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7/27/2019 Aula01 - Destilacao McCabe
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Mtodo de McCabe-Thiele para Torre de PratosCascatas de absoro e stripping so mtodos comuns por separar misturas de vapor e
lquido. Uma separao mais completa pode ser alcanada combinando estes processos emuma coluna de destilao binria.
Condensador total
Alimentao
Overhead vapor
VaporN
21
Destilao
f
Vaso de Refluxo
Estgios da seode retificao
Estgios da seo
de Stripping
Estgio de Alimentao
Base
Reboiler parcial
Refluxo Destilado
L0 (absorvente)
VN+1 (vapor a ser
separado)
V1
LN
1
2
N1
N
LN+1 (liquido a ser separado)
V0 (stripper)
VN
L1
12
N1
N
Absoro Stripping
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Mtodo de McCabe-Thiele para Torre de Pratos
Uma coluna de destilao binria com mlt iplos estgios de fluxocontracorrente consiste em:
Um condensador total: para produzir um refluxo que tem como funo gerar
um lquido absorvedor e um destilado lquido.
Um refervedorparcial para produzir vapor para agir como agente de str ipping
e um produto de base.Um estgio intermedirio de alimentao.
Esta configurao permite a obteno de um nvel elevado de separao,
exceto nos casos onde existe azetropos, neste casos um dos produtos
chegar a concentrao do azetropo.
O objetivo da
destilao alcanar
um destilado rico nocomponente leve e um
produto de fundo rico
no componente mais
pesado.
Condensador total
Alimentao
Overhead vapor
VaporN
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1
Destilao
f
Vaso de Refluxo
Estgios da seo
de retificao
Estgios da seo
de Stripping
Estgio de Alimentao
Base
Reboiler parcial
Refluxo Destilado
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Mtodo de McCabe-Thiele para Torre de Pratos
A alimentao contm um componente mais voltil (a chave leve, LK) e um componentemenos voltil (a chave pesada, HK). Na temperatura e presso de alimentao esta pode
ser um lquido, vapor ou uma mistura lquido-vapor. A composio da alimentao
dada pela frao molar da chave leve ZF.A composio da base da dada pela frao
molar da chave pesada XB, considerando que a composio do destilado determinada
pela frao molar da chave leve XD
A dif iculdade de alcanar a
separao determinada
pela volatilidade relativa, entre o LK=1, e o HK=2.
1,2 K1 / K2
Se os dois componentes
formam uma soluo ideal,
ento a Lei de Raoult pode
ser aplicada e:
Ki Pis
/ P
A volatil idade relativa
ento apenas a relao
das presses de vapor:
1,2 P1s
/ P2s
Somente funo de TA medida que T aumenta, diminui atque em algum ponto fica igual a 1 e
nenhuma separao possvel.
Condensador total
Alimentao L/V
Overhead vapor
VaporN
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Destilao
f
Vaso de Refluxo
Estgios da seode retificao
Estgios da seo
de Stripping
Estgio de Alimentao
Base
Reboiler parcial
Refluxo Destilado
HK frao molar xB
LK frao molar zF
LK frao molar xD
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Mtodo de McCabe-Thiele: Curva de Equilbrio
Ns podemos reescrever a volatilidade relativa em termos das fraes molares dachave leve em uma mistura binria como segue:
1,2 K1 / K2 y1 / x1
y2 / x2
y1 /x11 y1 / 1x1
y1 1 x1 x1 1 y1
Para componentes de temperatura do ponto de ebulio prximas, ser quaseconstante na coluna. Resolvendo para a frao molar da LK no vapor d:
Para componentes onde os pontos de ebulio no so prximos
variar dependendoda composio. A curva de equilbrio parecer semelhante a que tem fixo, mas noajustar a equao acima para constante.
y1 1,2x1
1 x1 1,2 1
y1
x1
Curva de
equilbrio
45 line
y1
x1
45 line
Aumento da
volatilidade
relativa
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EspecificaesF Fluxo total de alimentao
zF composio molar da alimentao
P Presso de operao da coluna (admita uniforme na coluna)
Condio de fase da alimentao @P
Curva de equilbrio lquido-vapor @PTipo de condensador (total ou parcial)
xD Composio molar do destilado
xB Composio molar do produto de base
R/Rmin Relao do refluxo com o refluxo mnimo
Resultados
D Fluxo de destilado
B Fluxo de produto de base
Nmin Nmero mnimo de estgios de equilbrio
Rmin Razo de refluxo mnimo , Lmin/DR Razo de refluxo, L/D
VB Razo de ebulio, V/B
N Nmero de estgios de equilbrio
Localizao tima do estgio de alimentao
Composies de lquido e vapor em cada estgio
Especificaes para o Mtodo de McCabe-Thiele
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Mtodo de McCabe-Thiele: Balano de Massa na Coluna
FzF xDD xBB
Alimentao (L/V)
VaporN
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f
Base
Refluxo
F, zF
D, xD
B, xB
Destilado
O balano de massa para o componente leve em torno da coluna d:
O balano de massa global em trona da coluna d:
F D BAssim ns sabemos que a frao molar da chave leve na alimentao
est entre a do destilado e a do fundo:
D F zF xBxD xB
Se D, F e ZF so
especif icados, ento
podem ser estipulados XDou XB.
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Mtodo de McCabe-Thiele: Balano de Massa na Coluna
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Va, ya
La, xa=xd=y1=ya
F, zf
Lb, xN
Ln-1xn-1Vnyn
LnxnVn+1yn+1
Lm-1xm-1V
my
m
LmxmVm+1ym+1
condensador
Produto de topo D, xd
ReboilerVb, yb
Produto de Base B, xb
Seo
de
re
tificao
R=La/D
Mtodo de McCabe-Thiele: Balano de Massa na Coluna
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Mtodo de McCabe-Thiele: Seo de Retificao
Vn1yn1 Lnxn DxD
Que pode ser rearranjando para encontrar:
A seo de retificao se estende do estgio 1 at oestgio imediatamente antes da alimentao.
Se ns f izermos um balano de massa para a chave
leve em torno dos n estgios da seo de
retificao incluindo o condensador:
yn1 Ln
Vn1xn
D
Vn1xD
alimentao (L/V)
vaporN
n
1
f
Base
Refluxo
ZF
L, xD= x0
xB
Destilado
xD
n
1 RefluxoL0, xD=
x0
Destilado
xD
L
xn
V
yn+1
Se L e V so constantes na
coluna de estgio para estgio,
ento esta equao representauma linha reta.
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Mtodo de McCabe-Thiele: Seo de Retificao
Vn1yn1 Lnxn DxD
Que pode ser rearranjando para encontrar:
A seo de retificao se estende do estgio 1 at oestgio imediatamente antes da alimentao.
Se ns f izermos um balano de massa para a chave
leve em torno dos n estgios da seo de
retificao incluindo o condensador:
yn1 Ln
Vn1xn
D
Vn1xD
alimentao (L/V)
vaporM
n
1
f
Base
Refluxo
ZF
L, xD= x0
xB
Destilado
xD
n
1 RefluxoL0, xD=
x0
Destilado
xD
L
xn
V
yn+1
Se L e V so constantes na
coluna de estgio para estgio,
ento esta equao representauma linha reta.
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Mtodo de McCabe-Thiele: Fluxo Molar Constante
yn1 Ln
Vn1xn D
Vn1xD
Se L e V so constantes na coluna de estgio para estgio, ento
esta equao representa uma linha reta. Isto requer que:
Os dois componentes tm entalpias de vaporizao igual e
constante.
As mudanas de capacidade de calor so desprezveis
comparado ao calor de vaporizao
A coluna bem isolada assim a perda de calor desprezvelA presso na coluna uniforme
Estas condies conduzem condio de transbordamento
molar constante.
Alim. (L/V)
BoilupN
n
1
f
Bases
Refluxo
ZF
L, xD= x0
xB
Destilado
xD
Para esta condio a quantidade de vapor
transferida ao fluxo lquido em cada estgio
igual quantidade de lquido transferida ao
fluxo de vapor. Assim as taxas de fluxo do lquidoe vapor so constantes na seo inteira.
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Mtodo de McCabe-Thiele: Linha de Operao da Seo de Retificao
y L
Vx
D
VxD
O lquido entrando no estgio 1 o refluxo L e sua
relao para o destilado L/D a razo de refluxo R. Se
ns tivermos transbordamento molar constante, ento R
uma constante e
L
V
L
L D
L / D
L / D D / D
R
R 1
D
V
D
L D
1
R 1e
Ns definimos esta
equao como a linha
de operao da seo
de retificao
Feed (L/V)
BoilupN
n
1
f
Bottoms
Reflux
ZF
L, xD=
x0
xB
DistillatexD
No caso de transbordamento de molar constante
ns podemos eliminar os subscrito do estgio
ento:
yn1 Ln
Vn1xn D
Vn1xD
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Mtodo de McCabe-Thiele: Linha de Operao
n
1
f
Reflux
xD= x0
Distillate
xD
L,
xn
V, yn+1
y LVx DV
xDNs podemos ento reescrever:
como y R
R 1x
1
R 1xD
Se so especificados R e XD ento ns podemos
desenhar a linha mostrada no diagrama seguinte.
y
x
xD
Inclinao=R/(R+1)
Dx
R 1
1
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x
Curva de
Equilbrio
45
linha
x0=xDx1
y
y1y2
y 1
R 1xD
Seo de retificao linha de
operao
Inclinao=L/V=R/(R+1)
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Mtodo de McCabe-Thiele: Seo de Stripping
Lxm Vym1 BxB
Que ns podemos rearranjar e admitir fluxomolar de transbordamento constante para
encontrar:
A seo de stripping estende apenas os estgios abaixo do
estgio de alimentao at o estgio N da base. Se ns
executarmos um balano material para chave leve ao redor
dos estgios do fundo da seo de retificao inclusive o
condensador ns teremos:
y
L
Vx
B
VxB
Feed (L/V)
BoilupN
n
1
f
Bottoms
Refluxo
zF
L, xD= x0
xB
Destilado
xD
L
xm
V
ym+1
Boilup
NBottoms
B, xB
m+1
L, xN
V, yBNos definimos esta equao como
linha de operao da seo de
stripping.
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Mtodo de McCabe-Thiele: Seo de Stripping
y L
Vx
B
VxB
Feed (L/V)
BoilupN
n
1
f
Bottoms
Refluxo
zF
L, xD= x0
xB
Destilado
xD
y VB 1
VBx
1
VBxBe
L
xm
V
ym+1
Boilup
NBottoms
B, xB
m+1
L, xN
V, yB
Dado que:
L
V
VBV
VB 1
VB
L V B
Ento
VB chamado razo de ebulio.
VB V
B
Nos definimos esta equao como linha
de operao da seo de stripping.
Esta tambm linha de
operao da seo de
stripping
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Curva de
Equilbrio
45 linha
xNxB
y
yB
yN
Linha de operao da seo de stripping
Inclinao=L/V=(VB+1)/VB
Se so especificados VB e XB ento ns podemostraar a linha da seo de retificao da seguinte
forma:
Lxm
Vym+1
Boilup
NBottoms
B, xB
m+1
L, xN
V, yB
xm
Ym+1
y VB 1
VBx
1
VBxB
Na determinao das linhas de operao para as sees de retificao e stripping ns
precisamos das composies da base e destilado, razo de refluxo e razo de ebulio. As
composies podem ser especificadas independentemente, mas R e VB esto relacionados
a razo de lquido e vapor da alimentao
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Consideraes sobre o Estgio de Alimentao
L V
F
L V F VL
F
Vapor no ponto
de orvalho
VL L
V VF V
L L LF
L
F
ParcialmenteVaporizado
V
F
Lquido no
Ponto de bolha
VL F L
V V
F
L
Vaporsuperaquecido
V F V
VL L
L
F
Lquidosubresfriado
V V
L FL V
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Consideraes sobre o Estgio de Alimentao
F
VV
F
LLq
1
L V
F
L
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Consideraes sobre o Estgio de Alimentao
L V
F
L V
F
lquido no ponto
de bolha
L V
F
Vapor no ponto
de orvalho
L V
F
Lquido sub-
resfriado
F
L V
Vapor
superaquecido
L V
F
Parcialmente
vaporizado
q=1 q=0
q>1 q
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Condies de Alimentao
L B V
V D LVFLF D B
V V VF
L L LFVFL L D B
VFL L D L V
V L D VF
Considere os casos onde a alimentao no um lquido sub-resfriado ou umvapor superaquecido:
Balano de massa no refervedor:
Balano de massa no condensador:
Balano de massa na coluna:
Vapor que entra na seo de retificao:
Vapor que entra na seo de retificao:
Lquido que entra na seo de stripping:
Substituindo no balano da coluna:
Substituindo no balano do refervedor:
Em outras palavras, o vapor que entra na seo retificao o vapor
que entra no condensador menos a taxa de vapor na alimentao.
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Condies de Alimentao
Assim, exceto nos casos onde a alimentao um lquido sub-resfriado ou
vapor superaquecido, a ebulio est relacionada com o refluxo pelo
balano de massa:
V L D VF
VB V
B
L D VFB
Operaes de destilao podem ser especificadas pela relao de
refluxo ou relao de ebulio embora a relao de refluxo (ou
R/Rmin) seja a mais utilizada.
Dividindo por B obtemos a razo de ebulio:
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A linha q
Primeiro, ns definimos o parmetro q por:F
LLq
yV Lx BxByV Lx DxDSubtraindo as duas
linhas de operao:
Obtemos: y V V L L x DxD BxB
Usando o balao de massa na chave pesada:
DxD BxB FzF
menos
y V V L L x FzF
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A linha q
Usando o balao de massa na chave pesada:
DxD BxB FzF
Usando o balano material em torno do estgio de alimentao para eliminar a
vazo de vapor:
FV L V L
Simplificando e usando a definio de q resulta na linha q (linha de alimentao)
y q
q 1
x
zF
q 1
x zF y zF
y V V L L x FzF
V V F L L
y F L L L L x FzF
A linha q tem
inclinao q/(q-1) e
intercepta a diagonal
y=x em y=zF
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Construo das linhas para o Mtodo de McCabe-Thiele
Curva de equilbrio
45Linha
x=zFxB
y
yB
yN
Seo de Stripping:
Linha de Operao
Inclinao=L/V=(VB+1) /VB
xD
Seo de Retificao:
Linha de Operao
Inclinao=L/V=R/(R+1)
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Construo das Linhas para o Mtodo de McCabe-Thiele
Curva de equilbrio
x=zFxB
y
yB
yN
xD
1
2
3
4
Estgio de alimentao timo situado no 2 prato
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Localizao do Estgio de Alimentao com o Mtodo de McCabe-Thiele
Curva de equilbrio
x=zFxB
y
yB
yN
xD
1
2
3
4
Estgio de alimentao situada numa
bandeja abaixo.