Aula 04

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III

Aula 04

12/03/2015

Destilação

Uma coluna de destilação consiste basicamente em:

• Coluna propriamente dita, com a finalidade de promover o contato entre as fases

líquido e vapor;

• Um condensador total para produzir um refluxo e um destilado líquido.

• Um refervedor parcial para produzir uma corrente de vapor na base da coluna.

• Um estágio intermediário de alimentação.

O objetivo da destilação:

Produzir um destilado rico no componente

leve e um produto de fundo rico no

componente mais pesado.

Destilação

F Vazão de alimentação

zF composição molar da alimentação

P Pressão de operação da coluna (admita uniforme na coluna)

Condição de fase da alimentação

Dados de equilíbrio líquido-vapor

Tipo de condensador (total ou parcial)

xD Composição molar do destilado

xB Composição molar do produto de base

R/Rmin Relação do refluxo com o refluxo mínimo

Geralmente, em uma separação por destilação conhecemos:

Destilação

D Vazão de destilado

B Vazão de produto de base

Nmin Número mínimo de estágios de equilíbrio

Rmin Razão de refluxo mínimo

R Razão de refluxo

Razão de ebulição

N Número de estágios de equilíbrio

Localização ótima do estágio de alimentação

Composições de líquido e vapor em cada estágio

Geralmente, precisamos obter as seguintes informações:

Método de McCabe-Thiele

Método gráfico empregado para a determinação do número de estágios teóricos

requeridos para promover a separação de uma dada mistura binária.

Balanço de massa em um estágio de equilíbrio

Global:

Por componente:

nnnn LVLV 11

nnnnnnnn xLyVxLyV 1111

As composições e estão em equilíbrio a (temperatura no prato n). nynx

nT


Retificação em um prato ideal (Ilustração)


Coluna de destilação

Balanço Global:

Para o componente leve:

BDF

BDF BxDxFz

F, zF D, xD

B, xB


Seção de retificação: Seção da coluna localizada acima do prato de alimentação.

Balanço global:

DLV nn 1

Balanço por componente:

Dnnnn DxxLyV 11


Resolvendo para

DLV nn 1

Dnnnn DxxLyV 11

1ny

D

n

n

n

nn x

V

Dx

V

Ly

11

1

Como

D

n

n

n

nn x

DL

Dx

DL

Ly

1 D

n

n

n

nn x

DLx

DL

DLy

1/

1

1/

/1

Dnn xR

xR

Ry

1

1

11

Onde R representa a razão de refluxo D

Ln

Linha de operação para a seção

de retificação


Dnn xR

xR

Ry

1

1

11

- Sendo a razão de refluxo R constante, esta equação representa uma reta no

diagrama yx, conhecida como reta de operação da seção de retificação.

Condição de fluxo molar constante: Ln = Ln-1 = L e Vn = Vn+1 = V

•Os dois componentes têm entalpias de vaporização praticamente iguais, de

forma que cada mol de componente mais volátil que condensa na fase vapor

fornece a energia necessária para vaporizar 1 mol do componente mais volátil na

fase líquida.

•Efeitos de entalpia de mistura e de transferência de calor sensível entre as fases

são desprezados.

•A coluna é bem isolada de modo que a perda de calor é desprezível.

•A pressão na coluna é uniforme


Dnn xR

xR

Ry

1

1

11

- Esta reta intercepta a linha x=y no ponto x = xD

- A inclinação desta reta é dada por R/(R+1) ou Ln/Vn+1

- Esta reta intercepta o eixo y (x = 0) no ponto xD/(R+1)


Análise gráfica de um estágio de equilíbrio


Seção de esgotamento: Seção da coluna localizada abaixo do prato de alimentação.

Balanço global:

BVL mm 1

Balanço por componente:

Bmmmm BxyVxL 11


Resolvendo para 1my

Bm

mm

m

m xV

Bx

V

Ly

111

Bmmmm BxyVxL 11

- Assumindo-se fluxo molar constante no interior da coluna, esta equação

representa uma reta no diagrama yx, conhecida como reta de operação da

seção de esgotamento.

- Esta reta intercepta a linha x=y no ponto x = xB

- A inclinação desta reta é dada por

- Esta reta intercepta o eixo y (x = 0) no ponto

1m

m

V

L

B

m

xV

B

1


Linha operatória da seção de esgotamento

Bm

mm

m

m xV

Bx

V

Ly

111


Análise gráfica na seção de esgotamento


Influência da condição da alimentação na coluna: análise geral

A condição da alimentação que entra na coluna determina a relação entre os fluxos

molares de vapor e líquido nas seções de retificação e esgotamento.

F

L V V

VL F L

Líquido sub-resfriado

F

L

V

V V

L F L

Líquido no Ponto de Bolha

F

L

V

V VF V

L L LF

Parcialmente Vaporizado


Influência da condição da alimentação na coluna: Análise geral

F

L

V

V F V

L L

Vapor no Ponto de Orvalho

F

L

V

V F V

L L

Vapor Superaquecido


A “equação da linha-q”: Equação de reta que define o ponto de interseção entre as

linhas de operação das seções de retificação e esgotamento.

Do balanço de massa para um componente nas seções de retificação e

esgotamento temos as seguintes relações:

Bmm BxxLyV 1

Dnnn DxxLVy 1(R)

(E) BBxxLyV

DDxLxVy (I)

(II)

Fazendo (I) – (II): BD BxDxLLxVVy )()(

Como (balanço para um componente na coluna): BDF BxDxFz

Ficamos com a seguinte relação: FFzLLxVVy )()( (III)


Aplicando um balanço global no prato de alimentação da coluna:

)1(1

q

zx

q

qy F

Equação da linha q

FFzLLxVVy )()( (III)

L

L

V

V

FVLVLF

)()( LLFVV (IV)

Combinando (III) com (IV) obtemos:

Onde: F

LLq


)1(1

q

zx

q

qy F

- Esta reta intercepta a linha x=y no ponto x = zF

- A inclinação desta reta é dada por e define a interseção das linhas de

operação das seções de enriquecimento e esgotamento.

1q

q

F

LLq

Representa o número de mols de líquido saturado produzido

no prato de alimentação por mol de alimentação introduzida na

coluna.

Observe que se a alimentação é uma mistura líquido-vapor q representa a fração

de líquido na alimentação


F

LLq

Combinando a equação acima com a equação (IV):

qFLL

Observe que:

-se q = 1, a alimentação consiste em líquido saturado;

-Se q = 0 a alimentação consiste em vapor saturado

FqVV )1(

V L

LV


Ilustração gráfica da linha-q


)1(1

q

zx

q

qy F

Bmm xV

Bx

V

Ly 1

Dnn xR

xR

Ry

1

1

11


OBS: Visto que a magnitude de q está relacionada com as condições térmicas da

alimentação, q pode ser determinado por meio de um balanço de massa e energia

em torno do prato de alimentação.

L

L

V

V

F

VLVLF VHhLHVLhFh

VLVLF (BM)

(BE)

Assumindo que e que , combinando as equações acima

e substituindo o resultado na definição de q, temos a seguinte relação: LL hh VV

HH

LV

FV

hH

hHq


LV

FV

hH

hHq

- HV é a entalpia do vapor saturado;

- hF é a entalpia da alimentação nas condições de entrada na coluna;

- hL é a entalpia do líquido saturado.

Observe que o termo que aparece no denominador (HV – hL) corresponde ao calor

latente molar de vaporização da alimentação (λ);

O termo que aparece no numerador representa a quantidade de calor que deve

ser fornecida para vaporizar 1 mol da corrente de alimentação, podendo também

ser obtida pela relação abaixo:

)()()( FBpLFLLVFV TTchhhHhH

- cpL é o calor específico molar da alimentação líquida;

- TB e TF são respectivamente a temperatura do ponto de bolha da alimentação e

a temperatura da alimentação.


Observe que o a relação anterior para o cálculo de q não se aplica para vapor

superaquecido. Neste caso a relação apresenta a seguinte forma:

)( OFpV TTcq

- cpV é o calor específico molar da alimentação (vapor superaquecido);

- TO e TF são respectivamente a temperatura do ponto de orvalho da alimentação

e a temperatura da alimentação.

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