Destilação Multicomponente por Estágios

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1 Destilação Multicomponente por Estágios Prof. Universidade Federal do Pampa BA310 Curso de Engenharia Química Campus Bagé 27 de agosto de 2018 Destilação Multicomponente por Estágios 1

2 Destilação Multicomponente por Estágios Figura 1: Esquema de destilação de uma mistura ternária (A, B e C). Nesta mistura, A é o componente mais leve e C é o mais pesado. A separação de uma mistura de C componentes requer C 1 colunas. Fonte: Azevedo & Alves (2013). Destilação Multicomponente por Estágios 2

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4 Dois componentes são especificados no topo e no fundo da coluna: Componente-chave leve (light key, LK): mais volátil; Componente-chave pesado (heavy key, HK): menos volátil. Os componentes restantes são designados por componentes não-chaves: Componente não-chave leve (light non-key, LNK): mais volátil que LK; Componente não-chave pesado (heavy non-key, HNK): menos volátil que HK; Destilação Multicomponente por Estágios 4

5 Somente os componentes-chave se distribuem entre o topo e o fundo da coluna. Geralmente LK é especificado no topo e HK; no fundo da coluna. Assume ainda: Não há componentes de volatilidade intermediária entre os componentes-chave; Deseja-se uma boa separação entre os componentes-chave. Destilação Multicomponente por Estágios 5

6 Destilação Multicomponente por Estágios 6

7 Método de Fenske-Underwood-Gilliland é um método aproximado; É de utilização simples e muito usado para um projeto preliminar de colunas; Determinação aproximada de: 1 N o de estágios ideais; 2 Razão de refluxo; 3 Localização do estágio da alimentação; 4 Distribuição dos componentes entre produtos de topo e de fundo. Baseia-se nas hipóteses de que: As vazões molares são constantes de prato para prato; As volatilidades relativas entre componentes, α AB, são constantes. Destilação Multicomponente por Estágios 7

8 Tabela 1: Esquema de utilização do método F.U.G. Passo Equação Condição Para calcular: 1 o Fenske Refluxo total N min 2 o Underwood N R min 3 o Refluxo real R = f(r min ) R = 1,2 R min 4 o Gilliland Refluxo finito N 5 o Kirkbride Refluxo finito N F Fonte: adaptado de Azevedo & Alves (2013). Destilação Multicomponente por Estágios 8

9 Referências Originais do Método FENSKE, M. R. Fractionation of straight-run Pennsylvania gasoline. Ind. Eng. Chem., v. 24, p. 482, GILLILAND, E. R. Multicomponent rectification. Ind. Eng. Chem., v. 32, p. 1220, KIRKBRIDE, C. G. Process design procedure for multicomponent fractionators. Petroleum Refiner, v. 23, n. 9, p , UNDERWOOD, A. J. V. Fractional distillation of multicomponent mixtures. Chem. Eng. Prog., v. 44, p. 603, Destilação Multicomponente por Estágios 9

10 N o mínimo de estágios, N min Equação de Fenske: (via fração molar) [ ] (xi,d /x j,d ) ln (x i,w /x j,w ) N min = ln (α i,j ) (1) onde α i,j pode ser aproximada por: α i,j = (α 1 α 2... α R ) 1/N min (α 1 α R ) 1/2 (2) Destilação Multicomponente por Estágios 10

11 N o mínimo de estágios, N min Fração recuperada (ou de recuperação): FR i = Moles de i em D ou W Moles de i na alimentação (3) sendo: FR i,d = D x i,d F z i FR i,w = W x i,w F z i (5) FR i,w = 1 FR i,d (6) W x i,w = (1 FR i,d ) F z i (7) (4) Destilação Multicomponente por Estágios 11

12 N o mínimo de estágios, N min Equação de Fenske: (via fração recuperada) [ ] FR i,d FR j,w ln (1 FR i,d )(1 FR j,w ) N min = ln (α i,j ) (8) sendo: FR k,d = α N min k,j FR j,w + α N min 1 FR k,j j,w (9) onde k é um componente não-chave (NK). Destilação Multicomponente por Estágios 12

13 Razão de refluxo mínima, R min Equações de Underwood: 1 q = R min + 1 = C ( ) αi,hk z i α i,hk θ C ( ) αi,hk x i,d α i,hk θ i=1 i=1 (10) (11) com 1 < θ < α LK,HK. Destilação Multicomponente por Estágios 13

14 zero ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 theta Figura 2: Representação do zero da eq. 10 de Underwood para θ (theta) no intervalo de 1 < θ < α LK,HK para o Exemplo 5.2 de Azevedo e Alves (2013). Destilação Multicomponente por Estágios 14

15 Razão de refluxo mínima, R min Equações de Underwood: É necessário se conhecer x i,d previamente! Ao se conhecer FR i,d, pode-se obter x i,d rearranjando a eq. 4: x i,d = z i F FR i,d D (12) sendo que C D = (z i F FR i,d ) (13) i=1 Destilação Multicomponente por Estágios 15

16 N o de estágios ideais, N Correlação de Gilliland: Y = 0,75 0,75X 0,5668 (14) onde Y = N N min N + 1 e X = R R min R + 1. Destilação Multicomponente por Estágios 16

17 Figura 3: Correlação empírica de Gilliland. Fonte: Azevedo & Alves (2013). Destilação Multicomponente por Estágios 17

18 Estágio ótimo para carga, N F Equação empírica de Kirkbride: N F 1 = N retif = (15) N N F N esgot ( )( ) 2 ( ) 0,206 zhk xlk,w W = D z LK x HK,D Destilação Multicomponente por Estágios 18

19 Estágio ótimo para carga, N F A partir de Fenske: [ ] (xlk,d /x HK,D ) ln (z LK /z HK ) N F,min = ln (α LK,HK ) N F,min N min = N F N (16) (17) Destilação Multicomponente por Estágios 19

20 Passo-a-passo: 1 Identificar os componentes LK e HK; 2 Obter α LK,HK ; 3 Obter N min pela equação de Fenske; 4 Calcular a distribuição dos componentes NK; 5 Determinar R min pelas equações de Underwood; 6 Especificar R (geralmente a partir de R min ); 7 Calcular N pela correlação de Gilliland; 8 Determinar N F através de Kirkbride ou Fenske. Destilação Multicomponente por Estágios 20

21 Referências AZEVEDO, E. G.; ALVES, A. M. Destilação por Andares: Misturas Multicomponentes. In:. (Org.). Engenharia de Processos de Separação. 2. ed. Lisboa: IST Press, 2013, p DUTTA, B. K. Multicomponent Distillation. In:. (Org.). Principles of Mass Transfer and Separation Process. New Delhi: Prentice Hall of India, 2007, p GEANKOPLIS, C. J. Distillation of Multicomponent Mixtures. In:. (Org.). Transport Processes and Separation Process Principles (Includes Unit Operations). 4. ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2003, p Destilação Multicomponente por Estágios 21

22 Referências HENLEY, E. J.; SEADER, J. D.; ROPER, D. K. Approximate Multicomponent Methods. In:. (Org.). Separation Process Principles. 3. ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011, p McCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. Fractionation of Multicomponent Mixtures. In:. (Org.). Unit Operations of Chemical Engineering. 7. ed. Boston: McGraw-Hill, 2005, p WANKAT, P. C. Approximate Shortcut Methods for Multicomponent Distillation. In:. (Org.). Separation Process Engineering Includes Mass Transfer Analysis. 3. ed. Upper Saddle River: Pearson, 2012, p Destilação Multicomponente por Estágios 22