DESTILAÇÃO FRACIONADA OPERAÇÕES UNITÁRIAS 2. Profa. Roberta S. Leone

Transcrição

1 DESTILAÇÃO FRACIONADA OPERAÇÕES UNITÁRIAS 2

2 INTRODUÇÃO O equipamento que promove a transferência de massa e calor entre correntes líquidas e de vapor saturadas é a conhecida Coluna de Destilação Fraccionada Esta é constituída por um recipiente cilíndrico dentro do qual se encontra uma série de pratos internos entre os quais circulam vapor e líquido em contracorrente As duas fases presentes em cada andar sofrem transferência de massa e calor e assume-se que se encontram em equilíbrio ao deixar o andar

3 INTRODUÇÃO No topo da coluna, o condensador condensa o vapor proveniente da coluna Refluxo é parte do condensado, reenviado para o prato superior Razão de refluxo (R) a razão entre o caudal da corrente reenviada e o caudal da corrente produzida no topo que deixa a coluna (destilado) Na base da coluna encontra-se um revaporizador que vaporiza parte da corrente de líquido da base, para o prato inferior, onde entra sob a forma de vapor A corrente retirada na base da coluna designase por Resíduo

4 COMPONENTES DA COLUNA DE DESTILAÇÃO

5 COMPONENTES DA COLUNA DE DESTILAÇÃO

6 COMPONENTES DA COLUNA DE DESTILAÇÃO

7 COMPONENTES DA COLUNA DE DESTILAÇÃO

8 COMPONENTES DA COLUNA DE DESTILAÇÃO

9 ANDAR DE EQUILÍBRIO Cada uma das unidades onde se promove o contato entre as correntes de líquido e de vapor em circulação na coluna, com vista a produzir duas novas correntes de líquido e de vapor, em equilíbrio, é designado por Andar em Equilíbrio ou Andar Teórico

10 ANDAR DE EQUILÍBRIO Genericamente, a coluna de destilação fracionada é constituída por uma série de andares em equilíbrio que vão promovendo o enriquecimento: nos componentes mais voláteis, da fase vapor que sobe na coluna nos componentes menos voláteis, da fase líquida que desce na coluna Para cada andar é necessário ir calculando, sucessivamente, a temperatura de ponto de bolha do líquido no andar, a qual será a temperatura do andar teórico A zona acima da alimentação designa-se por zona de retificação A zona abaixo da alimentação se designa por zona de esgotamento

11 PRATOS O contato entre fases em cada andar em equilíbrio é promovido fisicamente através: Pratos da coluna de destilação (coluna de pratos) Uma dada altura de enchimento (coluna de enchimento)

12 PRATOS

13

14 MÉTODO DE McCABE-THIELE Sistemas binários Utiliza o diagrama de equilíbrio y,x Balanço de massa descrever o equilíbrio entre o líquido e o vapor em cada andar teórico Os balanços mássicos são representados por linhas retas no diagrama y,x linha operatória de retificação (balanços mássicos à zona de retificação) linha operatória de esgotamento (balanços mássicos à zona de esgotamento)

15 MÉTODO DE McCABE-THIELE Zonas de retificação e esgotamento

16 EFEITO DAS CONDIÇÕES DE ALIMENTAÇÃO LÍQUIDO SUB-RESFRIADO LÍQUIDO SATURADO LÍQUIDO PARCIALMENTE VAPORIZADO

17 EFEITO DAS CONDIÇÕES DE ALIMENTAÇÃO VAPOR SATURADO VAPOR SUPERAQUECIDO

18 EFEITO DAS CONDIÇÕES DE ALIMENTAÇÃO H V : entalpia da alimentação no ponto de orvalho H L : entalpia da alimentação no ponto de ebulição H F : entalpia da alimentação nas condições de entrada

19 EFEITO DAS CONDIÇÕES DE ALIMENTAÇÃO

20 EFEITO DAS CONDIÇÕES DE ALIMENTAÇÃO Localização da linha de alimentação para diferentes condições de alimentação.

21 MÉTODO DE McCABE-THIELE Cada andar teórico é um degrau entre a linha operatória e a curva de equilíbrio As correntes líquido e vapor em equilíbrio (L n, V n ) correspondem a um ponto da curva de equilíbrio As correntes de líquido e vapor que entram e saem do andar (L n-1 e V n+1 ) correspondem a pontos da linha operatória

22 MÉTODO DE McCABE-THIELE Traçado característico dos vários andares teóricos da coluna de destilação x D composição do Destilado x B composição do Resíduo A intersecção das duas linhas operatórias coincide com o Andar de Alimentação da coluna (R/(R+1)) = coeficiente angular da linha operatória de retificação A Razão de Refluxo influencia: o declive dessa reta o enriquecimento conseguido em cada andar (relacionado com a altura do degrau) o número de andares necessário para a separação (desde x D a x B )

23 MÉTODO DE McCABE-THIELE Influência da Razão de Refluxo (R)

24 MÉTODO DE McCABE-THIELE Exemplo Deseja-se separar uma mistura líquida de benzeno e tolueno em uma torre de destilação sob pressão atmosférica. A alimentação líquida de 100 kgmol/h contém 45%mol benzeno a 327,6K. O destilado deve conter 95%mol de benzeno e o resíduo de fundo deve conter 10%mol de benzeno. A relação de refluxo é 4:1. Calcule as vazões de saída da torre e o número de pratos necessários. Dados: Cp alimentação =159 kj/kgmol.k Calor latente de vaporização = kj/kgmol

25 MÉTODO DE McCABE-THIELE Exemplo Dados para o gráfico de equilíbrio

26 MÉTODO DE McCABE-THIELE Refluxo mínimo e Refluxo total Razão de refluxo: L/D O número mínimo de pratos ocorre quando refluxo é máximo O refluxo mínimo corresponde a um número infinito de pratos na coluna

27 MÉTODO DE McCABE-THIELE Refluxo Total Todo o vapor que atinge o topo da coluna retorna para a coluna Não há retirada de material destilado A linha de operação de retificação coincide com a linha auxiliar a 45 Refervedor, condensador e diâmetro da coluna tendem ao infinito Número de pratos teóricos é mínimo Calculado pela equação considerando a volatilidade relativa

28 MÉTODO DE McCABE-THIELE Razão de Refluxo Mínimo Número infinito de pratos teóricos para atingir x D e x B Diminui a inclinação da linha de operação Interseção das linhas de retificação e alimentação fica próxima da curva de equilíbrio Quando as linhas de operação tocam a curva de equilíbrio o número de pratos teóricos se torna infinito

29 MÉTODO DE McCABE-THIELE Razão de Refluxo Ótima Limitada pela razão de refluxo total e de refluxo mínimo Exemplo : para o exemplo anterior (separação de uma mistura de benzeno e tolueno com x D =0,95 e x B =0,1) calcule: a) Razão de refluxo mínimo b) Número mínimo de pratos teóricos para a razão de refluxo total

30 MÉTODO DE McCABE-THIELE Colunas de esgotamento A alimentação é realizada no topo da coluna Em geral é um líquido saturado O produto de topo (V D ) vai direto para o condensador e não é feito o refluxo O BM fica: L m =F e se q>1; L m =q.f

31 MÉTODO DE McCABE-THIELE Colunas de esgotamento A figura mostra a linha de operação de alimentação para q=1, com as etapas de separação traçadas desde x F até x W

32 MÉTODO DE McCABE-THIELE Coluna de Retificação A alimentação é realizada pelo funda da coluna na forma de vapor O destilado é rico no componente mais volátil O resíduo de fundo tem composição semelhante a da corrente de alimentação; um pouco mais pobre no componente mais volátil BM global: V n =F y n+1 = L n x V n + n+1 y = q x x F q 1 q 1 D V n+1 x D (5) (13)

33 MÉTODO DE McCABE-THIELE Exemplo : Numa coluna de esgotamento operando a 101,3 kpa, a alimentação de 400kmol/h é realizada como líquido no ponto de ebulição, contendo (bases molares) 70% de benzeno (A) e 30% de tolueno (B). A vazão de resíduo é de 60kmol/h contendo 10% de benzeno. Calcule a vazão de destilado, sua composição e o número de pratos teóricos necessários.

34 VÍDEOS AUXILIARES Balanço de massa de cada estágio Funcionamento da coluna de destilação Linhas de operação