Destilao fraccionada (colunas de pratos)

Operaes de Separao por Difuso I (Processos de Separao)Destilao

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)

OSD ILio 5 - *Colunas de pratos similares aos usados na absoroO lquido desce em cascata pela coluna enquanto o vapor sobe borbulhado no seio do lquido em cada andarNo caso de andares ou pratos ideais (de equilbrio) as correntes que os abandonam esto em equilbrioParte do lquido reciclado para a coluna (refluxo)A alimentao introduzida algures no meio da colunaNo caso de destilao multicomponente, podem existir vrias correntes de retirada de produto ao longo da altura da coluna (da o nome fraccionamento)Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Caractersticas:

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos) Coluna de estrutura cilndrica

Dividida em seces por uma srie de pratos perfurados que permitem o fluxo ascendente de vapor

O lquido de cada prato pode correr atravs duma represa e duma conduta descendente, para o prato de baixo

O vapor do topo enviado a um condensador e o condensado resultante dividido por um divisor de refluxo, sendo parte retirado com produto e parte reenviado coluna como refluxo

Constituio e funcionamento:

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Constituio e funcionamento: O lquido dentro da caldeira, na base da coluna, aquecido normalmente com vapor de gua

O vapor produzido entra no lquido que est sobre o prato 1 e condensa parcialmente

O calor libertado produz uma quantidade de vapor equivalente, que contm uma maior proporo do constituinte mais voltil

Este processo repete-se em todos os pratos, verificando-se em todos eles condensao parcial e vaporizao parcial.

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)As colunas podem funcionar em descontnuo onde uma proporo crescente do produto do topo ter-se- de reenviar como refluxo para manter a concentrao no prato do topo

Ou

As colunas podem funcionar em contnuo quando a alimentao se introduz no prato conveniente e as condies em qualquer ponto no sistema so independentes do tempo Constituio e funcionamento:

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Coluna Descontnua

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)A coluna monta-se sobre um grande ebulidor ou caldeira que contm a carga Coluna de Rectificao;

A funo dos pratos aumentar a concentrao do componente mais voltil no vapor e, portanto, no produto;

O lquido que permanece na caldeira se torna cada vez mais rico no componente menos voltil.Coluna Descontnua

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Coluna Contnua

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)A alimentao introduzida normalmente nalgum ponto intermdio na coluna;

A parte que fica acima do ponto de alimentao Zona de Rectificao; e

A parte que fica abaixo do ponto de alimentao Zona de Esgotamento.

Os pratos abaixo da alimentao esgotam o componente mais voltil - o lquido retirado do fundo da coluna tem uma concentrao mnima neste constituinte;

Obtm-se melhor recuperao.

Coluna Contnua

OSD ILio 5 - *Fseco de enriquecimentoNo. pratos: mDestilao Fraccionamento (colunas de pratos)

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Nmero de pratos necessrios numa coluna de destilao:Consideraes

4 correntes implicadas na T.C. e de T.M. atravs dum prato O prato n recebe lquido Ln+1 do prato n+1 de cima, e vapor Vn-1 do prato n-1, de baixo; O prato n fornece lquido Ln ao prato n-1 e vapor Vn ao prato n+1.

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)PRATO n

Nmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: BALANO ENTLPICO num PRATOEquao difcil de utilizar para a maioria das misturas.hn entalpia por mole do lquido no prato n;Hn entalpia por mole do vapor que sobe vindo do prato n.

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Hipteses (simplificao):

As perdas de calor so pequenas (colunas com bom isolamento trmico) despreza-se;

O calor de mistura zero (sistemas ideais);

O calor molar de vaporizao pode considerar-se constante e independente da composio (1 mol de vapor Vn-1 ao condensar fornece calor suficiente para libertar 1 mol de vapor)

Vn = Vn-1 o caudal de vapor cte ao longo da coluna (a menos que haja entrada ou sada de material na zona considerada)hn = hn+1 (variao de T de 1 prato para o seguinte pequeno)

Nmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: BALANO ENTLPICO num PRATO

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Para estas condies:

H 2 mtodos de calcular o nmero de pratos necessrios para conseguir uma separao desejada duma mistura binria

1o Sorel (+ tarde modificado por Lewis) 2o McCabe e Thiele

Nmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODOS DE CLCULO

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)B.M. (acima do PRATO n)Global:Vn = Ln+1 + D

Componente + voltil:

ynVn = xn+1Ln+1 + xdDNmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODO DE LEWIS-SOREL(1.1)(1.2)(1.3)

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Nmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODO DE LEWIS-SORELComo as moles do lquido que transborda so em nmero constante: Ln+1 = Ln B.M. (Base at acima do prato m)Lm = Lm+1 Lm = Vm + W ymVm = Lmxm+1 - Wxw(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)

OSD ILio 5 - *Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Para calcular a VARIAO DA COMPOSIO de um prato para o seguinte usa-se:

Curva de equilbrio para determinar a composio do vapor acima do lquido;

Linha do enriquecimento para calcular a composio do lquido sobre o prato seguinte (seces acima do ponto de alimentao).

O mtodo repete-se ao longo da coluna.

A equao da linha do esgotamento (seces abaixo do ponto de alimentao).

Nmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODO DE LEWIS-SOREL

OSD ILio 5 - *Hiptese: constncia dos fluxos molares

O nmero de moles de componentes que evaporam de L para V igual ao nmero de moles de componentes que condensam de V para L (contradifuso equimolecular)Esta assuno vlida se os calores latentes de ambas as espcies (A e B) forem iguais (similares em magnitude)Neste caso, os caudais molares de lquido e de vapor so constantes em cada uma das seces da coluna (enriquecimento e esgotamento)Destilao Fraccionamento (colunas de pratos)Nmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODO DE McCabe-Thiele

OSD ILio 5 - * B.M.: Seco de EnriquecimentoDestilao Linhas operatriasNmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODO DE McCabe-Thiele

(1.4a)(1.4b)(1.4c)

OSD ILio 5 - *yADestilao Linhas operatriasA linha operatria uma recta de declive R/(R+1)Comea em (xD,xD), um ponto localizado sobre a diagonalNmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODO DE McCabe-Thiele

OSD ILio 5 - *B.M.: Seco de EsgotamentoDestilao Linhas operatriasNmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODO DE McCabe-Thiele(1.7a)

OSD ILio 5 - *yADestilao Linhas operatriasA linha operatria: Comea em (xW,xW), um ponto localizado sobre a diagonal; Coeficiente angular Lp-1/Vp.Nmero de pratos necessrios numa coluna de destilao: MTODO DE McCabe-Thiele

OSD ILio 5 - *Destilao Linha dos qImportncia:

O lugar geomtrico dos pontos de interseco das linhas operatrias depende da Temperatura e do Estado Fsico da Alimentao;

Se as 2 linhas operatrias se interceptam num ponto com coordenadas (xq, yq), pode-se escrever, se se atender s equaes 1.4a e 1.7a:

Interseco das Linhas Operatriase(1.8)(1.9)

OSD ILio 5 - *Destilao Linha dos qInterseco das Linhas OperatriasPelo queB.M. no Prato de alimentao:(1.10)(1.11)ou

OSD ILio 5 - *Destilao Linha dos qB.E. no Prato de alimentao (relao entre Lm e LP-1):

Considerar o que acontece quando a alimentao entra na coluna Se a alimentao estiver toda na forma de lquido sua temperatura de ebulio, o refluxo LP-1 que transborda para o prato de baixo ser:

Interseco das Linhas OperatriasSe a alimentao for um lquido a uma temperatura Tf, inferior ao ponto de ebulio, algum vapor vindo do prato de baixo condensar para fornecer calor suficiente para levar o licor da alimentao ao ponto de ebulio.

OSD ILio 5 - *Destilao Linha dos qSeja:Hf Entalpia por mole da alimentao;HfsEntalpia de 1 mole da alimentao no seu ponto de ebulio.

Ento, o calor a fornecer, para levar a alimentao ao ponto de ebulio, : F(Hfs Hf)E o no. de moles de vapor que devero condensar para fornecer este calor :Interseco das Linhas Operatrias

OSD ILio 5 - *Destilao Linha dos qSendo assim, o licor de refluxoInterseco das Linhas Operatriasem que

OSD ILio 5 - *q o nmero de moles de lquido saturado formado na coluna pela introduo de uma mole de alimentao. dado pela razo entre o calor necessrio para vaporizar uma mole de alimentao nas condies de entrada e o calor latente da alimentao entalpia da alimentao temperatura de entradaDestilao Linha dos q

OSD ILio 5 - *Destilao Linha dos qPortanto, da equao 1.11:

Interseco das Linhas Operatrias(1.13)B.M. (Coluna)Componente + voltil: FxF = DxD + WxWPortanto, da equao 1.10: F(q-1)yq = qFxq - FxF

(1.14)ouEquao da Linha q

OSD ILio 5 - *A linha dos q localiza o ponto de intercesso entre as duas linhas operatrias

Portanto, com apenas uma linha operatria e a recta dos q possvel traar-se a outra

A linha dos q comea sobre a diagonal, no ponto referente alimentao, xF, e tem de declive q/(q-1)

Destilao Linha dos qConclui-se que:Interseco das Linhas Operatrias

OSD ILio 5 - *yADestilao Linha dos qInterseco das Linhas OperatriasRepresentao grfica das linhas operatrias das seces de enriquecimento e de esgotamento e a Linha q

OSD ILio 5 - *Destilao Linha dos qDa definio de q CONCLUI-SE QUE:

O coeficiente angular da linha q determinado pela natureza da alimentao.

q > 1, se a alimentao for lquido frioq = 1, se a alimentao for lquido no seu ponto de bolhaq = 0, se a alimentao for vapor saturado0 < q < 1, se a alimentao for mistura de lquido e vaporq < 0, se a alimentao for vapor sobreaquecidoInterseco das Linhas Operatrias

OSD ILio 5 - *Note que:

Para uma dada taxa R h um valor mnimo de q;

Quanto menor T da alimentao, maior ser o declive da linha operatria da seco de enriquecimento (e maior o nmero de pratos necessrios).Destilao Linha dos qO efeito da temperatura da alimentao sobre a linha dos q evidente

OSD ILio 5 - *Valor mnimo de q para uma determinada taxa de refluxo eDeclive mximo para a recta da seco de esgotamento mesma taxaxAyAxWyn+1xDy1xFqminNo. pratos = Destilao Linha dos q

OSD ILio 5 - *Taxa de refluxo mximo (declive mximo da linha operatria) para uma dada recta dos qyADestilao Linha dos q

OSD ILio 5 - *Traam-se linhas quebradas entre as linhas operatrias e a linha de equilbrioSalta-se de uma linha operatria para a outra no ponto em que se pretende introduzir a alimentao Sero necessrios 10 pratos para realizar a separao que se pretendeA alimentao ser introduzida no 5 pratoDestilao Nmero de andares de equilbrio

OSD ILio 5 - *Qual ser o melhor prato para se introduzir a alimentao?Destilao Localizao do prato de alimentao

OSD ILio 5 - *O lquido que desce do ltimo prato para o exterior da colunapode:

entrar para um ebulidor que funciona como uma cmara de vaporizao flash onde parcialmente vaporizado. O vapor retorna coluna como refluxo e o lquido restante retirado como produto. Neste caso, o nmero de andares incluir o ebulidor. o caso representado anteriormente

ser separado em duas correntes, sendo uma parte retirada como produto e a outra retornada como refluxo para a coluna passando antes pelo ebulidor onde totalmente vaporizado

Destilao Ebulidores

OSD ILio 5 - *Destilao Ebulidor parcial (flash boiler)vapor de aquecimentoWxWfundo da coluna

ebulidoryn+1 e xw esto em equilbrioxn xW yn+1xAyAdiagonallinha de equilbrioxWyn+1xDy1 o caso visto anteriormente

OSD ILio 5 - *Destilao Ebulidor total

ebulidorxn = xW = yn+1fundo da colunaWxwvapor de aquecimentoxAyAdiagonallinha de equilbrioxWyn+1xDy1

OSD ILio 5 - *Destilao CondensadoresO vapor que sai do prato do topo para o exterior da colunapode:

entrar para um aparelho que o condensa parcialmente, sendo o lquido formado retorna coluna como refluxo e o vapor retirado como produto destilado. Neste caso, o nmero de andares incluir tambm o condensador parcial.

ser condensado totalmente. O lquido resultante ser ento separado em duas correntes, sendo uma poro retornada como refluxo para a coluna e a outra retirada como produto destilado. o caso estudado anteriormente

OSD ILio 5 - *Destilao Condensador total

OSD ILio 5 - *Destilao Condensador parcial

OSD ILio 5 - *Destilao Linhas operatriasPretende-se separar uma mistura de benzeno e tolueno, que contm 40 mole % de benzeno, para dar um destilado com 90 mole % de benzeno no topo e um resduo com um mximo de 10 mole % de benzeno. A alimentao aquecida de maneira a entrar na coluna sua temperatura de ebulio e o vapor que sai da coluna condensado, mas no arrefecido, e fornecer refluxo e produto. Prope-se fazer funcionar a unidade com um quociente de refluxo de 3 moles/mole de produto. Pede-se a determinao do nmero de pratos tericos necessrios e da posio de introduo da alimentao.Aplicao prtica dos mtodos de Lewis-Sorel e de McCabe-Thiele

OSD ILio 5 - *Os dados de equilbrio para a mistura benzeno-tolueno a presso de 1 atm so:

xy0.000.00000.020.04550.060.13200.100.20900.180.34400.260.45850.460.67900.500.71400.580.77650.700.85450.740.87850.780.90050.860.94050.940.97651.001.0000

********* A alimentao F d origem ao destilado D e ao resduo W.

A caldeira bastante pequena, porque s precisa de conter serpentinas de aquecimento suficientes para vaporizar apenas parte do lquido que escorre do prato de fundo.

Uma unidade completa consiste normalmente:um tanque de alimentao;um aquecedor de alimentao;uma coluna com caldeira;um condensador;um dispositivo para fazer o retorno de parte do lquido condensado como refluxo; earrefecedores para arrefecer os dois produtos antes da armazenagem.

***A aco do prato Realizar mistura de maneira a que o vapor Vn, de composio yn, alcance o equilbrio com o lquido Ln, de composio xn.

As correntes Ln+1 e Vn-1 no podem estar em equilbrio e, durante o processo de troca sobre o prato, parte do constituinte mais voltil vaporiza-se do lquido Ln+1, diminuindo a concentrao deste para xn, e parte do constituinte menos voltil condensa-se de Vn-1, aumentando a concentrao do vapor para yn.

O calor para vaporizar o constituinte mais voltil do lquido fornecido pela condensao parcial do vapor Vn-1.

Portanto,

O efeito resultante que o constituinte mais voltil passa do lquido que desce pela coluna para o vapor que ascende,Enquanto

O constituinte menos voltil transferido na direco oposta.**Usando estas simplificaes na equao anterior v-se que Ln igual a Ln+1, pelo que as moles de refluxo lquido so tambm constantes nesta zona da coluna.

Conclui-se, portanto, que Vn e Ln so constantes na zona de rectificao, e Vm e Lm na zona de esgotamento.**Suponha-se que uma unidade est a funcionar como se indica na figura:

Uma alimentao binria F destila dando um destilado D e um resduo W, sendo xf, xd e xw as correspondentes fraces molares do constituinte mais voltil.

O vapor Vt, que sobe do prato superior, condensa e parte devolvido como lquido na respectiva temperatura de ebulio, coluna, formando o refluxo, sendo o restante retirado como destilado.

*A 1a. Equao fornece uma relao entre a composio do vapor que ascende para o prato e a composio do lquido existente em qualquer prato acima do prato de alimentao.

A 2a. Equao semelhante 1a. e fornece a relao correspondente entre as composies do vapor que ascende para um prato e do lquido nesse prato, para a zona abaixo do prato de alimentao.

Estas 2 equaes so as EQUAES DAS LINHAS OPERATRIAS.******Traadas as 2 linhas operatrias determina-se o no. de andares necessrios desenhando degraus entre a linha operatria e a curva de equilbrio partindo do ponto (xd,xd)

**** Calor Latente molar do vapor*******

Note que:A alterao do coeficiente angular da linha q alterar a concentrao do lquido qual as 2 linhas operatrias se intersectam para um dado quociente de refluxo;

Isto acarretar uma ligeira alterao no no. de pratos necessrios para uma dada separao;

Embora a variao no no de pratos seja normalmente bastante pequena, se a alimentao estiver fria, haver um aumento do refluxo abaixo do prato de alimentao e, portanto, um maior consumo de calor no ebulidor por mole de destilado;

Para uma dada taxa R h um valor mnimo de q;

Quanto menor T da alimentao, maior ser o declive da linha operatria da seco de enriquecimento (e maior o nmero de pratos necessrios).

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