 𝐿𝑛1 𝐹 32 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele Se TFTn Vapor saturado jefersonpiccinupfbr Efeito da Temperatura de alimentação no fluxo de líquido da coluna F xF Prato m ou n Ln1 Retificação Esgotamento Lm Vm1 Vn ℎ𝑉 ℎ𝐹 0 𝑞 0 𝑞 ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 xB xD xF 𝐿𝑚 𝐿𝑛1 33 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele Se TFTn Vapor superaquecido jefersonpiccinupfbr Efeito da Temperatura de alimentação no fluxo de líquido da coluna F xF Prato m ou n Ln1 Retificação Esgotamento Lm Vm1 Vn ℎ𝑉 ℎ𝐹 0 𝑞 0 𝑞 ℎ𝑉 ℎ𝐹 𝜆𝑙𝑎𝑡 xB xD xF 𝐿𝑚 𝐿𝑛1 34 Destilação Fracionada Método de McCabeTiele Síntese do método de McCabeTiele jefersonpiccinupfbr Linha de operação da seção de retificação Linha de operação da seção de esgotamento Linha de operação da alimentos 𝑦𝐴 𝑞 𝑞 1 𝑥𝐴 𝑥𝐹 𝑞 1 𝑦𝐴𝑚1 𝐿𝑚 𝐿𝑚 𝐵 𝑥𝐴𝑚 𝐵 𝐿𝑚 𝐵 𝑥𝐴𝐵 𝑦𝐴𝑛1 𝑅𝐷 1 𝑅𝐷 𝑥𝐴𝑛 𝑥𝐴𝐷 1 𝑅𝐷